Bjerknessenteret for klimaforskning er et samarbeid mellom Universitetet i Bergen, NORCE, Nansensenteret og Havforskningsinstituttet. 

Alvane dansar over råkane, metertjukk is legg seg over havet, det går mot vinter og mørketid i Antarktis. Foto: Østerhus

Draumen om straumen 

Utforsking av havstraumar frå Arktis i nord til Antarktis i sør, går hand i hand med utvikling av måleteknologi. I Universitetsmuseets årbok 2019 tek Svein Østerhus oss med på ei reise gjennom oseanografihistorie og teknologihstorie. 

I 100 år hadde oseanografane drøymt om å kunne måle kor mykje masse og varme som  Golfstraumen transporterer frå Nord-Atlanteren til dei nordiske hava og vidare til Arktis. Den Norske Atlanterhavsstraumen, vår «Golfstraum», transporterer varmt og livgivande vatn nordover, som er viktig for klima og fiskeria. Å kunne måle variasjonar i denne straumen og i verdas store havstraumar, har difor vore særs viktig.

Av Svein Østerhus, forsker ved NORCE og Bjerknessenteret, skrive for Universitetsmuseets årbok 2019 

Figur over Antarktis, kontinentalsokkelen og havstraumane
Antarktis er dekt av ei inntil 4000 meter tjukk iskappe. Innlandsisen er den delen som ligg på fast grunn. Isbremmen er den delen av iskappa som flyt på havet. Rundt Antarktis er det mange små og to gigantiske isbremmar. Ein straum av kaldt og tungt vatn strøymer ut frå undersida av Filchner-Ronne-isbremmen og ned i djupet, og strøymer nordover som ein botnstraum. Illustratør: Alfred-Wegener-Institut / Martin Künsting (CC-BY 4.0)


Havstraumane spelar ei sentral rolle i det globale klimaet, og er særs viktige for klimautviklinga i polarområda. Skal vi vere i stand til å overvake og varsle klimaendringar er det difor avgjerande at vi har teknologi, kompetanse og resursar som skal til for å vedlikehalde straummålingsaktivitetane våre både i Antarktis og Arktis. Med dei sterke marintekniske miljøa på Vestlandet som kan levere den teknologien som trengs, er vi i ein bra posisjon til at vi kan vere leiande når det gjeld klimaovervaking av havstraumane våre.

 

Den moderne havforskinga fødast

Den britiske ekspedisjonen med HMS Challenger 1872-76, blir rekna som starten for oseanografi som vitskap. Norske forskarar blei inspirerte av resultata frå denne ekspedisjonen og ville utforske farvatna i nord, og allereie sommaren 1876 segla dampskipet Vøringen frå Bergen med mål om å utforske Norskehavet. Den norske Nordhavsekspedisjonen, som blei leia av Henrik Mohn, kartla store delar av Norskehavet i løpet av tre sommartokt i 1876, 77 og 78 [1]. Mykje ny kunnskap blei samla inn, men det blei tidleg klart at måleinstrumenta og analysemetodane ikkje var gode nok.

Fridtjof Nansen var godt kjent med tilstanden da han planla Fram-ekspedisjonen, og han engasjerte seg sterkt i utvikling av nye måleinstrument. God hjelp fekk han av andre forskarar, blant anna utvikla kjemikaren Hercules Tornøe eit instrument som brukte den elektriske leiingsevna til havvatnet til å bestemme saltinnhaldet.  Dette instrumentet og andre nyvinningar var med på Framdrifta over Polhavet, men sjølv om ekspedisjonen blei ein stor suksess var ikkje dei oseanografiske observasjonane så gode som ein hadde håpa på. Temperaturmålingane var brukbare, men Nansen måtte seinare medgi at saltmålingane var feil og var ubrukelege.

 

The Norwegian Sea

I åra fram mot etableringa av det internasjonale havforskingsrådet (ICES) i 1902, blei det nedlagt eit stort arbeid i utvikling av nye instrument og analyseverktøy. Nordiske forskarar tok ei leiande rolle i dette arbeidet, og Nansen og Bjørn Helland-Hansen var sentrale norske aktørar. Ved hjelp av nyutvikla instrument og metodar, kartla dei Norskehavet og publiserte i 1909 monografien «The Norwegian Sea».

