IJs in een veranderend klimaat Samenvatting van de lezing in de specialistenserie Geologie 2011 van het Museon. Peter Kuipers Munneke (
[email protected]) Instituut voor Marien en Atmosferisch onderzoek Universiteit Utrecht
1 Introductie Doordat de gemiddelde temperatuur van de Aarde betrekkelijk dicht bij het vriespunt ligt, vinden we op veel plaatsen water in vaste vorm: ijs. We vinden ijs in de vorm van gletsjers, ijskappen, zeeijs, permafrost, en periodiek bevroren meren en rivieren. In deze lezing zal ik me richten op gletsjers en ijskappen enerzijds, en als de tijd het toelaat zal ik ook ingaan op het zeeijs in het Arctisch gebied. Gletsjers en ijskappen worden gevormd in gebieden waar de temperatuur laag genoeg is en de hoeveelheid sneeuwval groot genoeg om ieder jaar een Figuur 1. Morteratsch-gletsjer in Zwitserland, met mooi sneeuwoverschot te veroorzaken. De zichtbaar het accumulatie- en ablatiegebied. sneeuwlagen die zich jaarlijks ophopen worden samengedrukt onder hun eigen gewicht, en de ijskristallen waaruit de sneeuw bestaat gaan op enkele tientallen meters diepte over in ijs. Omdat ijs een plastisch materiaal is, zal het onder invloed van de zwaartekracht deformeren en bergafwaarts stromen. De anatomie van een klassieke berggletsjer (figuur 1) bestaat dan ook uit een accumulatiegebied boven in de bergen, en een ablatiegebied in het dal. In het accumulatiegebied valt jaarlijks gemiddeld meer neerslag dan er in de zomer afsmelt. In het ablatiegebied daarentegen smelt jaarlijks meer ijs dan er in de winter aan sneeuw bijkomt. Deze twee zones worden gescheiden door de evenwichtslijn. IJsstroming zorgt voor transport van ijs van het accumulatie- naar het ablatiegebied. Een toename van de temperatuur of een afname in de hoeveelheid neerslag leidt tot een verschuiving van de evenwichtslijn naar grotere hoogte, waardoor het ablatiegebied groter wordt en het accumulatiegebied kleiner. Om het evenwicht te herstellen zal de gletsjer krimpen tot accumulatie en ablatie weer in balans zijn. Op deze manier is de omvang van een gletsjer betrekkelijk eenvoudig gerelateerd aan de klimatologische variabelen neerslag en temperatuur. Gletsjers liggen overal op aarde (figuur 2). In de tropen is ook een aantal gletsjers te vinden, onder andere op de Kilimanjaro, in Indonesië, en in tropisch Latijns-Amerika in het Andesgebergte. Afgezien van de grote ijskappen op Groenland en Antarctica ligt circa 50% van alle gletsjers in Noord-Amerika, 32% in Azië, en 10% in Europa. Tezamen vormen al deze meer dan 160.000 gletsjers echter niet meer dan 1% van al het landijs op Aarde. De overige 99% van het ijs ligt opgeslagen in de ijskappen van Groenland (9%) en Antarctica (90%). Als al dit ijs zou smelten en over het oppervlak van de oceanen wordt verdeeld stijgt de zeespiegel met circa 65 meter. De huidige verwachtingen van de zeespiegelstijging voor de komende 100 jaar liggen in de orde van 20 tot 120 cm. De bijdrage van smeltend ijs is slechts ongeveer de helft hiervan - de andere
Figuur 2: Verdeling van gletsjers (uitgezonderd Groenland en Antarctica) over de aarde, in procenten van de totale gletsjeroppervlakte.
helft wordt veroorzaakt door de uitzetting van warmer wordend oceaanwater. De bijdrage van landijs is derhalve slechts 0,2 tot 1,2% van het totale beschikbare volume. Het schetst dan ook geen verbazing dat het nauwkeurig vaststellen van de bijdrage van landijs aan de huidige zeespiegelstijging een veelheid aan statistische en observationele technieken vereist. Ik zal afzonderlijk aandacht besteden aan de Antarctische ijskap, de Groenlandse ijskap, en alle overige gletsjers op Aarde. Wat is hun huidige bijdrage aan de zeespiegelstijging en waardoor wordt dit veroorzaakt? Het zal blijken dat we kennis nodig hebben van verschillende processen om te begrijpen hoe deze ijsmassaʼs reageren op veranderingen in het klimaat.
