zeeijs rond Antarctica (foto: R. Bintanja)
De toename van het zeeijs is eerder vaak verklaard door het ontstaan van het ozongat boven Antarctica of door een toename van de westenwinden rond het continent. Geen van beide mechanismen verklaart echter waarom de oceaan rond Antarctica aan het oppervlak afkoelt. Een recente studie door een team van KNMI-onderzoekers in Nature Geoscience laat zien dat een groot gedeelte van zowel de afkoeling van het oceaanwater als de toename van het zeeijs via een omweg samenhangen met de opwarming van de aarde. Warmer oceaanwater op dieptes van 150 tot 1500 meter zorgt er namelijk voor dat drijvende ijsplaten en gletsjers die in zee uitmonden sneller smelten en afkalven. Het daarbij gevormde smeltwater is zoeter en dus lichter dan het water van de Zuidelijke Oceaan en vormt een tientallen meters dikke isolerende laag bij het oppervlak, bovenop het warmere en zoutere oceaanwater. De isolerende zoetwaterlaag zorgt ervoor dat de afkoeling van het oceaanoppervlak in de winter, als de lucht kouder is dan de oceaan, over een geringere diepte plaatsvind en derhalve sterker is dan voorheen. Als gevolg daarvan ontstaat er meer zeeijs. Verdere gevolgen van een koeler oceaanoppervlak en meer zeeijs zijn dat de sneeuwval op Antarctica niet toeneemt en dat het zuidelijk halfrond langzamer opwarmt.

1. Waargenomen trends aan het zeeoppervlak
Figuur 1 laat de trend in zeeijsbedekking rond Antarctica en de zeewatertemperatuur aan het oppervlak ten zuiden van 50º zuiderbreedte zien. De toename van de hoeveelheid zeeijs is het sterkst in het winterhalfjaar, van april tot september, wanneer ook het oceaanwater afkoelt door de koude lucht erboven. Niet alleen de trends, maar ook de jaar-op-jaar variaties laten een duidelijk verband tussen de hoeveelheid zeeijs en de zeewatertemperatuur zien. In juni-augustus 2010 bereikte de hoeveelheid zeeijs een record-hoge waarde. Uit het KNMI-onderzoek dat werd opgestart naar aanleiding van dit record blijkt paradoxaal genoeg dat de opwarming van de aarde een belangrijke bijdrage levert aan de toename van het zeeijs rond Antarctica en de afkoeling van de Zuidelijke Oceaan.
Figuur 1. Links: zeeijsoppervlakte rond Antarctica (in miljoen km²) in het zomerhalfjaar (oktober-maart, boven) en het winterhalfjaar (april-september, onder). Rechts: hetzelfde voor de oppervlakte temperatuur van het zeewater ten zuiden van 50º ZB. Bron: NSIDC, NCEP.
Figuur 1. Links: zeeijsoppervlakte rond Antarctica (in miljoen km²) in het zomerhalfjaar (oktober-maart, boven) en het winterhalfjaar (april-september, onder). Rechts: hetzelfde voor de oppervlakte temperatuur van het zeewater ten zuiden van 50º ZB. Bron: NSIDC, NCEP.

2. Opwarming van de diepere oceaan en verlies van landijs
Terwijl de bovenste honderd meter van de oceaan rond Antarctica afkoelt (Figuur 1) warmt het water op dieptes groter dan 150 meter juist op (Figuur 2), net als vrijwel alle oceanen wereldwijd. Uit metingen blijkt bovendien dat de ijskap van Antarctica veel ijsmassa verliest. Het is bekend dat deze twee ontwikkelingen met elkaar samenhangen. De gletsjers en ijsplaten van Antarctica smelten vooral aan de onderkant, waar ze in aanraking komen met relatief warm zeewater. Deze gletsjers en ijsplaten zijn veel dikker dan de honderd meter waarover het zeewater afkoelt, dus de onderkant van de ijsplaten en gletsjers staat in contact met het opwarmende oceaanwater. Dit verklaart waarom de gletsjers en ijsplaten van Antarctica sneller smelten en tot ijsbergen opbreken terwijl het oppervlaktewater juist afkoelt. Doordat de hoeveelheid sneeuw die op het continent valt ongeveer gelijk blijft verliest Antarctica als geheel dus massa, ongeveer 100 gigaton (miljard ton) per jaar gemiddeld over 2003-2011, en ruwweg 150 gigaton jaar tijdens de afgelopen vijf jaar. (Deze 150 gigaton per jaar komt overeen met 0,4 mm wereldgemiddelde zeespiegelstijging per jaar.)
Figuur 2. Links: temperatuurtrends in de Zuidelijke Oceaan in het winterhalfjaar, gemiddeld rond Antarctica. Verticaal is de diepte uitgezet, horizontaal de breedtegraad (Bron: UK Met Office). Rechts: de massa van Antarctica gemeten door de GRACE satellieten. De massa neemt af, en dit gaat zelfs steeds sneller. (Bron: U.Colorado/U.Bristol).
Figuur 2. Links: temperatuurtrends in de Zuidelijke Oceaan in het winterhalfjaar, gemiddeld rond Antarctica. Verticaal is de diepte uitgezet, horizontaal de breedtegraad (Bron: UK Met Office). Rechts: de massa van Antarctica gemeten door de GRACE satellieten. De massa neemt af, en dit gaat zelfs steeds sneller. (Bron: U.Colorado/U.Bristol).