 «The Norwegian Sea» [2] er eit verk som har blitt ein klassikar, og blir i dag rekna som «bibelen» for alle som skal studere dei nordiske hav. Straumkartet dei laga er den dag i dag, hundre år etter, fullt brukbart, men ein ting var dei ikkje i stand til å levere: Dei hadde ikkje instrument og metodar til å bestemme kor mykje vatn, salt og varme havstraumane transporterte. Ved å måle temperatur og salinitet på fleire djup kan ein bestemme densiteten, slik at ein ved teoretiske metodar kan seie noko om korleis straumen endrar seg med djupet. Ved hjelp av slike metodar blei det gitt estimat av transporten i havstraumane, men det skulle ta lang tid før ein med direkte målingar kunne bestemme volum, salt og varmetransporten.

 

Aanderaa-straummålar
Aanderaa-straummålaren har ein rotor som måler farten og eit ror som snur målaren mot straumen, slik at ein ved hjelp av eit kompass kan finne retninga.

Bergen-straummålaren

Direkte seriemåling av havstraumar viste seg å vere vanskeleg, teknologien var ikkje moden. I 1880-åra utførte amerikanaren J. E. Pillsbury nokre imponerande seriemålingar av straumstyrken ned til heile 4200 meter, med stålkorsstraummålarar med kompass som han hadde konstruert. Den svenske forskaren W. Ekman konstruerte ein propellarstraummålar, og saman med Nansen ein pendelstraummålar, i 1909 kom dansken J. P. Jacobsen med ein libellestraummålar. Ekman sin mekaniske propellar-straummålar blei med tida eit standard instrument og blei mykje brukt, men ingen av instrumenta kunne brukast til å seriemåling over lenger tid. Oseanografane måtte smøre seg med tolmod, og vente på eit teknologisk gjennombrot.

Det kom da halvleiarteknologien blei utvikla og blei tilgjengeleg utover på 1950-talet. Håkon Mosby ved Universitetet i Bergen såg da at teknologien var moden, og oseanografane kunne få oppfylt sine 100 år gamle draumar om nøyaktige seriemålingar av havstraumane. Mosby var sentral i NATO sin underkomité for oseanografisk forsking, og fekk NATO med på å støtte utvikling av eit nytt instrument for sjølv-registrerande oseanografiske data-innsamlingssystem. Spesifikasjonane for instrumentet var at det måtte kunne operere på minst 1000 meters djup over minst eit halvt år. Målefrekvensen skulle vere ei måling for kvar 30. minutt av styrken og retninga til havstraumen, samt temperatur og salinitet.

Bergen var på den tida kanskje den beste plassen for å utvikle eit slikt instrument. Her var det eit sterkt oseanografisk miljø med lett tilgang til forskingsskip og kort avstand til område der instrumentet kunne testast, men kanskje enda viktigare var det at det var eit sterkt teknologisk miljø ved Christian Michelsen Institute (CMI), leia av Odd Dahl. Dahl tok oppgåva med å vere prosjektleiar. Han hadde inga formell akademisk utdanning, men var ein genial oppfinnar med erfaring frå «Maud»-ekspedisjonen, der han hadde arbeid tett saman med oseanografen H. U. Sverdrup med utvikling av måleinstrument.

 

Aanderaa Instruments

Ivar Aanderaa blei tilsett i prosjektet med ansvar for instrumentering og elektronikk. Oseanografen Thor Kvinge fekk ansvaret for feltoperasjonane og oseanografiske krav til instrumentet og målerigg.

Oppgåva var stor og kompleks, ingen hadde laga eit slikt målesystem før og alt måtte utviklast frå grunnen av. Val av observasjonsteknikk, korleis måle dei forskjellige parametrane. Kva type sensorar skulle veljast, og korleis målingane skulle bli lagra. Nye måleriggar måtte utviklast for at instrumenta kunne stå ut i havet i meir enn eitt år.  Teamet Mosby, Dahl, Aanderaa og Kvinge løyste oppgåva med glans. Først blei to prototypar produserte. Prototypane blei brukte til testing av både instrument og målerigg. Først i Raunefjorden, og seinare blei det etablert ein teststasjon nordvest av Shetland som blei brukt for den vidare uttestinga av teknologien.

Sidan alt ved prototypane var utvikla frå grunnen av, var det naturlegvis mange ting som måtte vidareutviklast. I 1963 blei dei første fem straummålarane produserte. Desse instrumenta fungerte bra, og kunne gjere målingar i havet i over meir enn eitt år. Målingane blei lagra på magnetband som kunne lagre meir enn eitt år med timesdata av straumstyrken og retning, temperatur, salinitet og trykk.