2 Gletsjers Er zijn meer dan 160.000 gletsjers op aarde, variërend in oppervlakte van een aantal voetbalvelden tot enkele honderden vierkante kilometers. Sinds ongeveer 1850 trekt het overgrote deel van deze gletsjers zich terug: door een verandering in het klimaat wordt van de meeste gletsjers het accumulatiegebied kleiner en het ablatiegebied groter, waardoor de gletsjer krimpt om tot een nieuw evenwicht te komen. De lengteafname is consequent waarneembaar bij gletsjers op alle continenten, alle breedtegraden, en alle hoogtes. Dit suggereert sterk dat er een uniforme oorzaak achter deze afname in gletsjerlengte moet zitten. De ene kandidaat is een sterke wereldwijde afremming van de hydrologische cyclus, waardoor wereldwijd aanzienlijk minder neerslag is gevallen. Om de krimp van gletsjers te kunnen verklaren is een reductie van meer dan 25% in 150 jaar nodig. Dit komt niet overeen met enige waarneming. Derhalve moet de oorzaak liggen in een Figuur 3: Reconstructies van variaties in wereldgemiddelde wereldwijde toename van de temperatuur in graden Celsius. Blauw/paars = reconstructie luchttemperatuur. Algemeen is van Mann (boomringen en andere proxyʼs), zwart = directe aanvaard dat een sterkte toename in waarnemingen, rood = op basis van gletsjerlengtes. de hoeveelheid broeikasgassen in de
atmosfeer in de afgelopen anderhalve eeuw heeft geleid tot een stijging van de wereldwijd gemiddelde temperatuur van circa 0,8 a 0,9 graden Celsius. Dit is een plausibele verklaring voor de afname van gletsjerlengtes overal ter wereld. Historische gletsjerlengtes kunnen worden bepaald door veldmetingen van morenen, door systematische metingen, door satelliet- en luchtfotoʼs, en langer geleden door ansichtkaart en landschapsschilderijen. Op een even eenvoudige als ingenieuze wijze kunnen deze gletsjerlengtes gebruikt worden om de wereldgemiddelde temperatuur te reconstrueren. De op deze manier verkregen temperatuurcurve komt zeer goed overeen met instrumentele waarnemingen en klimaatreconstructies op basis van boomringen en andere klimaatproxyʼs (figuur 3). Gletsjerlengtes bieden dus een volledig onafhankelijk bewijs van de temperatuurgeschiedenis op Aarde sinds circa 1600. 3 Waarnemen van grote ijskappen Omdat het huidige massaverlies van de grote ijskappen op Groenland en Antarctica in relatieve zin klein is (waarschijnlijk minder dan 1% van hun volume sinds 1850), zijn nauwkeurige technieken vereist om hun massabalans in kaart te brengen. Er zijn drie gangbare methoden om de massa en veranderingen daarin te meten. Alledrie maken zij gebruik van satellietwaarnemingen. Omdat iedere methode zijn beperkingen kent wordt in het onderzoek doorgaans gezocht naar manieren om optimaal gebruik te maken van de beschikbare metingen door de verschillende methodes te combineren. Ten eerste kunnen metingen aan het zwaartekrachtsveld inzicht geven in massaveranderingen van de ijskappen. Met name de in 2002 gelanceerde GRACE-satelliet heeft veel inzicht verschaft in recente massaveranderingen van Groenland en Antarctica. Het smelten van ijs en de herverdeling van dit smeltwater over de oceanen leidt tot een verandering in het zwaartekrachtsveld van de aarde. De GRACE-satelliet bestaat eigenlijk uit twee satellieten die zeer nauwkeurig hun afstand tot elkaar meten. Kleine differentiële veranderingen in de aantrekkingskracht van elk van deze satellieten tot de aarde leiden tot een verandering in afstand tussen deze satellieten. Dit kan worden omgerekend naar een relatief zwaartekrachtsveld. Nadeel van deze methode is dat de resolutie vrij gering is: massaveranderingen kunnen niet nauwkeuriger gelokaliseerd worden dan tot op een aantal honderd kilometer. Daarnaast moet een groot aantal correcties worden toegepast, onder andere voor verticale beweging van de aardkorst, fluctuaties in de luchtdruk, etcetera. Ten tweede kan het oppervlak van de ijskappen worden gemeten met laser- of radarpulsen die vanuit een satelliet of een vliegtuig worden verzonden. De tijd die verstrijkt voordat de reflectie de satelliet weer bereikt is een maat voor de hoogte van het oppervlak. Verschillen in hoogte (door smelt) kunnen worden vastgesteld door meerdere keren hetzelfde traject te meten met tussenpozen van een aantal maanden. Deze techniek staat bekend als altimetrie en wordt succesvol toegepast boven Antarctica en Groenland. De grote uitdaging is om hoogteveranderingen te vertalen naar massaverandering. Om van hoogte naar volume te gaan is de dichtheid nodig, en die is sterk variabel, van sneeuw (300 kilo per kubieke meter) tot ijs (920 kilo per kubieke meter). Daartoe worden modellen gebruikt die de samenpakking van sneeuw tot ijs nabootsen om zodoende voor dit effect te corrigeren. Daarnaast geven radarreflecties in sterk bergachtig en hellend terrein vaak ambigue resultaten. Deze gebieden zijn juist het interessantst, want dat zijn de ablatiegebieden waar de meeste veranderingen zich afspelen. Figuur 4: massaverandering van Groenland gemeten met satellietaltimetrie (IceSat).
