Zee-koolstofput verzwakt: 10% daling in CO₂-opname tijdens record marine hittegolf van 2023

Oppervlaktetemperaturen van de zee op 29 oktober 2023. De kleuren geven aan hoezeer de maandelijkse temperatuur afwijkt van het langetermijngemiddelde (1985–1993). Rood duidt op warmere, blauw op koudere temperaturen.

Metingen geanalyseerd door een internationaal onderzoeksteam onder leiding van ETH Zürich tonen aan dat de wereldwijde oceaan aanzienlijk minder CO₂ heeft geabsorbeerd dan verwacht tijdens de ongekende mariene hittegolf in 2023.

De oceanen van de wereld fungeren als een belangrijke opslagplaats voor koolstofdioxide (CO₂). Tot nu toe hebben ze ongeveer een kwart van de door mensen veroorzaakte CO₂-emissies uit de atmosfeer geabsorbeerd, waardoor het wereldwijde klimaatsysteem wordt gestabiliseerd. Zonder deze opslagplaats zou de CO₂-concentratie in de atmosfeer veel hoger zijn en zou de opwarming van de aarde al aanzienlijk boven de 1,5-gradenlimiet zijn uitgekomen. Tegelijkertijd absorbeert de oceaan ongeveer 90% van de extra warmte uit de atmosfeer.

In 2023 stegen de oppervlaktetemperaturen van de wereldoceaan scherp en bereikten recordniveaus in verschillende regio’s. De tropische Stille Oceaan was zeer warm door een sterke El Niño-activiteit, die de stromingen in deze oceaanregio omkeert, zodat warm oppervlaktewater zich ophoopt voor de kust van Zuid-Amerika en kouder water niet meer uit diepere lagen kan opstijgen. Tegelijkertijd warmde de oceaan buiten de tropen ook uitzonderlijk sterk op, vooral de Noord-Atlantische Oceaan.

“Deze plotselinge opwarming van de oceaan tot nieuwe recordtemperaturen vormt een uitdaging voor het klimaatonderzoek, omdat het tot nu toe onduidelijk was hoe de mariene koolstofopslag zou reageren,” zegt Nicolas Gruber, professor milieufysica aan ETH Zürich.

Een internationaal onderzoeksteam heeft nu voor het eerst onderzocht, op basis van oceaan CO₂-metingen van een wereldwijd observatienetwerk, of en hoe de extreme temperaturen van twee jaar geleden deze opslagplaats hebben beïnvloed. Het team stond onder leiding van ETH biogeochemicus Jens Daniel Müller, die tot voor kort postdoctoraal onderzoeker was in Gruber’s groep.

In hun studie, gepubliceerd in Nature Climate Change, tonen de onderzoekers aan dat de wereldwijde oceaan in 2023 bijna 1 miljard ton, of ongeveer 10% minder CO₂ heeft geabsorbeerd dan verwacht op basis van voorgaande jaren. Dit komt overeen met ongeveer de helft van de totale CO₂-emissies van de EU of meer dan 20 keer die van Zwitserland. “Dit is geen goed nieuws,” merkt Gruber op, “maar de afname is kleiner dan gevreesd.”

Warm water lost minder CO₂ op

De afname verraste de onderzoekers eigenlijk niet. Müller legt uit waarom met een alledaags fenomeen: “Wanneer een glas bruiswater in de zon opwarmt, ontsnapt opgelost CO₂ als gas in de lucht.” En hetzelfde fenomeen gebeurt in de zee.

Het feit dat de wereldwijde oceaan minder CO₂ heeft geabsorbeerd in het recordhete jaar 2023 was voornamelijk te wijten aan de hoge zeewatertemperaturen in de extratropische gebieden van het noordelijk halfrond, vooral in de Noord-Atlantische Oceaan. “De hoge temperaturen verlaagden de oplosbaarheid van CO₂, wat resulteerde in abnormale CO₂-uitgasvorming en de sterkte van de oceaankoolstofopslag verminderde,” zoals Müller uiteenzet.

Of de oceaan CO₂ opneemt of afgeeft, hangt echter niet alleen van de temperatuur af. Als we alleen naar de verlaagde CO₂-oplosbaarheid kijken, zou de uitgasvorming als gevolg van de hoge temperaturen in 2023 meer dan 10 keer groter moeten zijn geweest; dit zou de wereldwijde mariene koolstofopslag bijna volledig hebben doen instorten.

