Caroline Katsman ontving in 2014 een Vidi-beurs voor onderzoek naar de invloed van oceaanwervels op het zinken van oppervlaktewater. Hoe staat het er twee jaar later voor? “Dit wordt een oogstjaar; er zitten een aantal publicaties in de pijplijn”, aldus Katsman. 

In dezelfde week dat Dr. Caroline Katsman hoorde van de toewijzing van de Vidi-beurs, kreeg ze ook haar UHD aanstelling bij de TU Delft via een Delft Technology Fellowship. “Ik had die week ook een staatslot moeten kopen”, grapt ze. Het betekende ook dat ze het Vidi-onderzoek in plaats van aan de Universiteit van Utrecht aan de TU Delft ging uitvoeren. “Uiteindelijk was dat minstens zo leuk. Bij de sectie Vloeistofmechanica doen we allemaal computersimulaties van stromingen, alleen de meesten op kleinere schaal en dichter bij de kust. Mijn werk richt zich op de stromingen in de Atlantische Oceaan.”

Op het Noord-Atlantisch gebied om precies te zijn. Daar stroomt warm water aan het oppervlak noordwaarts, dat gaandeweg afkoelt, zinkt en als een koude stroom weer zuidwaarts beweegt op een aantal kilometer diepte. Oceanografen noemen dat de thermohaliene circulatie, waarbij ‘thermo’ staat voor temperatuur en ‘halien’ voor zoutgehalte. “Zout water heeft een hogere dichtheid dan zoet water. En water dat warmer wordt, zet uit en heeft dus een lagere dichtheid dan koud water. Kleine verschillen in temperatuur of zoutgehalte hebben al drukverschillen tot gevolg die stromingen veroorzaken”, aldus Katsman. “We weten dat die stroming in het Noord-Atlantisch gebied kwetsbaar is en kan stoppen; in de volksmond heet dat het stilvallen van de Golfstroom.” 

Kantelend zeeoppervlak

Dat stilvallen van de Golfstroom maakte deel uit van het doemscenario in de rampenfilm ‘The Day After Tomorrow’ uit 2004. Kreeg die film veel kritiek uit wetenschappelijk hoek, het stilvallen van het warmtetransport naar het Noorden in de Atlantische Oceaan is wel degelijk mogelijk en zou dan flinke gevolgen hebben voor onder meer de zeespiegel. “Zeestromingen beïnvloeden de zeespiegel. Deze specifieke stroming is geassocieerd met een lager zeeniveau in het Noord-Atlantisch gebied en een hoger zeeniveau in het Zuiden. Als die circulatie stopt, dan kantelt het zeeoppervlak”, vertelt Katsman. “Dan gaat het zeeniveau bij ons omhoog en bij Zuid-Amerika naar beneden. Maar om te kunnen voorspellen hoeveel en hoe snel dat gaat, moet je precies begrijpen wat er met die stroming gebeurt. Dat is nu nog een van de onzekerheden in de voorspellingen van scenario’s voor zeespiegelstijging langs de Nederlandse kust.”

Foto: Rachel Fletcher - To The Denmark Strait

Hoe het oppervlaktewater precies naar grotere diepten zinkt, begrijpen de deskundigen nog niet. “Er is indirect bewijs dat er water naar beneden gaat. Dat kunnen we aflezen aan temperatuur- en zoutmetingen, maar ook door zoiets als CFK-vervuiling uit de lucht die zichtbaar wordt in de diepe oceaan. Echter, waar dat precies gebeurt en het exacte mechanisme, daar zijn we nog niet uit”, zegt Katsman. In haar onderzoek gaat zij ervan uit dat wervels daar een belangrijke rol in spelen. Wervels zijn grote draaikolken van tientallen tot honderden kilometers doorsnee. “Je hebt gebieden in het Noord-Atlantische gebied waar het water enorm afkoelt, zwaarder wordt en uiteindelijk in de diepzee terecht komt. Vroeger werd er gedacht dat dit midden op de oceaan gebeurde, maar tegenwoordig denken we dat dit juist dicht bij de kust gebeurt. Mijn stelling is dat die wervels het missende onderdeel in dat verhaal zijn.”

Maar hoe bewijs je zo’n stelling? In eerste instantie niet met behulp van simulaties van de grote klimaatmodellen van de Universiteit Utrecht, die op supercomputers in Amsterdam draaien. “Zo’n supercomputer staat rustig maanden te rekenen. Uiteindelijk komen daar dan berekeningen uit over stromingen voor de komende vijftig of honderd jaar over de hele wereldoceaan”, legt Katsman uit. “Dat is zo complex, dan zie je vaak door de bomen het bos niet meer.” Katsman en collega’s begonnen dan ook met hun eigen, uitgeklede modellen. “Door naar een kleiner gebied te kijken met een kortere tijdspanne en minder processen, kun je veel sneller rekenen. We forceren ons model met gegevens uit waarnemingen. Als het model dan de verschijnselen genereert die je op basis van je hypothese zou verwachten, is dat een aanwijzing dat je goed zit.” Analyse van de complexe modellen moet dan uitwijzen of dezelfde verschijnselen ook daarin zijn terug te vinden.

Waterkolom

Goed voorbeeld van zo’n verschijnsel is de waterkolom die zich in de winter in de Labradorzee vormt, tussen Canada en Groenland. Het oppervlaktewater koelt er zo sterk af, dat het zwaarder wordt dan de diepere lagen. “Dat gaat mengen in verticale richting, waardoor een waterkolom ontstaat die tot twee kilometer diep dezelfde temperatuur- en zouteigenschappen heeft,” vertelt Katsman. “Die kolom vormt zich op een bepaalde plek in het zuidwesten van het gebied. Dat is typisch iets wat we niet van te voren in ons model stoppen, maar als we onze wervels en stromingen goed instellen, zie je dat wel gebeuren. Haal je de wervels uit het model, dan komt die kolom op een hele andere plek terecht. Dat zijn aanwijzingen dat je die wervels nodig hebt.”

Analyse van de complexe modellen heeft inmiddels al wel uitgewezen dat het zakken van het water inderdaad plaatsvindt aan de rand van het continent. “Wat de theorie voorspelde, maar waar nog niet iedereen in geloofde, zie je keurig gebeuren.” Daarmee zijn echter nog lang niet alle vragen beantwoord. “Aan de hand van onze uitgeklede modellen kunnen we nog niet helemaal verklaren waarom dat bijvoorbeeld aan de westkant van zo’n bassin meer gebeurt dan aan de oostkant.” Daarvoor gaat Katsman zich nu richten op de eigenschappen van het water: “We hebben eerst vooral gekeken naar de verticale snelheden om te onderzoeken waar het water precies naar beneden gaat. De volgende stap is kijken wat de eigenschappen van het zakkende water zijn. Is dat inderdaad het koude, zoute water dat we verwachten of is het water dat daar toevallig in de buurt was?” Toch zijn er al resultaten genoeg te melden. Katsman, haar twee promovendi en een postdoc hebben allemaal papers in voorbereiding: “2017 wordt echt een oogstjaar.”

Gepubliceerd: mei 2017

/* */