In de derde plaats wordt gebruikt gemaakt van de zogenaamde massabudgetmethode, waar een combinatie van weermodellen en ijssnelheidsmetingen wordt gebruikt om de onbalans in inkomende en uitgaande ijsmassaʼs te schatten. Het weermodel berekent de hoeveelheid sneeuwval en afsmelting aan het oppervlak (de oppervlaktemassabalans), terwijl zogeheten interferometrische satellietdata de ijssnelheid aan de randen van de ijskap bepaalt. Hieruit is te schatten hoeveel ijs aan de zijkanten de ijskap verlaat. Dit opgeteld bij de oppervlaktemassabalans levert een schatting van de totale massabalans van de ijskap. 4 Groenland Met de voorgenoemde drie methoden is het mogelijk vast te stellen waar, hoeveel en waarom Groenland massa verliest. De GRACE- en altimetriegegevens (figuur 4) laten zien dat veel massaverlies plaatsvindt aan de randen en in de buurt van specifieke, snelstromende gletsers. Deze zogenoemde uitstroomgletsjers draineren het grootste deel van het Groenlandse ijs en eindigen in betrekkelijk nauwe, diepe fjorden. Het blijkt dat het massaverlies van Groenland - sinds 1990 ongeveer 50 tot 300 kubieke kilometer per jaar - voor ongeveer de helft bepaald wordt door toegenomen smelt (een afnemende oppervlaktemassabalans), en voor de andere helft door toegenomen drainage van de uitstroomgletsjers. Het lijkt erop dat een stijging van de temperatuur van het water in de fjorden leidt tot erosie en afbraak van de tongen van de uitstroomgletsjers. Door allerhande mechanische effecten leidt deze afbraak van ijs in de fjorden tot een versnelling stroomopwaarts, waardoor het ijs sneller naar de rand wordt afgevoerd, en er een onbalans in de massahuishouding ontstaat. 5 Antarctica De ijskap op Antarctica onderscheidt zich van alle andere gletsjers op Aarde doordat het geen ablatiegebied kent: ook aan de randen van het continent valt meer sneeuw dan er smelt. Het overschot aan sneeuwval op het gehele continent wordt gecompenseerd door het afbreken van soms zeer grote ijsbergen, en door erosie van drijvende ijsplaten door het warmere oceaanwater. Zwaartekracht- en altimetriewaarnemingen laten grote veranderingen zien met name in het gebied ten westen van het Antarctisch Schiereiland (figuur 5). Oceanografische metingen laten zien dat het zeewater recentelijk sterk opgewarmd is waardoor drijvende delen van Antarctica nu in warm water “baden”. Analoog aan de situatie in Groenland leidt dit tot toenemende erosie van ijs door de oceaan, en tot toenemende drainage van ijs door de gigantische gletsjers van de Antarctische ijskap. Er bestaat sinds een aantal jaren - dankzij deze nieuwe meettechnieken consensus dat ook de Antarctische ijskap bijdraagt aan de zeespiegelstijging, in vergelijkbare mate als Groenland. Dit zal vermoedelijk ook een belangrijke vooruitgang zijn in het volgende IPCCrapport dat in 2012 zal Figuur 5. Massaverlies van Antarctica, waargenomen door zwaartekrachtmetingen van de GRACE-satelliet. verschijnen.
