Rekonstruerer havstrømmer

Av: Birgitte F. Nyland, Trond Dokken og Svein Østerhus 

Lange observasjonstidsserier er av avgjørende betydning for klimaforskning. Det er kun gjennom analyser av lange tidsserier at man kan få bedre innsikt i naturlige klimavariasjoner. Slik kan en bedre forstå hvilke faktorer som virker inn på klimasystemet. Det fins imidlertid svært få lange klimatidsserier. Meteorologiske måleserier strekker seg over de siste 100 år, og svært få serier fra havet går særlig utover siste 50 år. Innenfor NORKLIMA har man i det koordinerte prosjektet NOClim jobbet med å forlenge etablerte tidsserier tilbake i tid ved å ta i bruk ulike metoder for å rekonstruere innstrømning av atlantisk vann til De nordiske hav.

Strøm mellom Færøyene og Island
Vi har sett nærmere på en av tre forgreininger som strømmer inn til De nordiske hav, nærmere bestemt den forgreining som strømmer nordover mellom Færøyene og Island (figur 1).

Figur 1. Liten boks: Oversiktskart over de tre innstrømningsgreinene av atlantisk vann til De nordiske hav (fra Østerhus m.fl., 2005). Stor figur viser forenklet skisse av atlantisk og arktisk vann i et profil fra kontinentalsokkelen nord for Færøyene. Gule sirkler symboliserer kjerneposisjoner. Bokser viser områder som blir nærmere studert ved bruk av paleodata.

Vannet knyttet til denne delen utgjør vel 40 prosent av det totale volumet av atlantisk vann som strømmer inn i De nordiske hav. Sedimentkjerner er hentet fra ulike dyp på kontinentalsokkelen nord for Færøyene. Kjernene er tatt i et snitt – eller profil – som er definert ved etablerte instrumentelle stasjoner (Østerhus m.fl., 2005). Dette profilet dekker utbredelsen av varmt atlantisk vann, både på havbunnen og i overflaten. Nord for Færøyene møter det varme og salte atlantiske vannet den kaldere og ferskere Østislandske strøm. På grunn av tetthetsforskjell og jordrotasjonens avbøyende kraft snur forgreiningen av det varme vannet seg østover for deretter å strømme nordover langs Norskekysten. Dette resulterer i at atlantisk vann får form som en kile over arktisk (intermediært) vann på skrå nordover opp mot overflaten (figur 1).

Der disse to vannmassene møter hverandre i overflaten, defineres et frontsystem – et skarpt skille i vannmassene - som blir kalt Island-Færøy fronten. Det er kjent at økende innstrømning av varmt atlantisk vann vil resultere i en brattere vinkel på grenseflaten mellom vannmassene: atlantisk vann vil da trenge dypere ned på kontinentalsokkelen ved Færøyene og/eller Island-Færøy fronten vil bevege seg sørover. Klarer vi å rekonstruere endringer i grenseflaten ved bunnen og i overflaten, har vi mulighet til å si noe om fortidens endringer i transport av innstrømmende vann og dets fysiske egenskaper. Vi vil i denne artikkelen vise hvordan vi kan bruke paleodata (data fra langt tilbake i tid) til å rekonstruere disse forholdene tilbake i tid.

Varmt og kaldt vann ved bunnen
Grenseflaten mellom varmt atlantisk vann og kaldt arktisk vann på kontinentalsokkelen kan bestemmes ved geokjemiske analyser av kalkskallet til mikroorganismer som lever der (bentiske foraminiferer). Forholdet mellom magnesium og kalsium (Mg/Ca) reflekterer temperatur i det omkringliggende vannet der disse organismene en gang dannet sitt skall. Temperaturforskjellen mellom arktisk og atlantisk vann er relativt stor - over 5 grader celsius. Overgangen fra kaldt arktisk vann til overliggende atlantisk vann er derfor tydelig reflektert i Mg/Ca i kalkskallet til organismene som lever på havbunnen (figur 2b). Analyser av Mg/Ca i kalkskall fra sedimentkjerner som i dag ligger i arktisk vann vil gi svar på om atlantisk vann tidligere har beveget seg dypere ned på kontinentalsokkelen. I dag ligger grensen mellom de to vannmassene på omtrent 300 meter.

Resultater fra kjerner tatt på henholdsvis 500 og 650 meter viser relativt stabile konsentrasjoner med små variasjoner. Dette indikerer at disse lokalitetene ikke har vært influert av varmere atlantisk vann i et gitt tidsintervall (figur 3). En kjerne tatt fra et grunnere dyp på 450 meter viser derimot høyere variasjon i konsentrasjonene av Mg/Ca. Dette indikerer at atlantisk vann i større grad har vært i kontakt med dette dypet. Resultatene fra denne kjernen indikerer en temperaturvariasjon på 3-4 grader (figur 3). Det er urealistisk at temperaturen ved bunnen i arktisk vann varierer med mer enn cirka en grad. En så stor variasjon kan derfor bare forklares ved innflytelse av atlantisk vann. Dypet for atlantisk vann varierer lite, dvs. bestemt av høyden på ryggen mellom Island og Færøyene på rundt 400 meter. Innstrømmende atlantisk vann er derfor i stor grad låst til dette vanndypet, noe som også våre paleodata bekrefter.