Utviklingsarbeidet i NATO-prosjektet var da fullført, og straummålarinstrumenta var klare til å bli produserte, og rettane blei overtatt av firmaet Plessey Electronics i UK. Aanderaa, som hadde vore sentral i utviklinga, fekk òg rett til å produsere og selje straummålaren. For denne retten måtte han betale med å gi seks instrument til Geofysisk institutt, UiB. Ei «gåve» som viste seg å vere gull verdt for begge partar. Aanderaa slutta ved CMI i 1966 og etablerte sit eige firma, Aanderaa Instruments.

 

Nye måleriggar og dataanalyseverktøy

Med dei gamle mekaniske straummålarane blei målingane utførte frå skip eller overflatebøyar som dreiv eller var oppankra.  For å kunne sette ut dei nyutvikla straummålarane på store djup i havet, måtte ny riggteknologi utviklast. Måleriggar som kunne ankrast opp med eit ankerlodd på havbotnen, og med undervassbøyar som måtte tole stort trykk. Denne type riggar hadde ingen bøye på overflata som kunne plukkast opp når måleriggen skulle tas opp. For å kunne hente opp riggane, måtte ein difor utvikle eit instrument som kunne frigjere måleriggen frå ankerloddet slik at han flaut opp til overflata. Ved CMI blei det konstruert ein akustisk utløysar som når ein sendte eit koda akustisk signal til utløysaren, sprengde ein bolt frå han som frigjorde måleriggen frå ankerloddet.

Etter datidas målestokk, produserte dei nye straummålarane enorme mengder med data. Dei gamle metodane for analyse av data frå straummålarar, var ikkje lengre brukbare. Nye program som kunne lese data frå magnetbanda og analysere resultata, måtte utviklast.   

Også på desse felta var oseanografimiljøet i Bergen heilt i front på 1960-talet, og klare for å ta ei leiande rolle i straummåling til havs.
 

Den store testen i Weddelhavet

No var tida kommen for å vise verda kva desse fantastiske nye instrumenta kunne brukast til. Testar utførte av Scientific Committee on Oceanic Research (SCOR) viste at straummålarane frå Bergen var dei beste, men enda viktigare skulle eit stort forskingsprogram i Antarktis vise seg å bli.

 Mosby deltok på det første norske oseanografiske toktet til Antarktis med skipet «Norvegia» i 1928. Under dette toktet samla Mosby inn oseanografiske data som han brukte til å utvikle teoriar om havstraumane i Antarktis. Bergensstraummålaren, seinare kjent som Aanderaa RCM  (Recording Current Meter)-straummålaren, gav han eit godt verktøy til systematisk utforsking av hava i Antarktis.

Oppfinninga av Aanderaa-straummålaren var ei nyvinning som det blei lagt merke til. På eit møte i Scientific Committee on Antarctic Research (SCAR) i 1966, presenterte Mosby denne nye teknologien saman med teorien sin om kva som måtte vere kjelda til djupvatnet som kjem frå Antarktis. Planane Mosby hadde for bruk av Bergen-straummålarar til å utforske havstraumane i Antarktis blei tatt godt imot, og den kjente amerikanske oseanografen Henry Stommel var svært interessert. Stommel tok med seg denne nye kunnskapen heim til USA, og foreslo for National Science Foundation (NSF) at dei skulle sende ein ekspedisjon til det sørlege Weddellhavet for å utforske havområdet. NFR-direktøren reiste til Bergen for å diskutere forslaget, og det blei bestemt å sende ein ekspedisjon leia av US Coast Guard og NSF.  Oseanografmiljøet i Bergen, som hadde ideen og den beste teknologien, blei invitert til å stå for straummålingane.  

Kvinge, som var oseanograf ved UiB, fekk oppdraget med å gjennomføre straummålingane. Han viste seg å vere rett mann. Ikkje berre var han ein dyktig oseanograf, han hadde òg verkstaderfaring og visste korleis ein skulle konstruere ein målerigg som kunne overleve under sjøisen i Weddellhavet i mange år – kunnskap som viste seg å vere avgjerande for suksessen til prosjektet.

I 1968 reiste Kvinge på «International Weddell Sea Oceanographic Expeditions» med isbrytaren «USS Glacier» til Weddellhavet. Kvinge sette ut fire  Aanderaa-straummålarar i området nord for den gigantiske Filchner-Ronne isbremmen. Dette er eit område med svært mykje sjøis, og er vanskeleg tilgjengeleg. Året etter, dastraummålarane skulle hentast inn, var det så mykje is at skipet ikkje greidde å komme fram til området der riggane var sette ut. Det same gjentok seg fleire år, og først etter fem år greidde dei å hente inn straummålarane. Instrumenta og måleriggane hadde overlevd fem år i havdjupet utan å bli tært opp av sjøvatn, takka vere kunnskapen til Kvinge om korleis stål og andre materiale oppfører seg i slike krevjande miljø.

