Klimaat en massabalans van de Groenlandse en Antarctische ijskappen Kleine ijskristallen (diamond dust) zweven in de lucht boven het Antarctische plateau, tijdens een meteorologisch experiment op Kohnen-station, januari 2002. De kabelballon werd gebruikt om verticale profielen van temperatuur, luchtvochtigheid en wind in de onderste 500 meter te meten.
Het meeste landijs op aarde bevindt zich in de grote ijskappen van Groenland en Antarctica. Deze twee giganten bevatten voldoende water om wereldwijd de zeespiegel met meer dan 60 meter te laten stijgen, vergeleken met 0,4 meter voor alle andere gletsjers samen. Door middel van satellieten, automatische weerstations en regionale klimaatmodellen leren we steeds meer over het klimaat en de massahuishouding van deze grote ijskappen en welke rol ze spelen in de huidige stijging van de zeespiegel. In dit artikel bespreken we het extreme klimaat van Groenland en Antarctica, evenals enkele recente inzichten met betrekking tot hun massabalans.
D
e ijskappen worden gevormd op plaatsen waar gedurende enkele eeuwen de sneeuw in de zomer niet wegsmelt. Als de sneeuwlaag 70 tot 120 meter dik is geworden, worden onder invloed van het bovenliggende gewicht de luchtkanaaltjes tussen de ijskristallen van de atmosfeer afgesloten, en wordt gletsjerijs gevormd (zie foto 1). Onder invloed van de
488
ZENIT NOVEMBER 2009
zwaartekracht deformeert dit ijs, waardoor het zijwaarts en naar beneden stroomt, net zolang tot de rand van de landmassa is bereikt, waar vervolgens ijsbergen afbreken (Antarctica) of de temperatuur hoog genoeg is om in de zomer het ijs weg te smelten (Groenland). Het gebied waar jaarlijks netto massa bijkomt, heet het accumulatiegebied. Het gebied waar netto massa verdwijnt
wordt het ablatiegebied genoemd en de overgang tussen accumulatie- en ablatiegebied heet de evenwichtslijn. Vanuit de ruimte is tijdens de zomer duidelijk te zien dat de Groenlandse ijskap op veel plaatsen op het land eindigt (foto 2). In Antarctica is het echter te koud om veel ijs te smelten: de Antarctische ijskap verliest zijn massa voornamelijk door het afbreken van grote tafelijsbergen. De massabalans van de ijskap is de som over de gehele ijskap van alle accumulatie- en ablatieprocessen. Als er gedurende langere tijd gemiddeld jaarlijks evenveel sneeuw op de ijskap valt (accumulatie) als er verdwijnt door het afkalven van ijsbergen en door sublimatie en smelt (ablatie), dan is de ijskap in evenwicht met het klimaat. Maar als een van de processen gedurende langere tijd domineert, zal de ijskap kleiner worden of juist groter en stijgt respectievelijk daalt de zeespiegel.
Extreme temperaturen
Door hun uitgestrektheid en uniforme witte oppervlak creëren grote ijskappen een geheel eigen klimaat. Het grootste deel van de ijskap is bedekt met sneeuw, die 70 tot meer dan 90% van de invallende zonnestraling (kortgolvige straling) weerkaatst. Tegelijkertijd zendt de dunne, koude en droge polaire atmosfeer maar weinig terrestrische (langgolvige) straling naar het oppervlak. Het resultaat is dat de jaargemiddelde stralingsbalans aan het oppervlak van de grote ijskappen negatief is: een uniek verschijnsel op aarde (figuur 3). Om dit energieverlies te compenseren wordt door turbulente menging voelbare warmte ontrokken aan de onderste lagen van de atmosfeer. Hierdoor ontstaat een sterke temperatuurinversie, waarin de temperatuur toeneemt met de hoogte, vergelijkbaar met de situatie tijdens een heldere nacht boven een sneeuwdek op gematigde Foto 2: M ODIS satellietopname van ZuidGroenland aan het einde van de zomer, als de sneeuw op de toendra grotendeels is gesmolten. (Bron: NASA)
Figuur 3: mondiale verdeling van het jaargemiddelde netto straling aan het aardoppervlak, in W m-2.
Michiel van den Broeke Foto 1: transformatie van sneeuw naar gletsjerijs: ijsstructuur op verschillende dieptes.