De studie toont echter aan dat de opslag slechts gematigd is afgenomen. Volgens de onderzoekers komt dit door fysieke en biologische processen in de oceaan die de CO₂-uitgasvorming tegengaan en de sterkte van de opslag ondersteunen. Deze processen verlagen de concentratie van opgelost anorganisch koolstof (DIC) in de oppervlaktelagen.

Compenserende krachten stabiliseren de opslag

In 2023 hielden drie fysieke en biologische processen de DIC laag in de dicht bij het oppervlak liggende lagen. Ten eerste ontsnapte CO₂ zelf, terwijl ten tweede een stabielere stratificatie van de waterkolom voorkwam dat CO₂-rijk water uit de diepere lagen naar de oppervlakte kon stijgen. En ten derde transporteerde de biologische pomp voortdurend organisch koolstof naar de diepten van de oceaan: de biologische pomp is het proces waarbij fotosynthetische organismen in de lichtdoorlatende lagen CO₂ absorberen en groeien, vervolgens sterven en naar de diepten zakken.

Deze drie compenserende krachten—de ontsnapping van CO₂, de stratificatie van de waterkolom en de biologische pomp—stabiliseerden de koolstofopslag. “Bijgevolg kan de reactie van de oceaan op de extreme temperaturen van 2023 worden begrepen als het resultaat van een voortdurende strijd tussen temperatuurgedreven uitgasvorming en de gelijktijdige afname van opgelost CO₂,” aldus Gruber.

El Niño-effect overlaid

De onderzoekers leggen de invloed van de El Niño van 2023 op de mariene koolstofopslag op een vergelijkbare manier uit: tijdens El Niño-jaren verzwakt de circulatie in de tropische Stille Oceaan, waardoor koud, CO₂-rijk water niet naar de oppervlakte kan stijgen. Hierdoor geeft de tropische oostelijke Stille Oceaan, die in normale jaren zeer grote hoeveelheden CO₂ in de atmosfeer afgeeft, tijdens El Niño-jaren in wezen geen CO₂ af. Daarom versterkt El Niño de wereldwijde opslagsterkte van de oceaan—ondanks de sterke opwarming.

Dit was ook het geval in 2023. “De sterke opwarming van de extratropische oceaan heeft echter het El Niño-effect in de tropische Stille Oceaan tenietgedaan,” concludeert Müller. In feite was de temperatuurgedreven CO₂-uitgasvorming zo sterk, vooral in de Noord-Atlantische Oceaan, dat het de CO₂-opname in de tropen compenseerde. Het nettoresultaat in het El Niño-jaar 2023 was een vermindering van de mariene koolstofopslag.

Bij het uitvoeren van hun studie concentreerden de onderzoekers zich op de wereldwijde oceaan (met uitzondering van de Arctische Oceaan en de meest zuidelijke delen van de Zuidelijke Oceaan). Ze vertrouwden op CO₂-waarnemingen van onderzoeksschepen, vrachtschepen en meetboeien, gecombineerd met satellietgegevens en machine learning om wereldwijde kaarten van de oppervlakt CO₂-niveaus op te stellen. Dit stelde hen in staat om de CO₂-fluxen tussen water en lucht aan de zee-oppervlakte te berekenen.

De toekomst van de mariene opslag blijft onzeker

De studie is een van de eersten die gebaseerd is op daadwerkelijke waarnemingen als basis voor inzichten in het gedrag van een opwarmende oceaan. “We kunnen echter nog niet met zekerheid zeggen hoe deze belangrijke koolstofopslag zich in de toekomst zal ontwikkelen,” merkt Müller op.

Één ding is duidelijk: sinds de recordhoge temperaturen van het jaar 2023 is de wereldwijde oceaan nauwelijks afgekoeld en blijft de aarde opwarmen. Hittegolven worden frequenter en intensiever. “Het is echter onduidelijk of de compenserende mechanismen op lange termijn effectief zullen blijven en de temperatuurgedreven uitgasvorming zullen beperken,” wijst Gruber erop.

De twee onderzoekers geven toe dat de mariene koolstofopslag in de toekomst minder CO₂ zou kunnen absorberen. “Voorlopig absorbeert de wereldwijde oceaan echter nog steeds een grote hoeveelheid CO₂—gelukkig,” stelt Gruber.