Det blei ein verdssensasjon; for første gong hadde nokon greidd å måle havstraumane i Antarktis i over meir enn eitt år. Ei bragd som ikkje berre løfta Antarktisforskinga vår, men òg ga det Bergensbaserte firmaet «Aanderaa Instruments» eit kjempeløft.  Aanderaa-straummålaren blei også ein verdsstandard for straummåling i havet. Amerikanarane var tydelegvis også imponerte, for da dei skulle sette stadnamn på eit område på den Antarktiske halvøya som dei kartla i 1974, døypte dei eit område for «Kvinge Peninsula».

Boring på isbrem i Antarktis
Før ein kan måle under den mange hundre meter tjukke isbremmen, må det borast eit hòl, stort nok til at instrument kan firast ned til havvatnet under isen. Til boringa bruker ein varmt vatn på 80-90 grader. Foto: Østerhus


 

Kjelda til botnvatnet i alle verdshav

At det tyngste vatnet som dekkjer botnen i alle verdshava kjem frå Antarktis var godt kjent, men ingen hadde funne sjølve kjelda før i 1977, da Arne Foldvik fann ei «elv» av superkaldt vatn som strøymde over eggakanten, og fossa ned i djupet. Aanderaa-straummålarar blei straks sette ut i «elva». Data frå desse straummålarane brukte Foldvik og Tor Gammelsrød til å rekne ut kor mykje vatn denne straumen transporterte, og utforske prosessane som fører til at denne straumen endar opp som botnvatn i alle verdshava og blir ein viktig komponent i det globale straumsystemet[3].

Isbrem er den delen av iskappa som flyt på havet. I Antarktis er det to gigantiske isbremmar, Ross og Filchner-Ronne, og fleire mindre. Ein isbrem er typisk eit par hundre meter tjukk ved fronten, og kan vere heile 2000 meter tjukk der han er grunnstøytt.

 Inne på kontinentalsokkelen heilt sør i Weddellhavet, blir det gjennom vinteren danna tungt botnvatn ved at overflatevatnet blir kjølt ned til frysepunktet og frys til is. Når sjøis blir danna, frigir isen salt til det omkringliggande vatnet. Dette vatnet som da blir ekstra salt og på frysepunktet, blir da så tungt at det søkk ned til botnen. Nede på botnen strøymer det innunder den gigantiske Filchner-Ronne-isbremmen. Temperaturen på dette vatnet er -1.9°C, som er frysepunkttemperaturen til havvatnet på overflata, men saltvatn frys med lågare temperatur når trykket blir høgare. Difor vil varmen frå dette vatnet smelte undersida av isbremmen, og vatnet får da ein temperatur som er lågare enn frysepunktemperaturen på overflata. Når dette vatnet strøymer ut frå undersida av isbremmen, er det superkaldt. Kaldt vatn kan komprimerast meir enn varmare vatn, og bli relativt mykje tyngre enn det omkringliggande vatnet. Når det tynge, kalde vatnet renn over eggakanten, vil det difor fosse ned i djupet med stor fart. Det var denne elva Foldvik og Gammelsrød kartla ved hjelp av Bergen-straummålarane.

I 1980 leia Gammelsrød det oseanografiske måleprogrammet på den første tyske etterkrig-ekspedisjonen til Antarktis. Gammelsrød, saman med Noralf Slotsvik, greidde å måle temperatur- og saltprofiler langs fronten av heile Filchner-Ronne-isbremmen [4]. Desse dataa gav grunnlag for utvikling av teoriar om korleis dette superkalde vatnet blei skapt og korleis det sirkulerte, men ingen hadde greidd å måle i havvatnet under isbremmen.

For å kunne måle havvatnet under isbremmen måtte ein først bore eit hòl gjennom isen og fire instrumenta gjennom hòlet ned i havvatnet. For å få det til, måtte Aanderaa-straummålaren redesignast. Kvinge, som no jobba ved Christian Michelsen institutt (CMI), bygde om straummålarane slik at dei kunne senkast ned gjennom eit fleire hundre meters hòl i isen og sende data via ein kabel til overflata. I 1989 sette Olav Orheim og Svein Østerhus ut desse spesialbygde Bergen-straummålarane ut under Fimbul-isbremmen[5]. Dette var første gongen havstraumane under ein stor isbrem blei målte. Seinare har Østerhus, i samarbeid med forskarar i Tyskland og Storbritannia, bora mange hòl gjennom Filchner-Ronne-isbremmen og sett ut Bergen-straummålarar under 1000 meter tjukk is. Data frå desse observatoria er viktige for å måle smelting av isen i Antarktis, og kva konsekvensar dette får for dei globale havstraumane, havnivå og klimaet vårt[6].

