College van de maand: Warme winden in Sub-Antarctica

Van college volgen, naar zelf lesgeven. Tijdens de colleges van de maand was ik daar al een beetje mee bezig, maar binnenkort ga ik er ook in het dagelijks leven mee aan de slag. Na het studeren ga ik nu de Noorse wetenschappelijke wereld in als PhD kandidaat om onderzoek te doen naar de klimaat- en vegetatie-geschiedenis van twee eilanden in de Zuidelijke Oceaan. Een beetje tegenstrijdig zou je denken, om dichter bij de Noordpool te gaan wonen terwijl het onderzoek over het Zuidelijk Halfrond gaat. Maar het wil dat de Noren heel erg van sneeuw, kou en walvissen houden, onafhankelijk van op welk halfrond ze zitten. Speciaal voor jullie duik ik deze maand nog even verder de geologische geschiedenis van Zuid-Georgia in, verder dan de laatste 11.700 jaar die ik ga bestuderen. Maar bovenal wil ik jullie in dit college iets leren over een interessant proces; warme föhn winden die er voor zorgen dat het zelfs zo dicht bij de Zuidpool meer dan 23 °C kan worden.

Zuid-Georgia (afb. 1) werd ontdekt in 1675 door Antoine de la Roche en werd later geclaimd door Groot Brittannië nadat James Cook in 1775 bij het eiland aan kwam. Tijdens de 19e en 20e eeuw werd het eiland regelmatig aangedaan door voornamelijk Noorse walvisvaarders, die er in 1904 een permanente basis bouwden. Na de zestiger jaren, toen veel landen de walvisvangst verboden, werd de basis verlaten. Momenteel zijn het, naast een kleine militaire basis, enkel wetenschappers en avonturiers die het eiland aandoen. Gedurende de zomer is er een continue wisselende samenstelling van onderzoekers aanwezig in de wetenschappelijke basis op King Edward Point. Op de onderzoeksbasis op Vogeleiland, een kleiner eiland aan de Noordwestpunt van Zuid-Georgia, zijn er zelfs in de winter 4 stafleden aanwezig. Naast geologen, zijn er ook veel biologen te vinden die het leven van de vele soorten pinguïns, vogels en zeeolifanten in kaart brengen. Zuid-Georgia is met haar afgelegen en geïsoleerde ligging in de Zuidelijke Oceaan een perfecte plek voor veel land- en zeedieren om beschutting, voedsel en een broedplaats te vinden. Een continue wind en ijzige kou maken het leven van de eilandbewoners niet erg gemakkelijk zie afbeelding 2.

Door de inspanningen van de wetenschappers weten we langzaam steeds meer over dit ruige eiland. Zuid-Georgia is gelegen op de Scotia Rug, een grotendeels onderzeese bergrug die de Andes van Zuid-Amerika en de Tierra del Fuego via een grote boog verbindt met de bergrug van het Antarctisch , zie nogmaals afb. 1.
Lang geleden was Zuid-Georgia verbonden met Tierra del Fuego (Vuurland, het puntje van Zuid-Amerika), waarbij het zowel boven als onder de zeespiegel heeft gelegen als gevolg van de vele plaatbewegingen. Vanaf 50 miljoen jaar geleden begon de Scotiaplaat richting het oosten te bewegen, totdat de verbinding tussen Zuid-Amerika en het Antarctisch Schiereiland verbroken werd en de Drake Passage ontstond, de oceanografische doorgang tussen de twee continenten in.

Momenteel beweegt de plaat weer richting het westen (afb. 3). Het lijkt erop dat Zuid-Georgia inmiddels aan de Zuid-Amerikaanse Plaat is verbonden, maar dat is nog niet helemaal vastgesteld.

Het geologische verleden van South Georgia heeft geresulteerd in een lange bergketen die zich uitstrekt over twee-derde van het 160 km lange eiland, met als hoogtepunt Mount Paget die 2934 meter boven zeeniveau uitsteekt. De steile hellingen van de ruige bergketen op Zuid-Georgia zijn veelal het resultaat van erosie door de vele gletsjers op het eiland. Sneeuw en ijs bedekken momenteel meer dan 60% van het oppervlak. Helaas toont huidig onderzoek aan dat ook hier 97% van de gletsjers sinds 1950 langzaam in lengte afnemen. Vanuit de kust gezien is het eiland omgeven door fjorden met steile wanden en uitgestrekte gletsjers, die het eiland vanaf de zuidwestelijke kant bijna geheel ontoegankelijk maken.