Michiel van den Broeke (1968) is hoogleraar Polaire Meteorologie aan de Universiteit Utrecht en werkt als onderzoeker bij het Instituut voor Marien en Atmosferisch Onderzoek Utrecht (IMAU). ZENIT NOVEMBER 2009
489
breedten. De sterkte van de inversie is gedefinieerd als het verschil tussen de temperatuur dichtbij het aardoppervlak en de maximale temperatuur in het profiel. Omdat het stralingstekort zo persistent is, kan gedurende de maandenlange poolnacht de Antarctische temperatuurinversie 40 graden bedragen over een hoogteverschil van slechts enkele honderden meters. Figuur 4 laat een voorbeeld zien voor Vostok, een Russische basis op 3600 meter hoogte gelegen in Oost Antarctica. Vostok bezit het record van de laagste temperatuur die ooit nabij het aardoppervlak is gemeten, -89, 2°C op 21 juli 1983. Dit record ging gepaard met een goed ontwikkelde temperatuurinversie in combinatie met koude bovenlucht en lage windsnelheden, een toestand die enkele weken aanhield. Aan de kust van Antarctica is de inversie minder sterk: figuur 4 laat ook temperatuurprofielen zien die zijn gemeten op Mawson, een Australisch station aan de voet van de ijskap. Meer wolken en een warmere en vochtiger atmosfeer beperken hier het stralingstekort en daarmee de afkoeling.
Katabatische winden Figuur 4: vertikale temperatuurprofielen boven twee Antarctische stations (Vostok en Mawson) tijdens de winter (juli).
De temperatuurinversie vertegenwoordigt een dunne, koude luchtlaag boven het uitgestrekte ijskapoppervlak. Afgezien van locale toppen heeft het ijskapoppervlak
Klimaatonderzoek in de Poolgebieden Het Instituut voor Marien en Atmosferisch onderzoek van de Universiteit Utrecht (IMAU) doet al meer dan 20 jaar lang meteorologisch en glaciologisch onderzoek in Svalbard, IJsland, Noorwegen, Groenland en Antarctica. De logistieke uitdagingen zijn voor elke plek anders. Svalbard is gemakkelijk te bereiken met een lijnvlucht die je via Tromsø in Noorwegen naar Longyearbyen op het eiland Spitsbergen brengt. Maar scheepvaart wordt gedurende een groot deel van het jaar bemoeilijkt door zeeijs, en het sturen van zware apparatuur per schip moet daarom lang van tevoren gebeuren. Op ongeveer 80° NB is Svalbard echt Arctisch, met sneeuw tot in juni en zelfs in april en mei nog diepvriestemperaturen tot -30°C. Ook teisteren regelmatig sneeuwstormen het gebied, waarbij de temperatuur ook midden in de winter kan oplopen tot boven het vriespunt. Het grootste probleem op Svalbard is dan ook ijsaangroei, wat het opereren van automatische meetplatforms bemoeilijkt. Kamp in Svalbard na een sneeuwstorm in mei 2005.
490
ZENIT NOVEMBER 2009
Logistieke ondersteuning op Svalbard wordt verleend door het Noors Poolinstituut, dat op verschillende plekken depots heeft voor kleding en velduitrusting. Met sneeuwscooters wordt het materiaal naar de plaats van bestemming gebracht, maar niet voordat de deelnemers een ‘ijsberentraining’ hebben gedaan: het leren omgaan met een geweer en alarmpistool om in een onverhoopte confrontatie met een ijsbeer niet met lege handen te staan. Rondom het tentenkamp worden zogeheten tripwires aangelegd - die steevast door de expeditieleden zelf worden vergeten en geactiveerd. In west Groenland heeft het IMAU al sinds 1990 een meetprogramma waar elk jaar het klimaat, de afsmelting en de beweging van de ijskap wordt gemeten. Dit is momenteel de langste meetreeks op de Groenlandse ijskap. Ook Groenland is met lijnvluchten via Kopenhagen of IJsland gemakkelijk te bereiken. Maar de ijskap zelf is zo uitgestrekt en het oppervlak dicht bij de ijsrand zo ruw dat het meetprogramma alleen met behulp van helicopters kan worden uitgevoerd. Omdat hier in het ablatiegebied wordt gewerkt, zijn de automatische weerstations zo ontworpen dat ze vrij staan en met het