Klimaatverandering maakt de oceanen dieper blauw en groen

Fytoplankton - plantaardig plankton dat voornamelijk bestaat uit algen en cyanobacteriën - vormt de basis van de voedselketen in de oceanen. Het kleine, vaak eencellige, fytoplankton wordt gegeten door zoöplankton en tal van andere kleine organismen, die op hun beurt weer gegeten worden door grotere levensvormen. Soms vraagt dat erg weinig stappen: fytoplankton is het belangrijkste voedsel van krill, kleine garnaalachtige ongewervelden, die dan weer het belangrijkste voedsel vormen van baleinwalvissen, zowat de grootste levende diersoorten op aarde.

De onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben nu een mondiaal model ontwikkeld dat de groei en de interacties simuleert van verschillende soorten van fytoplankton, en hoe die mengeling van soorten op diverse plaatsen zal veranderen als de temperaturen wereldwijd stijgen.

Ze simuleerden ook de manier waarop fytoplankton licht absorbeert en weerkaatst, en hoe de kleur van de oceanen verandert als de opwarming van de aarde de samenstelling van het fytoplankton beïnvloedt. 

De onderzoekers lieten hun model lopen tot het einde van de 21e eeuw, en kwamen tot de conclusie dat tegen 2100 meer dan de helft van de oceanen een andere kleur zal hebben dan nu door de klimaatopwarming.

Volgens de studie zullen blauwe delen van de oceanen, zoals die in de subtropen voorkomen, zelfs nog blauwer worden, wat een gevolg is van het feit dat er zelfs nog minder fytoplankton - en leven in het algemeen - in het water zal zitten dan vandaag al het geval is.  Regio's die nu een groenere kleur hebben, zoals in de buurt van de polen, zullen mogelijk nog dieper groen worden, omdat de hogere temperaturen zullen leiden tot een grotere bloei van fytoplankton en meer divers fytoplankton, meer verschillende soorten. 

"Het model wijst erop dat de veranderingen voor het blote oog niet enorm zullen lijken, en de oceanen zullen nog steeds blauwe gebieden vertonen in de subtropen, en groenere gebieden in de buurt van de evenaar en de polen", zei Stephanie Dutkiewicz in een persmededeling van MIT. "Het basispatroon zal nog steeds aanwezig zijn. Maar het zal voldoende veranderd zijn om de rest van de voedselketen, die gebaseerd is op fytoplankton, te beïnvloeden." Dutkiewicz is een onderzoeker aan het Departement of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences van MIT, en de belangrijkste auteur van de nieuwe studie. 

De kleur van de oceaan hangt af van de interactie van het zonlicht met wat er zich in het water bevindt. Watermoleculen op zich absorberen bijna al het zonlicht, op het blauwe deel van het spectrum na, dat teruggekaatst wordt. Daardoor zien relatief "lege" stukken van de open oceaan er diep blauw uit vanuit de ruimte gezien.

Als er organismen in de oceaan zitten, kunnen die verschillende golflengten van licht absorberen en reflecteren, afhankelijk van hun individuele eigenschappen. Zo bevat fytoplankton bijvoorbeeld chlorofyl of bladgroen, een pigment dat instaat voor de fotosynthese, en dat vooral licht absorbeert in de blauwe delen van het spectrum en minder in de groene. Het gevolg daarvan is dat meer groen licht uit de oceaan weerkaatst wordt, wat gebieden die rijk zijn aan algen, een groenachtige tint geeft. 

Sinds de late jaren negentig hebben satellieten doorlopend de kleur van de oceanen vastgelegd, en onderzoekers hebben die metingen gebruikt om de hoeveelheid chlorofyl, en bij uitbreiding de hoeveelheid fytoplankton, af te leiden voor bepaald delen van de oceaan. 

Maar Dutkiewicz zegt dat chlorofyl niet noodzakelijk het subtiele signaal van de klimaatverandering weerspiegelt. Aanzienlijke veranderingen in de hoeveelheid chlorofyl zouden best te wijten kunnen zijn aan de opwarming van de aarde, maar ze zouden ook het gevolg kunnen zijn van "natuurlijke veranderlijkheid"- normale, periodieke toenames van de hoeveelheid chlorofyl, die het gevolg zijn van natuurlijke fenomenen die met het weer te maken hebben.  

"Een El Niño of La Niña zal een zeer grote verandering in de hoeveelheid chlorofyl teweegbrengen, omdat die de hoeveelheid voedingsstoffen veranderen die in het systeem komen", zei Dutkiewicz. "Door deze grote, natuurlijke veranderingen die om de zoveel jaar voorkomen, is het, als je enkel maar naar chlorofyl kijkt, moeilijk om te zien of de veranderingen veroorzaakt worden door de klimaatverandering." 

