Het karakter van El Niño

Wisselwerking tussen de Stille Oceaan en de Tropische Atmosfeer

Het oppervlakte water in een groot deel van de Stille Oceaan wordt gemiddeld eens in de vier jaar ongewoon warm. Nabij de kust van Peru en Equador is deze opwarming het grootst rond Kerstmis, reden waarom het fenomeen naar het kind Jezus, El Niño, is genoemd. De veranderingen in de temperatuur van het oceaanwater tijdens een El Niño hebben enorme gevolgen voor het weer op een groot deel van de aarde. De belangstelling voor El Niño is mede daarom de laatste tijd enorm toegenomen. Door een uitgebreid meetnetwerk en een gevariëerde modelaanpak is de fysica van El Niño nu grotendeels begrepen.

Hoewel er al eerdere rapporten bestaan van Spaanse ontdekkingsreizigers over ongewone verschijnselen langs de Zuid Amerikaanse kust, dateert het eerste gedetailleerde verslag uit 1532. In september van dat jaar begint Pizarro een opmars tegen de Inca’s vanuit Tumbes (in Noord Peru) en ondervindt enorme regenval in deze gewoonlijk droge streek. Sommige rivieren zijn moeilijk over te steken, terwijl deze normaal van juni tot december droog staan. Tot laat vorige eeuw worden meer opmerkelijke verschijnselen in deze streek gedocumenteerd, zoals de verwoesting van oogsten, de achteruitgang van de visvangsten, grote variaties in reistijden van schepen en een sterke verhoging van de temperatuur van het zeewater nabij de kust, maar enige systematiek wordt niet ontdekt.

Het verhaal van de ontmaskering van El Niño begint in India, waar midden vorige eeuw systematisch metingen starten van de regenval tijdens de moesson periode. In sommige jaren verschijnen de zware moessonregens veel later dan normaal en is ook de totale regenval veel minder, zodat de oogst volkomen mislukt. In 1904 wordt de Britse wiskundige Gilbert Walker hoofd van de meteorologische dienst in India. Eén van zijn hoofdtaken is het voorspellen van het uitblijven van de moessonregens. Hiertoe start hij een project om alle tot dan toe beschikbare gegevens van luchtdruk, temperatuur en regenval over de aarde te verzamelen en te analyseren. Door correlaties van de luchtdruk tussen India en de rest van gebied van de Stille Oceaan te bekijken, ontdekt Walker een patroon in de luchtdruk veranderingen, dat hij de Zuidelijke Oscillatie noemt. In eén van zijn studies schrijft hij in 1924 over dit patroon: ‘Als de luchtdruk relatief hoog is in de Stille Oceaan, is deze relatief laag in de Indische Oceaan … en andersom’.

In de equatoriale Stille Oceaan zijn de oppervlaktewinden, de Passaatwinden, naar het westen gericht (Fig. 1). Deze winden worden aangedreven door een luchtdrukverschil tussen een gebied van hoge druk in het oosten van de Stille Oceaan en een gebied van lage druk nabij Indonesië. De Zuidelijke Oscillatie is het periodiek verzwakken en versterken van deze Passaatwinden, gekoppeld aan de schommelingen in de luchtdruk zoals door Walker gevonden. Tegenwoordig wordt het verschil in luchtdruk tussen Tahiti (Frans-Polynesië) en Darwin (Australië), ook wel ‘Southern Oscillation Index’ genoemd, als indicator van de sterkte van de Passaatwinden genomen.

Na het werk van Walker blijft de Zuidelijke Oscillatie jarenlang een curiositeit in de meteorologische wereld. De discussie over de achtergronden van dit verschijnsel begint weer met een studie van de Nederlandse weerkundige H.P. Berlage. Deze is van 1925 tot 1950 belast met het voorspellen van de moesson in Nederlands Indië en werkt daarna aan het KNMI te De Bilt. In een uitgave van de serie ‘Mededelingen en Verhandelingen’ uit 1966 geeft hij een goed overzicht van het verschijnsel, de effecten ervan op het mondiale weer en geeft zijn visie daarop. Berlage vermoedt dat de variaties in zonneactiviteit en vulkanisch stof de schommeling in de luchtdruk boven de Stille Oceaan veroorzaken.