smeltende oppervlak mee naar beneden bewegen, tot wel vier meter per jaar. Veldwerk in Antarctica biedt de grootste logistieke uitdaging. Omdat Nederland zelf geen onderzoeksstation op Antarctica heeft wordt wetenschappelijke samenwerking gezocht met buitenlandse partners. Vanaf 1992 werkt het IMAU in Dronning Maud Land samen met Zweden (stations: Wasa en Svea), Finland (Aboa), Noorwegen (Troll), Duitsland (Neumayer en Kohnen) en sinds kort ook met België, dat recent het nieuwe Prinses Elisabeth station heeft geopend. Dronning Maud Land is gelegen onder Zuid-Afrika en in de jaren negentig ging transport van materiaal en personeel per schip vanaf Kaapstad. De reis duurt normaal gesproken ongeveer twaalf dagen, maar als de zeeijs condities slecht zijn kan dit zomaar het dubbele worden. Soms is het zeeijs zo dik dat stations het hele seizoen niet per schip kunnen worden bevoorraad,
overal een kleine helling, die varieert van minder dan 1/1000 in het binnenland tot typisch 1/100 dichtbij de kust. Hierdoor zal de koude luchtlaag, die relatief zwaar is, naar de randen van het continent gaan stromen, onder invloed van het Coriolis-effect afgebogen naar links (Antarctica) of naar rechts (Groenland). Dit resulteert in uiterst krachtige en constante winden nabij het aardoppervlak, de zogenaamde katabatische circulatie. De helling is zo bepalend voor de forcering dat katabatische winden altijd uit dezelfde richting komen, vergelijkbaar met de passaatwinden in de subtropen (figuur 5). Noord-zuid gerichte valleien in de ijstopografie van Antarctica kanaliseren de katabatische winden, waardoor ze lokaal nog sterker worden. Cape Denison, aan de voet van de ijskap in Commonwealth Bay in Adélie Land, is daarom voor zover bekend de plek op aarde met de hoogste gemiddelde windsnelheid nabij het aardoppervlak. Toen Sir Douglas Mawson in 1912 op deze plek een basis bouwde, wist hij nog niet wat hem te wachten stond; met een gemiddelde windsnelheid van 11,7 m s-1 zou de eerste maand de rustigste zijn. Meteorologische waarnemingen op zijn basis begonnen op 1 februari 1912, en eindigden 15 december 1913. De gemiddelde windsnelheid voor de gehele periode was 19,8 m s-1 en de hoogste maandgemiddelde windsnelheid was 24,9 m s-1
Figuur 5: jaargemiddelde windvector op tien meter hoogte en directionele constantheid (kleuren). De directionele constantheid is gedefinieerd als de verhouding tussen jaargemiddelde vector-windsnelheid en absolute windsnelheid.
S5
zoals het geval was met de Britse basis Halley in 2001 en 2002. Sinds 2009 doet het IMAU ook metingen op het Antarctisch Schiereiland, in samenwerking met de British Antarctic Survey. Tegenwoordig is er een luchtverbinding via het DROMLAN-netwerk. Aan de rand van de Antarctische ijskap zijn de temperaturen in de zomer gematigd, tussen 0°C en -20° C. Hier valt typisch een meter sneeuw per jaar en de mast van de automatische weerstations moet dan ook regelmatig worden verlengd. In het binnenland is het veel droger en zonniger, maar op de ijskap boven 3000 meter komt de temperatuur in de zomer nog maar zelden boven -20°C; in februari wordt alweer -45°C gemeten, en wordt het voor mensen te koud om buiten te werken: het korte seizoen is afgelopen. Ook hier zorgen automatische stations voor continuering van de meetreeksen in de rest van het jaar; in de winter dalen de temperaturen bij het oppervlak tot onder de -80°C. Data van de IMAU AWS zijn te bekijken op www.phys.uu.nl/~wwwimau/research/ice_climate/aws/
S6
S9
Automatisch weerstation op de Larsen C ijsplaat in het Antarctisch Schierieland, met een De Haviland Twin Otter van de British Antarctic Survey, januari 2009.
IMAU automatische weerstations in het smeltgebied van de Groenlandse ijskap, op 7 km (S5), 40 km (S6) en 80 km (S9) van de ijsrand, augustus 2006.