Figur 3.  Mg/Ca i kalkskallet til organismer på havbunnen fra tre kjerner fra henholdsvis 465 (GS04-138-17), 540 (HM03-133-12) og 652 (GS04-138-21) meter vanndyp. Mg/Ca resultatene i kjerne GS04-13-21 og HM03-133-12 er basert på Melonis barleeanus, mens Mg/Ca data i kjerne GS04-138-17 er hentet fra Cassidulina neoteretis. Artene har ulik temperatursensitivitet og er derfor plottet på ulike akser. Kurvene er plottet mot hverandre slik at de viser lik temperaturvariasjon (pil indikerer 1 grad celsius). Plassering av disse kjernene i forhold til grensen mellom atlantisk og arktisk vann er illustrert i figur 1.

Variasjoner ved overflaten
Grensen mellom atlantisk og arktisk vann vil skrå oppover mot nord, og Island-Færøy fronten vil fremtre ved overflaten. Her observerer vi større variasjon tilbake i tid. Hver vannmasse har en karakteristisk sammensetning av ulike arter kalkskallige plankton (planktoniske foraminiferer, lever i de øvre 50-200 meter). Disse forskjellige artene har ulike preferanser når det gjelder næring, varmt/kaldt og saltere/ferskere vann. Analyser av artsammensetningen i kjerner kan derfor si noe om hva slags vann som har dominert ved overflaten. I figur 2c er andelen av en art som lever i varmt vann ved cirka 50 meters dyp (rød kurve) dramatisk avtakende nord for stasjon 4, samtidig som andel av en typisk kaldlevende art (blå kurve) øker. Dette gjenspeiler overgangen fra varmt atlantisk vann til kaldt arktisk vann fra sør mot nord (figur 2c). Også Mg/Ca i disse artene reflekterer dette mønsteret. Artene som lever ved omtrent 50 og 100 meter, viser en temperaturnedgang på henholdsvis 4 og 2 grader nord for stasjon 4.  Dette bildet er også tydelig illustrert i de instrumentelle dataene (figur 2a og 2d).

Fordelingen av en annen art (grønn kurve figur 2c) er knyttet til arktisk vann og kan relateres til Island-Færøy front posisjonen. Høy andel av denne arten vil derfor indikere nærvær av dette frontsystemet. Figur 2c viser en kraftig økning av denne arten nord for stasjon 9 (N09) og markerer posisjonen til Island-Færøy fronten. Også dette stemmer godt overens med hvor den er observert i instrumentelle data i dag. Fordeling av denne arten nedover i en kjerne vil kunne gi informa-sjon om endringer i posisjonen til Island-Færøy fronten tilbake i tid. I teorien vil altså endringer i innstrømningen av atlantisk vann resultere i endring av vannmassens tverrsnitt og i posisjonen av Island-Færøy fronten. Figur 4 viser utbredelse av denne arten i to kjerner som er plassert under frontposisjonen i dag (stasjon N08 og N09 i figur 2). Kurvene følger samme mønster med en typisk variasjon over et til flere tiår (figur 4). Instrumentelle observasjoner av denne strømmen nord for Færøyene dekker kun de siste 15 årene. En modellkjøring av volumfluks i havstrømmen over Island-Færøy ryggen basert på instrumentelle observasjoner viser stor variasjon fra år til år gjennom de siste 50 år med lik trend som vi finner i signalet fra paleo-dataene.

Lovende metode
Den atlantiske multidekadiske oscillasjon (AMO) er en interessant variasjon som uttrykkes ved sjøtemperaturen i overflaten (SST) om sommeren nord i Atlanteren (Sutton og Hodson, 2005; figur 4). Svingningen er knyttet til variasjoner i den totale omvelting av vannmasser i Nord-Atlanteren, ofte kalt den termohaline sirkulasjon. Variasjonen av AMO er funnet ut fra instrumentelle data de siste 150 år og dekker da bare et begrenset antall sykluser. Den gode korrelasjon mellom våre paleodata for Island-Færøy fronten og AMO indikerer at frontposisjon og innstrømmende atlantisk vann kan knyttes til variasjoner i SST og den thermohaline sirkulasjon (figur 4).

Så langt viser våre resultater et stort potensial for å rekonstruere endringer i atlantisk vann langt tilbake i tid, både for styrken i innstrømningen og for egenskapene til vannet. Å rekonstruere posisjonen til Island-Færøy fronten kan hjelpe oss til å få en bedre forståelse for mekanismene som ligger bak innstrømning av atlantisk vann og om raske klimaendringer bakover i tid er knyttet til endringer i den termohaline sirkulasjon.

Figur 4. Fordeling av en planktonart som er knyttet til arktisk vann og Island-Færøy fronten (Turborotalita quinqueloba) i kjerner fra stasjon NO8 (oransje kurve, HM03-133-09) og stasjon N09 (rød kurve, HM03-133-10). AMO-indeks er plottet med blå kurve. Indeksen er gjennomsnittet av indeksverdi fra mai til september glattet med 5 år.

Artikkelen er også publisert i Cicerone.