De grootste reden voor dit verschil tussen de zuidwest- en noordoostelijke kant van het eiland is de windrichting. Rondom Antarctica waait een continue westenwind. De precieze ligging en sterkte van deze windgordel veranderd op een tijdschaal van enkele honderden jaren, deels afhankelijk van warme en koude periodes in de klimaatgeschiedenis, maar blijft steevast vanuit het westen over de Zuidelijke Oceaan waaien. De hoge bergrug die het eiland in de lengte verdeeld vormt een grote barrière voor deze wind. Dit zorgt er voor dat de noordoostkant veel beschutter is en het klimaat iets aangenamer. Daarbij speelt het föhn effect nog een extra rol in de warme temperaturen aan de noordoostzijde zie afb. 4.

Föhn winden ontstaan als een luchtstroom met hoge luchtvochtigheid een topografisch obstakel tegenkomt, de lucht wordt dan omhoog gedwongen. De stijgende lucht koelt af doordat de lucht uitzet en de luchtdruk daardoor verlaagd, dit wordt ook wel adiabatische koeling genoemd. Wanneer de lucht dusdanig is afgekoeld dat het dauwpunt is bereikt treedt er condensatie op en kan het gaan regenen op de loefzijde (de kant waar de wind vandaan komt) van de berg. In het geval van Zuid-Georgia is dit de westkant van de bergen. Door de regen neemt de luchtvochtigheid van de luchtstroom af, wanneer de lucht vervolgens aan de lijzijde van de berg weer daalt wordt de lucht verwarmd door adiabatische compressie. Omdat de vervalratio van droge lucht (10 °C/km) hoger is dan die van vochtige lucht (6 °C/km) zal de lucht onder aan de lijzijde van de berg warmer en droger zijn dan op gelijke hoogte aan de loefzijde zie afb 5).

Föhn winden kunnen ook ontstaan zonder neerslag aan de loefzijde van de barrière. Wanneer een stabiele koude luchtlaag een blokkade vormt aan de loefzijde kan een warme, en vaak droge, luchtlaag over de barriere worden gedwongen. Wanneer deze lucht vervolgens aan de lijzijde afdaalt treed weer dezelfde adiabatische compressie op.

Ongeacht het precieze mechanisme van de föhn winden hebben metingen op Zuid-Georgia aangetoont dat ze binnen enkele uren voor een temperatuurverhoging tot meer dan 20 °C kunnen zorgen op de lijzijde. De gemiddelde temperatuur in de zuidelijke zomer (januari) is 4 °C, dus wanneer de temperatuur plotseling zeer snel stijgt en een aantal uur hoog blijft, kan dit grote effecten hebben op het eiland. Niet alleen het planten- en dierenleven wordt beïnvloed, sneeuw en ijs reageren ook razendsnel op veranderingen in temperatuur. De gletsjers aan de noordoostkant van Zuid-Georgia trekken zich sneller terug dan die aan de zuidwestkant. Föhnwinden op Zuid-Georgia komen gemiddeld om de 4 dagen voor en zijn daardoor zeker een verschijnsel om rekening mee te houden bij mijn onderzoek. Of de sedimenten daadwerkelijk door de jaren heen een verschil in de windsterkte laten zien, kunnen jullie hopelijk over vier jaar teruglezen in mijn proefschrift.

Bronnen:

• www.gov.gs
• Bannister, D., King, J., 2015. Föhn winds on South Georgia and their impact on regional climate. Weather 70, 324-329
• Eagles, G., & Jokat, W. (2014). Tectonic reconstructions for paleobathymetry in Drake Passage. Tectonophysics, 611, 28-50.
• Galbraith, D., Lewis-Smith, R., & Burton, R. (2011). Field guide to the flora of South Georgia. South Geogia Heritage Trust.
• Thomas, Z., Turney, C., Allan, R., Colwell, S., Kelly, G., Lister, D., ... & Herold, N. (2018). A New Daily Observational Record from Grytviken, South Georgia: Exploring Twentieth-Century Extremes in the South Atlantic. Journal of Climate, 31(5), 1743-1755.