ZENIT NOVEMBER 2009
491
voor juli 1913. Op 16 augustus van dat jaar heerste een gemiddelde windsnelheid van 36 m s-1, meer dan orkaankracht gedurende 24 uur! Windstoten van meer dan 70 m s-1 kwamen vaak voor. Mawson en zijn meteoroloog Madigan over de extreme constantheid van de wind: ‘Hour after hour the anemometer record would not vary more than a few miles, perhaps two or three, and often several consecutive hours gave exactly the same figure’. Ondanks de enorme kracht en persistentie van de winden traden soms vreemde windstiltes op, terwijl verder de helling op de orkaan doorraasde, duidelijk hoorbaar als een laag donderend geluid in de verte. Een verklaring hiervoor werd gevonden in zogenaamde hydraulic jumps waarin de ondiepe katabatische laag zich moet aanpassen aan de atmosfeer stroomafwaarts, vergelijkbaar met de stroming van ondiep water over een rots. Sommige kustplaatsen in oost Groenland kennen een vergelijkbaar windklimaat en zijn berucht vanwege het plotseling opsteken van katabatische stormen, die daar Piteraqs worden genoemd.
Massaverlies en zeespiegelstijging
Ondanks hun enorme potentieel voor toekomstige zeespiegelveranderingen is het lang onduidelijk gebleven of de ijskappen van Groenland en Antarctica in balans waren met het huidige klimaat. In het IPCC-rapport van 2001 werd de netto bijdrage van de grote ijskappen aan de toenmalige zeespiegelstijging nog op nul gesteld. In het IPCC-rapport van 2007 werd weliswaar een positieve bijdrage berekend, maar die bedroeg slechts 0,4 mm per jaar (1993-2003). Inmiddels is duidelijk dat een belangrijk deel ( circa 30%) van de huidige zeespiegelstijging van 3 millimeter per jaar kan worden verklaard door het verlies van ijs van Groenland en Antarctica, een fractie die vergelijkbaar is met de bijdrage van kleine ijskappen en gletsjers. Het resterende deel is afkomstig van de thermische expansie van zeewater.
Zwaartekracht
Het bewijs dat de ijskappen van Groenland en Antarctica jaarlijks massa verliezen werd ondubbelzinnig geleverd door de Gravity and Climate Mission (GRACE). GRACE is een tandem-satelliet die sinds 2002 nauwkeurig het zwaartekrachtveld van de aarde in kaart brengt. De satelliet was ontworpen om drie jaar te meten, maar is nog steeds operationeel, hetgeen onderzoekers in staat heeft gesteld de veranderingen in het zwaartekrachtveld als ge-
Figuur 6: een kaart van het massaverlies, gemaakt met behulp van de GRACE-gegevens, in centimeters water per jaar, voor de periode 20032008. (Bron: Bert Wouters, Technische Universiteit Delft) 492
ZENIT NOVEMBER 2009
volg van massaveranderingen over de periode 2002-2008 te bepalen. Figuur 6 laat deze massaveranderingen zien, uitgedrukt in cm water per jaar, equivalent met een jaarlijks massaverlies van 100 kilogram per vierkante meter. De grootste massaverliezen werden gedurende deze periode waargenomen in de kustgebieden van zuidoost en westelijk Groenland, Alaska, het Antarctisch Schiereiland en de West- Antarctische ijskap. In al deze gebieden is sprake van massaverlies door het kleiner worden van gletsjers en ijskappen. Ook zijn er gebieden waar de massa is toegenomen: boven Canada en Scandinavië is dit een signatuur van het verdwijnen van de Laurentische en Fennoscandinavische ijskappen die daar tijdens de laatste ijstijd waren gevormd. Nadat deze ijstijd circa 23,000 jaar geleden op zijn einde liep, smolten deze ijskappen in een tijdsbestek van ongeveer 10.000 jaar, hetgeen nu nog de aardkorst doet terugveren met snelheden tot 1,5 centimeter per jaar. Vloeibaar gesteente, met een dichtheid typisch drie keer groter dan die van ijs, neemt onder de aardkorst het vrijkomende volume in, hetgeen door GRACE wordt gedetecteerd als een massatoename. De massatoename in sommige delen van Antarctica is het gevolg van toegenomen sneeuwval. In andere, niet vergletsjerde gebieden hangen de signalen vaak samen met veranderingen in de hoeveelheid bodemwater. De bipolaire structuur van massaverlies en massawinst bij Sumatra is het gevolg van massaherverdeling die plaatsvond als gevolg van de zware aardbeving van 26 december 2004.
