Afbeelding in de hoofding: De belangrijkste zeestromen op Aarde die warmte transporteren en verdelen over de planeet. Bron: https://www.britannica.com/science/thermohaline-circulation
Water is een buffer en transportmiddel voor warmte
De afbeelding hierboven toont de het wereldwijde transport van warmte in de oceanen via de thermohaliene circulatie. Het zorgt voor een permanente herverdeling van warmte onze planeet. In het Engels beschrijft men dit systeem ook als de ‘conveyor belt’ (transportband). Heel dit systeem heeft een zeer grote invloed op alle klimaten wereldwijd. In Europa bijvoorbeeld is ons klimaat heel wat warmer dan op locaties elders in de wereld die even ver noordwaarts liggen (op dezelfde breedtegraad). Dit komt omdat de golfstroom warmer water aanvoert vanuit de subtropen. Maakt dat zoveel uit voor ons? Jazeker. Als de golfstroom stilvalt, dan moeten we het hier doen met gemiddeld 5 tot 10 graden minder! Dit is niet zomaar een verzinsel. Ongeveer 12 duizend jaar geleden is dat effectief gebeurt voor relatief korte tijd. We noemen dit fenomeen het ‘jonge Dryas’. Lees het intermezzo hierover om te begrijpen wat er toen gebeurd is.
Ook het ijs op de zuidpool is afhankelijk van de thermohaliene circulatie. Rondom de zuidpool loopt een zeestroming volledig in een cirkel, een beetje zoals een slotgracht. Dit heet de Antarctische circumpolaire stroming. Warmer zeewater uit het noorden kan daardoor niet in de buurt komen van de zuidpool. Zonder de circumpolaire stroom zou de ijskap dus kleiner zijn.
De wereldwijde thermohaliene circulatie is natuurlijk niet altijd hetzelfde geweest. Wanneer de continenten een andere ligging hadden, zag het patroon er anders uit. Eén van de bekendste voorbeelden is het sluiten van de Isthmus van Panama (ongeveer 3 miljoen jaar geleden, sommigen denken langer geleden). Hierbij kwam er nieuwe landmassa bij tussen Noord- en Zuid-Amerika, waardoor de zeestraat tussen die twee uiteindelijk gesloten werd. Het is dan dat onze geliefde Golfstroom ontstaan is en het hele zeestromen patroon dat we vandaag hebben, inclusief de Antarctische circumpolaire stroming. Europa werd warmer door de Golfstroom, maar de noordpool kreeg meer sneeuwval, en dus een grotere ijskap. De globale temperatuur op Aarde is sindsdien gedaald.
Kortom, het klimaat op het land is voor een belangrijk deel afhankelijk van zeestromingen. Zonder herverdeling van warmte via de oceanen zouden we extremere klimaten hebben, en zou onze planeet minder leefbaar zijn. Om dit mogelijk te maken moet de planeet dus voor een groot deel bedekt zijn met vloeibaar water. Op de maan Titan liggen er ook plassen, maar daar is de vloeistof voornamelijk methaan, en niet water. Minder interessant, want water heeft enkele kenmerken die geschikt zijn om het patroon van zeestromingen mogelijk te maken: hoge warmtecapaciteit en variaties in gewicht als gevolg van variaties in temperatuur en zoutconcentratie.
Water is het zwaarste bij een temperatuur van 4 graden. Dus als de bovenlaag van de oceaan in de Golfstroom genoeg afgekoeld is, zal het naar beneden zakken. Verder is zout water zwaarder dan zoet water. De watermassa die van de Golf van Mexico tot aan Noord-Europa reist, zal onderweg deels verdampen. Zouten verdampen niet mee, dus het zeewater wordt langzaam meer zoutig. Ook dat is een reden dat het in het noorden naar beneden zakt. Daarom spreken we dus van ’thermohaliene circulatie’.