Ondertussen komen ook de metingen van de temperatuur van het oceaanwater op gang. Normaal is er een verschil in de temperatuur van het oppervlakte water tussen het oosten, met een relatief koude tong water van ongeveer 23°, en het westen van de Stille Oceaan, met een relatief warme poel water van ongeveer 29° (Fig. 1). Vanaf de 50’er jaren worden de temperatuurveranderingen nabij de kust van Peru steeds beter bekend. Elk jaar wordt de temperatuur van het water wel een graad warmer tijdens de noordelijke winter, maar in sommige jaren kan dit oplopen tot wel 3 graden. Een duidelijk verband wordt zichtbaar tussen deze sterke opwarming en de overvloedige regenval die de woestijn in een tuin verandert. De jaren waarin dit gebeurt worden ‘años de abundancia’ genoemd, omdat er oogsten van stukken land worden gehaald waar anders niets wil groeien. Er zijn ook jaren waarin de zeewatertemperatuur kouder is dan normaal; dit fenomeen wordt La Niña genoemd (Spaans voor ‘het meisje’). Tijdens het Internationaal Geofysisch jaar in 1957-1958 wordt op grote schaal gemeten in de Stille Oceaan en bij toeval treedt er een sterke El Niño op. De wetenschappers ontdekken tot hun verbazing dat het oceaanwater niet alleen veel warmer wordt nabij de kust van Zuid Amerika, zoals daarvoor gedacht, maar ook duizenden kilometers uit de kust. El Niño is dus geen regionaal verschijnsel, maar is alom aanwezig in het bekken van de Stille Oceaan.

In die jaren begint Jacob Bjerknes aan de universiteit van California in Los Angeles een studie van de tropische oceaan en atmosfeer en vindt dat tijdens de 1957-1958 El Niño de Passaatwinden veel zwakker zijn dan normaal. Gebruik makend van de gegevens van Walker en deze van de temperatuur aan kust van Peru ontdekt Bjerknes de systematiek tussen de veranderingen in de sterkte van Passaatwinden en het optreden van El Niño: beide zijn verschijnselen van één fenomeen. Een ommekeer in het denken over El Niño en de Zuidelijke Oscillatie is teweeggebracht. Tegenwoordig wordt het geheel van verschijnselen aangeduid met ENSO (El Niño/Southern Oscillation).

Oceaan-atmosfeer wisselwerking

Een sterke wisselwerking tussen ocean en atmosfeer treedt op in het oostelijk deel van de Stille Oceaan. Van de vele complexe fysische processen zijn er een aantal van belang voor het begrijpen van ENSO: de beïnvloeding van de winden door de temperatuur van het oceaanwater, de veranderingen in de oceaancirculatie ten gevolge van windveranderingen en het effect van de oceaancirculatie op de oppervlakte temperatuur van de oceaan.

Boven warm water wordt de lucht in de onderste lagen van de atmosfeer verwarmd en deze lucht stijgt op. Ter compensatie van deze omhoogstijgende lucht wordt er langs het oppervlak lucht aangevoerd (Fig. 1). Dit veroorzaakt westenwinden (naar het oosten gericht) ten westen van het warme water en oostenwinden (naar het westen gericht) ten oosten van het warme water. De respons van de winden ten gevolge van relatief koud water is vergelijkbaar en omgekeerd: lucht daalt boven koud water.

De Passaatwinden stuwen het oceaanwater tegen de westelijk gelegen landmassa’s (Azië en Australië) op. Het zeewater niveau is daardoor gemiddeld 50 centimeter hoger in het westen dan in het oosten van de Stille Oceaan (Fig. 1). Op dezelfde diepte in de oceaan zit er dus boven een locatie in het westen een grotere hoeveelheid water dan voor een locatie in het oosten en dus heerst er een grotere druk. Nu zit in het oceaanwater op een diepte van vijftig tot honderd meter een plotselinge temperatuurovergang van zo’n 10°C, de thermokliene. Het water onder deze grens wordt niet meer direct door de wind gemengd en is relatief koud. Door de hogere druk in het westen ligt de thermokliene aldaar op een grotere diepte (Fig. 1) dan in het oosten; het verschil in diepte is ongeveer 100 meter.