Regionale klimaatmodellen
Het nadeel van GRACE is dat de resolutie te laag is om het massaverlies van specifieke gletsjerbekkens te berekenen. Bovendien maakt GRACE geen onderscheid in massaverlies door afkalving of door smelt en gaat de tijdreeks maar terug tot 2002. Dit bemoeilijkt de zoektocht naar oorzaak en gevolg. Een onafhankelijke methode om massaverlies van ijskappen te kwantificeren is de budget-methode, waarin per gletsjerbekken de accumulatie wordt vergeleken met ablatie en ijsbergproductie. Dit vergt een nauwkeurige schatting van de hoeveelheid sneeuwval en afsmelting, hetgeen alleen met een regionaal atmosfeermodel op hoge resolutie kan worden bereikt. In een langjarige samenwerking tussen de Universiteit Utrecht en het KNMI is een dergelijk model ontwikkeld, waarvan de resultaten zijn vergeleken met ijsbergproductie zoals bepaald met satellieten. Het resultaat voor Antarctica (figuur 7) laat kwalitatief en kwantitatief goede overeenkomst zien met het signaal in GRACE (figuur 6) Net als in GRACE is het massaverlies geconcentreerd in het kustgebied van West-Antarctica en het Antarctisch Schiereiland, maar met de budget methode is nu een nauwkeurige onderverdeling van het massaverlies in gletsjerbekkens mogelijk. Voor het jaar 2006 wordt het totale massaverlies geschat op circa 200 Gt, equivalent met 0,7 millimeters zeespiegelstijging per jaar. De resultaten voor Groenland laten een soortgelijk massaverlies zien, geconcentreerd in zuidoost en west Groenland, ook in overeenstemming met de metingen van GRACE. Voor het Antarctisch Schiereiland is het inmiddels duidelijk waarom de gletsjers massa verliezen: dit gebied is in de laatste decennia sterk opgewarmd, en daarmee zijn drijvende ijsplaten gaan opbreken. Deze ijsplaten zijn de drijvende extensies van de ijskap en fungeren als buffer voor de gletsjers op het vasteland en hun opbreken vergemakkelijkt de uitstroming in zee. Waarom de West-Antarctische ijskap massa verliest is nog onbekend, maar omdat in dit gebied geen grote ijsplaten liggen denkt men
aan een warmer wordende oceaan die de drijvende gletsjertongen van onderen erodeert, waardoor ze sneller zijn gaan stromen. De West Antarctische ijskap, in volume vergelijkbaar met Groenland, moet goed in de gaten worden gehouden, want hij rust grotendeels op rotsbodem beneden zeeniveau en kan zich daarom niet terugtrekken naar hoger gelegen gebied. Dit betekent dat op de langere tijdschalen (eeuwen) de mogelijkheid van een versnelde afsmelting van de West-Antarctische ijskap niet kan worden uitgesloten. Ook in Groenland zijn sommige gletsjers sneller gaan stromen, maar hier blijkt de rol van atmosferische opwarming en toegenomen smelt groter te zijn dan eerst werd aangenomen; de nieuwste gegevens worden nog geanalyseerd.
Fysische mechanismen
Het klimaat van de ijskappen van Groenland en Antarctica wordt gekenmerkt door barre koude en sterke winden. Ondanks hun diepvriesklimaat zijn deze grote ijsmassa’s niet immuun voor klimaatveranderingen, integendeel: de laatste jaren hebben duidelijk gemaakt dat
Figuur 7: ijssnelheid in Antarctica (paarstinten) en massawinst /verlies per gletsjerbekken (rode en blauwe bollen), zoals bepaald met de massa-budget methode.
deze ijskappen veel dynamischer op externe forceringen reageren dan tot voor kort voor mogelijk werd gehouden. Satellietwaarnemingen gecombineerd met data van regionale klimaatmodellen hebben onomstotelijk aangetoond dat de grote ijskappen van Groenland en Antarctica massa verliezen en voor een belangrijk deel ( circa 30%) de huidige zeespiegelstijging verklaren. De volgende stap zal het verklaren van de onderliggende fysische mechanismen zijn, waarmee een model kan worden gemaakt dat de interactie van de ijskappen met de atmosfeer en oceaan beschrijft. Pas met een dergelijk model zullen we in staat zijn om wetenschappelijk goed onderbouwde voorspellingen te doen van het toekomstig gedrag van de ijskappen van Groenland en Antarctica en wat dat voor invloed heeft op de mondiale zeespiegel. En, misschien nog wel het belangrijkst, op welke tijdschaal die veranderingen zich zullen voltrekken. ZENIT NOVEMBER 2009
493