Water is een broeikasgas en warmtebuffer
Een planeet die meer dan de helft bedekt is met vloeibaar water heeft een heel sterke temperatuurbuffer. De meeste zonne-energie die op onze Aarde valt, komt op het water terecht. De warmtecapaciteit van vloeibaar water is zeer hoog, namelijk 1,163 Wh/kg,K (Watt uur per kg per Kelvin). Je moet dus 1,163 Watt aan energie een uur lang toevoegen aan 1 kg water om dit water 1°C (= zelfde als 1 Kelvin) warmer te maken. Veronderstel bijvoorbeeld dat er bij volle zon ongeveer 230 Watt per m² aan zonne-energie op de zee invalt. Een kilogram water is 1 dm³ groot. Een kilogram water heeft het volume van een kubus van 10 x 10 x 10 cm. Deze kubus heeft een bovenoppervlak van 10 x 10 cm (1dm²) en ontvangt dus 2,3 Watt energie bij volle zon, dus theoretisch genoeg om bijna 2 graden op te warmen op een uur. Echter, dit water mengt zich voortdurend met de miljoenen kg water die eronder zit en geen zonne-energie ontvangt. Dus in praktijk is de opwarming miniem. Op deze manier beschikt de Aarde dus over een reusachtige temperatuurbuffer.
Een groot deel van de invallende zonne-energie wordt overigens gebruikt als verdampingswarmte. Het zeewater verdampt voortdurend, en voorziet zo de atmosfeer van grote hoeveelheden waterdamp. Water in gasvorm is een zeer goed broeikasgas. Eigenlijk is water het belangrijkste broeikasgas op Aarde. De watercyclus zorgt echter voor snelle bewegingen tussen ijs, vloeistof en damp, dus de concentratie van dit broeikasgas is heel de tijd variabel.
Waarom is water een broeikasgas en bijvoorbeeld stikstofgas niet? Wel, de broeikasgassen hebben een ietwat complexere molecuulstructuren die gemakkelijker vorm- en ladingvariaties vormen. Deze moleculen kunnen daardoor beter beginnen vibreren wanneer stralingsenergie (Infrarood warmteoverdracht) op de molecule terecht komt. De vibraties capteren de opgevangen energie voor een deel in de molecule zelf. Zuurstofgas of stikstofgas hebben dit kenmerk niet. Dit zijn moleculen die symmetrisch en erg stabiel zijn qua structuur, en kunnen dus veel moeilijker aangezet worden tot interne vibraties.
Water en klimaat: negatieve en positieve feedback
Het gedrag van water kan op Aarde in sommige gevallen leiden tot zogenaamde “negatieve feedback”. Een voorbeeld hiervan is de verdamping van zeewater. Wanneer het warmer wordt, gaat er meer water verdampen. Doordat er meer waterdamp in de lucht komt, zullen er meer wolken gevormd worden. Maar meer wolken zorgen vervolgens voor meer schaduw. Er valt dan minder zonnewarmte op het water aan de oppervlakte en dus gaat de verdampung weer afnemen. Door de verminderde verdamping gaan er dan ook weer minder wolken gevormd worden. vervolgens is er dus minder schaduw, en krijg je weer een opwarming. Negatieve feedback gaat dus over een verandering die zichzelf afremt. Daardoor helpen zulke mechanismen om extremen te voorkomen.
Er zijn echter ook veel gevallen van het omgekeerde: positieve feedback, of veranderingen die zichzelf versterken. Enkele voorbeelden:
Een heel bekende is het albedo-effect: Als het klimaat op Aarde kouder wordt, zal er meer ijs gevormd worden aan de noordpool en zuidpool. IJs en sneeuw zijn wit, en ze weerkaatsen dus meer zonnestraling dan andere oppervlakken. Dus als er grotere ijskappen komen door een kouder klimaat, gaat het totale aardoppervlak meer zonnestraling weerkaatsen in plaats van absorberen. Daardoor wordt de Aarde nog minder opgewarmd, en gaat het klimaat nog verder afkoelen. Zo kan een afkoelend klimaat behoorlijk uit de hand lopen. Onze Aarde heeft in haar geschiedenis perioden gekend dat dit gebeurde. De planeet zou toen grotendeels bedekt geweest zijn met globale ijskappen. Deze episodes worden in populaire literatuur dikwijls ‘snowball Earth’ genoemd. Dit komt verder in de cursus nog aan bod.
Water betekent leefbaarheid
Het mag nu wel duidelijk zijn dat de aanwezigheid van vloeibaar water op Aarde om zeer veel redenen uiterst belangrijk is. Het is de ideale omgeving voor leven om te bestaan en te gedijen, en om de omgeving binnen leefbare grenzen te houden. Naast de vele voorbeelden die beschreven werden in vorige paragrafen, heeft water ook nog eens een belangrijke rol in het actief houden van de platentekstoniek. Maar dat is een onderwerp voor volgende hoofdstukken.