Er is nog een ander effect van de winden op de oceaancirculatie. Door de aardrotatie (de Coriolis versnelling) buigen winden en ook oceaanstromingen naar rechts (links) af op het noordelijk (zuidelijk) halfrond. De Passaatwinden veroorzaken door wisselwerking van wrijving en aardrotatie dat water ten noorden van de evenaar naar het noorden beweegt en ten zuiden van de evenaar naar het zuiden. In een smalle

zone rond de evenaar wordt dit water gecompenseerd door water van een grotere diepte, de zogenaamde opwelling. De opwelling brengt water naar boven, waarvan de temperatuur afhangt van de diepte van de thermokliene. Als de thermokliene diep ligt is dit water relatief warmer dan wanneer de thermokliene ondieper ligt (Fig. 1).

Met deze inzichten kan de sterke asymmetrie tussen oost en west van de temperatuur verdeling in de Stille Oceaan worden begrepen. Als de atmosferische winden over iedere breedtecircel worden gemiddeld dan zien we uit deze zonaalgemiddelde circulatie dat lucht opstijgt langs de evenaar en daalt over de keerkringen. Deze circulatie, veroorzaakt door het temperatuurverschil tussen evenaar en beide polen wordt de Hadley circulatie genoemd. In deze circulatie zijn de oppervlakte winden dus naar de evenaar gericht en vanwege de aardrotatie veroorzaken deze een relatief zwakke, naar het westen gerichte, wind. Deze zwakke wind veroorzaakt opwelling langs de hele evenaar en een kleine helling in de thermokliene, waardoor in het oosten relatief kouder water naar het oppervlak komt dan in het westen. Er ontstaat dus een klein temperatuurverschil over het bekken, met koud water in het oosten en warm water in het westen.

Boven het warmere water in het westen stijgt echter lucht op en lucht daalt over het koudere oosten: het temperatuurverschil versterkt dus de zwakke winden. Sterkere winden geven meer opwelling en een grotere helling in de thermokliene, zodat het koude water in het oosten nog kouder wordt en de winden nog sterker wordem. Uitdeindelijk groeien deze aan tot de Passaatwinden. Deze terugkoppeling, die ontstaat door de wisselwerking van de oceaan en atmosfeer, wordt de Bjerknes terugkoppeling genoemd. Daarmee is de sterkte van de Passaatwinden gekoppeld aan het temperatuurcontrast tussen oost en west. Het was Bjerknes die ontdekte dat het verschil tussen het relatief koude water in het oostelijke deel en de ‘warme poel’ in het westelijke deel van de Stille Oceaan een oost-west circulatie in het vlak van de evenaar veroorzaakt. De circulatie wordt gesloten door een naar het oosten gerichte stroming hoger in de atmosfeer. De circulatie cel werd door Bjerknes de “Walker circulatie” genoemd

Het ENSO mechanisme

Centraal voor het optreden van El Niño is dat de oceaan niet instantaan reageert op veranderingen in de wind. Het duurt een tijd voordat de oceaancirculatie zich heeft aangepast omdat dit gebeurt in de vorm van equatoriale lange golven, waarvan de gol engte enkele duizenden kilometers bedraagt. Voor het ENSO fenomeen zijn een tweetal golfstructuren in de thermokliene van belang: Kelvin en Rossby golven. Kelvin golven propageren alleen langs de evenaar en altijd naar het oosten. Een typische Kelvin golf kan variaties in de thermokliene veroorzaken van enkele tientallen meters, met maxima precies op de evenaar. Het duurt ongeveer drie maanden voor een Kelvin golf de Stille Oceaan van west naar oost heeft doorlopen. Re ectie van deze golf tegen de Zuid Amerikaanse kust geeft een golftrein van Rossby golven, die ook vergelijkbare variaties in de thermokliene veroorzaken, maar waarvan het maximum een paar graden ten noorden en ten zuiden van de evenaar ligt. De snelste Rossby golf legt het oost-west traject af in ongeveer 9 maanden, maar een golftrein van dit soort golven propageert gemiddeld half keer zo snel. Reflectie van Rossby golven tegen de westelijke continentmassa’s geeft weer een Kelvin golf.