6 De zeespiegel Door satellietmetingen, peilschaalmetingen en andere reconstructies weten we dat de zeespiegel sinds 1870 ongeveer 20 cm is gestegen (figuur 6). Sinds 1993 bedraagt de waargenomen stijging ongeveer 3 mm per jaar, wat overeenkomt met 30 cm per eeuw. Uitzetting van warmer zeewater (thermische expansie) draagt voor ongeveer 40% bij aan de huidige zeespiegelstijging. De overige 60% wordt ongeveer gelijkelijk verdeeld over de gletsjers, Groenland, en Antarctica. In zekere zin is dit opmerkelijk, omdat de massaverdeling over deze drie zo verschillend is (zie paragraaf 1). Dat gletsjers, die maar 1% van het ijsvolume uitmaken, toch 1/3 van de bijdrage in smeltwater leveren komt doordat gletsjers veel sneller reageren op klimaatverandering dan de grote, logge ijskappen. Projecties van toekomstige zeespiegelstijging zijn inherent onzeker, niet in de laatste plaats door onzekerheid over economische ontwikkelingen en de beschikbaarheid van alternatieve energiebronnen, die een grote invloed hebben op de toekomstige concentratie broeikasgassen in de atmosfeer. Maar gegeven een bepaalde temperatuurontwikkeling ligt er onzekerheid in een aantal factoren. De meest interessante en onzekere bijdrage is de zogenaamde dynamische respons van de grote ijskappen op een toenemende hoeveelheid smelt en/of een toenemende erosie door warm oceaanwater. Hoe een verstoring van de balans aan de rand zich stroomopwaarts door de ijskap kan verplaatsen, is onderwerp van intensief onderzoek. Daarnaast liggen grote delen van de Groenlandse en Antarctische ijskappen op een bodem die omlaag helt naar het midden van de ijskap toen. Het is theoretisch aan te tonen dat dit een inherent instabiele situatie is, waarbij een aanvankelijk klein massaverlies zichzelf kan versterken en landinwaarts kan voortbewegen. Waar het huidige IPCC-rapport met een voetnoot nog aangeeft dat deze dynamische effecten buiten beschouwing zijn gelaten, zal in het nieuwe rapport een bijgestelde verwachting worden opgenomen. Dat deze lager uitvalt dan de huidige schatting van 18 tot 59 cm is uiterst onwaarschijnlijk.
Figuur 6: Waarnemingen van de zeespiegel sinds 1870. Rood = reconstructies op basis van verschillende technieken, blauw = peilschaalmetingen, zwart = satellietmetingen.
7 Zeeijs Zeeijs verschilt fundamenteel van landijs zoals gletsjers en ijskappen. Zeeijs is namelijk bevroren oceaanwater, en is ook maar hooguit een paar meter dik. Enkeljarig zeeijs is zelden dikker dan 1 meter. Er is een sterke jaarlijkse cyclus in het zeeijsoppervlak in het Arctische gebied. In de winter beslaat het zeeijs een oppervlak van circa 13 tot 15 miljoen vierkante kilometer. Dat is een gebied aanzienlijk groter dan Europa. Aan het eind van zomer (doorgaans medio september) wordt de minimale zeeijsbedekking bereikt. Gemiddeld voor de periode 1979-2000 ligt deze op circa 7 miljoen vierkante kilometer (figuur 7), maar dat getal neemt al jaren lang af. In 2011 was de minimale ijsbedekking slechts iets meer dan 4 miljoen vierkante kilometer. De afname van zeeijs in
het Arctisch gebied is een van de meest spectaculaire en snelle gevolgen van klimaatverandering op Aarde. Mede door verdwijnen van het zeeijs warmt het Arctisch gebied veel sneller op dan gemiddeld. Het is niet ondenkbaar dat de gemiddelde temperatuur in het Arctisch gebied in de komende eeuw met 7 of 8 graden gaat stijgen. Dit effect staat bekend als polaire versterking en is een gevolg van sterkte afname van sneeuw en ijs. Doordat witte, weerkaatsende oppervlakken (sneeuw, ijs) worden ingeruild voor zeer donkere oppervlakken (zeewater, toendra), zal meer warmte worden geabsorbeerd in de grond en het zeewater, wat weer tot meer afname van ijs en sneeuw leidt. Dit is een zeer krachtige versterking die in de afname van het zeeijs in het Arctisch gebied duidelijk tot uiting komt.
Figuur 7: Zeeijsbedekking tussen juni en oktober. Grijs = gemiddelde 1979-2000, groen = 2007 (recordminimum), blauw = 2011.