 

Golfstraumen i nord

I Arktis er det ingen store isbremmar som kan lage superkaldt havvatn, men tungt djupvatn blir likevel produsert i nord, og er ei viktig drivkraft for vår Golfstraum og dei globale havstraumane. Endringar i kor mykje varme og masse denne straumen transporterer nordover, er svært viktig for klimaet vårt og fiskeria våre. Difor har oseanografar i over hundre år prøvd å måle styrken på vår Golfstraum – ei oppgåve som viste seg å vere vanskeleg og løyse.

Før Bergen-straummålaren blei tilgjengeleg, måtte ein bruke «geostrofi». Ved å måle temperatur- og salinitetprofilar indirekte kunne ein finne straumstyrken relativt til eit tenkt djup der havvatnet var i ro. Denne metoden var lite presis, og estimata varierte stort. Aanderaa-straummålaren var allereie i testfasen tatt i bruk for å måle styrken på straumane mellom Atlanterhavet og Norskehavet[7]. Det  skulle likevel gå mange år før ein greidde å byggje eit observasjonssystem som kunne måle styrken på desse straumane med stor nok presisjon.

Det måtte målast i mange posisjonar samtidig, og med mange straummålarar.  Måleriggane måtte ankrast opp i område med eit rikt fiske, noko som førte til store tap av instrument som blei øydelagde av trålarar. Først utpå 1990-talet blei eit observasjonssystem for systematisk måling av havstraumane som strøymer inn og ut av Arktis etablert. Etter meir enn 20 år med målingar i alle straumane som strøymer inn og ut av dei Nordiske hava og Arktis, kan vi no talfeste straumstyrken og kor mykje dei varierer[8] . Heldigvis viser målingane våre at vår Golfstraum er stabil, men det kan komme til å endre seg i framtida.
 

Isbrem Antarktis
Fronten av isbremmen blir kalla barrieren. Isfronten er 200 meter tjukk, så er barrieren 20 meter høg. Foto: Østerhus

Utsyn

I dag finst det mange tusen straummålingsinstrument frå Bergen i bruk i heile verda. Det arbeidet som Mosby, Dahl, Aanderaa og Kvinge la ned i utviklinga av Bergen/Aanderaa-straummålaren har betydd svært mykje for forskinga vår. Observasjonane utførte med desse straummålarane er heilt sentrale i den kunnskapen vi i dag har av straumsystema i hava, og kva dei betyr for klimaet på jorda.

Dei 100 år gamle draumane er oppfylte; i dag har vi målt transporten i dei fleste havstraumane som er viktige for oss. Trass i dystre klimaprognosar har observasjonane våre av havstraumane vist at dei er stabile. Uheldigvis kan vi ikkje ta det for gitt at dette vil forsette. I løpet av dei siste tiåra har vi observert store endringar i havet. Havet er blitt varmare, isdekket i Polhavet endrar seg, danninga av djupvatn i Grønlandshavet har stoppa og det rapporterast om store endringar i Nord-Atlanteren. I Antarktis viser observasjonane våre at store endringar kan vere undervegs. Er vi på veg mot eit vippepunkt, «Tipping Point», der kreftene som driver dei viktige havstraumane våre endrar seg så mykje at vi vil oppleve dramatiske endringar i havstraumane?  At vår Golfstraum stoppar er lite sannsynleg, men store endringar må vi rekne med. I Antarktis fryktar vi at varmare vatn vil strøyme innunder isbremmane. Dette vil føre til at smeltinga av isbremmane aukar, og dermed vil meir av innlandsisen skli ut i havet med det resultat at havnivået stig kraftig.

Klimamodellar kan hjelpe oss med å varsle om store endringar i klimaet vårt, men dei er avhengige av gode observasjonar over lang tid. Det er difor svært viktig at vi no bygger robuste, autonome og berekraftige langtidsobservatorium som kan overvake dei viktige havstraumane våre og gi eit tidleg varsel om det er store endringar undervegs. Forskingsmiljøa på Vestlandet er i ein god posisjon til å ta ei leiande rolle i dette arbeidet.