Het ENSO fenomeen kan worden beschreven als een samenspel van de Bjerknes terugkoppeling veroorzaakt door de wisselwerking van oceaan en de atmosfeer en de equatoriale golfstructuren in Stille Oceaan. Als er een opwarming van het oceaanwater in het oosten optreedt (aan het eind van de beschrijving geven we de oorzaak daarvan), dan neemt het oost-west temperatuur verschil af. Dit heeft tot gevolg dat de Walker circulatie in sterkte afneemt en dus dat de Passaatwinden zwakker worden. Onmiddellijk zal via de Bjerknes terugkoppeling de thermokliene dieper komen te liggen in het oosten en minder diep in het westen. De helling van de thermokliene wordt dus minder (Fig. 2). Het koude water ligt nu in het oosten verder van het oppervlak en hoewel ook de opwelling afneemt, komt er in het oosten relatief warmer water naar het oppervlak: de opwarming wordt versterkt

De oceaan gaat zich echter aanpassen aan de zwakkere winden en het signaal van de diepere thermokliene in het oosten verplaatst zich als een Kelvin golf naar de Zuid Amerikaanse kust. Daar re ecteert deze en Rossby golven propageren naar het westen. Deze golven veroorzaken ook een depressie in de thermokliene, waarvan de maximum amplitude ten noorden en ten zuiden van de evenaar liggen. Dit signaal verplaatst zich langzaam naar het westen. Ondertussen is na de re ectie van de Kelvin golf, de thermokliene aan de equator in het oosten minder diep komen te liggen, zodat er meer koud water aan het oppervlak komt. Volgens de Bjerknes terugkoppeling zal ook dit effect zichzelf versterken. Kouder oppervlaktewater in het oosten versterkt juist de Passaatwinden, waardoor de diepte van de thermokliene in het oosten nog kleiner wordt. In dit geval treedt de La Niña fase van het fenomeen op en is het drukverschil tussen Tahiti en Darwin groter dan normaal. Terwijl de Passaatwinden aansterken en zelfs sterker dan normaal kunnen worden, past de oceaan zich verder aan. Het collectief van Rossbygolven re ecteert aan de westkant van het domein en produceert een Kelvin golf die weer een diepere thermokliene in het oosten veroorzaakt. Deze golf was ook de oorzaak van de initiële opwarming en de cyclus start opnieuw.

In een moderne interpretatie van Bjerknes’ ideeën is ENSO dus een zichzelf in stand houdende cyclus, een oscillatie in het gekoppelde oceaan-atmosfeer systeem. In deze cyclus veroorzaken de anomalieën in de temperatuur van het oppervlaktewater het versterken en verzwakken van de Passaatwinden hetgeen veranderingen in de oceaancirculatie teweegbrengt die weer anomalieën in de temperatuur van het oppervlaktewater geven, waarbij de aanpassing in de oceaan een soort vertraging veroorzaakt. De hele ENSO-cyclus wordt daarom ook wel een ‘vertraagde oscillator’ genoemd. De periode van de cyclus (dus een El Niño plus een La Niña) wordt bepaald door de tijdschaal van de terugkoppelingen tezamen met die van de equatoriale golven en is ongeveer 4 jaar. Dit geeft een indicatie voor de gemiddelde frequentie van het optreden van een El Niño. De sterkte van de terugkoppelingen tussen oceaan en atmosfeer neemt toe met de grootte van het oceaanbekken. Het blijkt dat de terugkoppelingen zeer zwak zijn in de Atlantische en Indische Oceaan. Dit verklaart waarom een zelfde soort fenomeen niet kan optreden in die gebieden, terwijl er bijvoorbeeld wel equatoriale golven propageren.