In plaats van te kijken naar de schattingen voor chlorofyl op basis van de satellietmetingen van de kleur van de oceanen, vroeg het team zich af of het mogelijk zou zijn duidelijke signalen waar te nemen van het effect van de klimaatverandering op het fytoplankton, door enkel te kijken naar de satellietmetingen van het gereflecteerde licht.

Het team verfijnde een computermodel dat het in het verleden gebruikt had, om veranderingen in het fytoplankton te voorspellen bij stijgende temperaturen en verzuring van de oceaan. Het model gebruikt informatie over fytoplankton, zoals wat het eet en hoe het groeit,  en neemt die informatie op in een fysiek model dat de stromingen en vermenging in de oceaan nabootst. 

Deze keer voegden de onderzoekers een nieuw element aan het model toe, een element dat nog niet eerder opgenomen werd in andere technieken om oceaanmodellen op te stellen: het vermogen om te schatten welke specifieke golflengten van licht geabsorbeerd en weerkaatst worden door de oceaan, afhankelijk van de hoeveelheid en het soort van organismen in een bepaald gebied.  

"Zonlicht komt in de oceaan terecht, en wat er zich in de oceaan bevindt, zal het absorberen, zoals chlorofyl", zei Dutkiewicz. "Andere dingen zullen het absorberen of verstrooien,  zoals iets met een harde schaal. Hoe licht uit het water weerkaatst wordt om de oceaan zijn kleur te geven, is dus een ingewikkeld proces."  

Toen het team de resultaten van het model vergeleek met echte metingen van gereflecteerd licht die satellieten in het verleden hadden verricht, bleek dat ze goed overeenkwamen. Het model kon dus gebruikt worden om te voorspellen welke kleur de oceanen zouden krijgen als in de toekomst de milieu-omstandigheden veranderen. 

"Het leuke aan dit model is dat we het kunnen gebruiken als een laboratorium, een plaats waar we kunnen experimenteren om te zien hoe onze planeet gaat veranderen", zei Dutkiewicz in de persmededeling.

Toen de onderzoekers in het model de mondiale temperatuur verhoogden, tot uiteindelijk drie graden Celsius meer tegen 2100 - wat volgens de meeste wetenschappers zal gebeuren onder een business-as-usual scenario waarbij nagenoeg niets ondernomen wordt om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen -, ontdekten ze dat de golflengten van licht in de blauw/groene golfband het snelst reageerden. 

Bovendien stelde Dutkiewicz vast dat deze blauw/groene golfband een zeer duidelijk signaal vertoonde, een verschuiving, die specifiek te wijten was aan de klimaatverandering. En die verschuiving vond veel vroeger plaats dan de onderzoekers eerder hadden vastgesteld toen ze keken naar chlorofyl, waarvan ze voorspelden dat het tegen 2055 een verandering zou vertonen als gevolg van de opwarming van de aarde.

"Chlorofyl is aan het veranderen, maar je kunt het niet echt zien omdat het zo'n ongelooflijke natuurlijke veranderlijkheid heeft", zei Dutkiewicz. "Je kunt echter wel een beduidende, met het klimaat verbonden verschuiving zien in sommige van deze golfbanden, in het signaal dat naar de satellieten gestuurd wordt. En dat is waar we moeten naar kijken in de satellietmetingen, naar een echt signaal van verandering."

Volgens het model is de klimaatverandering de samenstelling van het fytoplankton nu al aan het veranderen, en dus ook de kleur van de oceanen. Tegen het einde van de eeuw zou de verandering duidelijk zichtbaar kunnen zijn op onze blauwe planeet.

"Er zal een duidelijk verschil merkbaar zijn in de kleur van 50 procent van de oceaan tegen het einde van de 21e eeuw", zei Dutkiewicz. "En dat kan mogelijk erg ernstige gevolgen hebben. Verschillende soorten fytoplankton absorberen licht op een verschillende manier, en als de klimaatverandering een verschuiving veroorzaakt van één gemeenschap van fytoplankton naar een andere, zal dat ook veranderingen veroorzaken in welke soorten van voedselketens het kan in stand houden."

Het onderzoek werd voor een deel gesteund door de NASA en het Amerikaanse ministerie van Energie. De studie van Dutkiewicz en haar Britse en Amerikaanse collega's is eerder deze week gepubliceerd in Nature Communications.