Op grond van het bovenstaande zouden we verwachten dat een El Niño met regelmatige tussenpozen zou optreden, maar het gedrag van de oscillatie is zeer onregelmatig. Een deel van de verklaring ligt waarschijnlijk in de gevoeligheid van de ENSO cyclus voor toevallige verstoringen, bijvoorbeeld het optreden van een tropische cycloon. Echter, naast de ENSO-cyclus is er ook nog de seizoenscyclus, veroorzaakt door de beweging van de aarde om de zon en de corresponderende variaties in geabsorbeerde zonnestraling. In het oosten van de Stille Oceaan blijkt de seizoenscyclus een duidelijke periode van 1 jaar te hebben, terwijl de zon per jaar twee keer de evenaar passeert. De fysica hiervan is nog niet goed begrepen, maar deze seizoenscyclus gaat ook gepaard met variaties in de sterkte van de Passaatwinden. Dit resulteert in een situatie waarin het oceaan-atmosfeer systeem de extern opgelegde seizoenscyclus probeert te volgen, maar waarin tevens de ENSO-cyclus de uiteindelijke toestand beïnvloedt. In dergelijke systemen is zeer complex gedrag mogelijk omdat de extern opgelegde forcering de intern bepaalde ENSO-cyclus kan modificeren, hetgeen de onregelmatigheden in het optreden van een El Niño zou kunnen verklaren.

Gevolgen en voorspelbaarheid

Met bovenstaande inzichten zijn enkele gevolgen van het optreden van een El Niño te begrijpen. Het afzwakken van de Passaatwinden en het optreden van het warme water oostwaarts heeft tot gevolg dat de zones met sterke opstijgende lucht zich van Indonesië en Australië naar het oosten verplaatsen (Fig. 2). Het gevolg is dat de grootste regenval nu optreedt boven de oceaan in plaats van boven het land en het gevolg is een grote droogte in het westen. Het opschuiven van dit regengebied 7 heeft tevens invloed op de gemiddelde positie van lage- en hogedrukgebieden elders op de wereld. Omdat het water tijdens een El Niño in het oosten veel warmer is dan normaal, zullen zich daar regenzones ontwikkelen die grote overstromingen veroorzaken in bijvoorbeeld Peru en Equador. Bovendien veroorzaakt de zwakkere opwelling (Fig. 2) nabij de kust van Zuid-Amerika dat er minder voedingsstoffen uit de diepere lagen van de oceaan naar boven komen. Er valt dan weinig meer te vissen, bijvoorbeeld voor de Peruaanse vissers, in de normaal rijke visgronden.

De gevolgen van een sterke El Niño, zoals die van 1982-1983 en de meest recente (1997-1998) zijn catastrofaal. Er is berekend dat de El Niño van 1982/1983 wereldwijd een schade van ongeveer 8 miljard dollar heeft veroorzaakt. De meest recente El Niño heeft geleid tot een schadepost van 33 miljard dollar en tot 2100 slachtoffers. Wereldwijd is er de laatste jaren veel onderzoek gaande, voornamelijk met het doel om het optreden vroeg te signaleren en voorspellingen te doen over de effecten. Er is in de 80’er jaren een meetnet aangelegd van boeien in de Stille Oceaan, waarmee winden en temperaturen in de oceaan worden gemeten. Hoewel de laatste El Niño niet vooruit voorspeld was door de modellen, werd het al in februari 1997 duidelijk dat er een sterk signaal zou optreden. De gevolgen van deze El Niño werden door de modellen redelijk goed voorspeld en op sommige locaties is door deze inspanningen de schade beperkt gebleven.

In de afgelopen eeuw hebben perioden met sterkere en met zwakkere El Niño’s elkaar afgewisseld. Er zijn aanwijzingen gevonden dat vanaf 1870 tot kort na de eeuwwisseling relatief sterke ENSO’s zijn opgetreden. Daarna zou de intensiteit zijn afgenomen tot laat in 50’er jaren om vervolgens weer toe te nemen. Het is opmerkelijk dat de sterkste El Niño’s van deze eeuw zijn opgetreden in de laatste 20 jaar. Waren er in de jaren tachtig een paar duidelijk sterke El Niño’s afgewisseld met La Niña’s, in de begin jaren negentig is er een aarzeling van telkens een beginnende El Niño, die dan weer terugvalt, en dan weer opkomt. En dan recentelijk een record sterke El Niño, met een maximale locale opwarming van het oppervlakte water van wel 6° C. De veranderingen in het gedrag van ENSO van de afgelopen decennia kunnen aan het toeval liggen, zoals verschillende weerregimes elkaar afwisselen, maar het roept ook de vraag op hoe El Niño zich in een warmer klimaat gaat gedragen. Op dit moment is er geen duidelijk antwoord op deze vraag.

Enso prognoses zie   Enso prognoses