3. Gevolgen van het sneller smelten en afkalven van het landijs
Antarctica smelt dus steeds sneller af, zowel direct als indirect doordat eenmaal afgebroken ijsbergen verderop in de zee wegsmelten. Dit smeltwater vermengt zich met het zeewater, en metingen laten inderdaad duidelijk zien dat de bovenste honderd tot tweehonderd meter van de oceaan zoeter zijn geworden dan het water eronder (Figuur 3 links). Zoeter water is namelijk relatief licht. Als in het winterhalfjaar het oppervlakte afkoelt, dringt deze koude niet ver naar beneden door maar blijft in de bovenste honderd meter 'hangen'. Het zoetere laagje tussen de honderd en tweehonderd meter vormt namelijk een isolerende laag tussen de bovenste 100 meter en de diepere oceaan, wat menging van het zoete en koude oppervlaktewater met het zoutere en warmere water eronder tegengaat. Daardoor kan het oppervlak sneller afkoelen en kan er zich meer zeeijs vormen. Beneden de tweehonderd meter warmt de oceaan sneller op door de verminderde menging met de koude oppervlaktelaag (zie figuur 2).
Figuur 3: Links: verandering in zoutgehalte van het zeewater van de Zuidelijke Oceaan in het winterhalfjaar, gemiddeld rond Antarctica. De bovenste 200 meter zijn zoeter geworden, terwijl vlak onder het toenemende zeeijs juist meer zout te zien is. Rechts: de stabiliteit van het zeewater is toegenomen tussen de 100 en 200 m diepte, wat wil zeggen dat er minder uitwisseling van warmte en zout mogelijk is door deze laag heen. Daarboven neemt de stabiliteit door de sterkere afkoeling aan het oppervlakte juist af.
Figuur 3: Links: verandering in zoutgehalte van het zeewater van de Zuidelijke Oceaan in het winterhalfjaar, gemiddeld rond Antarctica. De bovenste 200 meter zijn zoeter geworden, terwijl vlak onder het toenemende zeeijs juist meer zout te zien is. Rechts: de stabiliteit van het zeewater is toegenomen tussen de 100 en 200 m diepte, wat wil zeggen dat er minder uitwisseling van warmte en zout mogelijk is door deze laag heen. Daarboven neemt de stabiliteit door de sterkere afkoeling aan het oppervlakte juist af.

Het zeewater direct onder nieuw gevormd zeeijs wordt juist zouter: alleen het oceaanwater bevriest en het zout druipt terug in zee in de vorm van pekel. Daarom is er net onder het gebied waar het zeeijs toeneemt (65º–70º ZB) juist een toename van het zoutgehalte te zien.

4. Klimaatmodellen
We hebben het hierboven geschetste mechanisme getest in ons mondiale klimaatmodel, EC-Earth. Als we in dit model de hoeveelheid smeltwater rond Antarctica laten toenemen leidt dit inderdaad tot afkoeling van het oppervlaktewater door de verminderde verticale menging in de oceaan, en ook tot een toename van de hoeveelheid zeeijs. Deze modelsimulaties bevestigen derhalve dat de toegenomen afsmelting van Antarctica leidt tot een uitbreiding van zeeijs.

Klimaatmodellen zoals die door het IPCC gebruikt worden laten echter rond Antarctica een afname van het zeeijs zien, net als in het Noordpoolgebied. In deze modellen wordt de verhoogde afsmelting en afkalving van het landijs door het warmere zeewater onder de oppervlakte nog niet meegenomen. Hierdoor ontstaat in die modellen geen extra smeltwater en dus ook geen zoetere oppervlaktelaag in de Zuidelijke Oceaan en neemt de zeewatertemperatuur ook aan het oppervlak toe, en de hoeveelheid zeeijs dus af. De ruwe uitvoer van deze klimaatmodellen bevat hier dus een systematische afwijking. Voor deze afwijking moet worden gecorrigeerd om voor het Zuidpoolgebied tot zinvolle klimaatprojecties te komen.

Tenslotte heeft de afkoeling van het oppervlak van de Zuidelijke Oceaan invloed op de zeespiegelstijging. De meeste klimaatmodellen laten een toename van de hoeveelheid sneeuw zien op Antarctica in de loop van de eenentwintigste eeuw, welke de toenemende afsmelting en afkalving deels compenseert. Dit is het gevolg van een hogere verdamping uit de opwarmende Zuidelijke Oceaan, vocht dat als sneeuw op het zeer koude Antarctica valt. Als de Zuidelijke Oceaan niet opwarmt of zelfs verder afkoelt is deze toename van de sneeuwval niet accuraat en stijgt de zeespiegel dus iets sneller dan de huidige modellen aangeven. Vooralsnog laten metingen inderdaad geen toename van de hoeveelheid sneeuwval op Antarctica zien.

5. Conclusies
De Zuidelijk Oceaan lijkt op het eerste gezicht een uitzondering te vormen op de wereldwijde opwarming: het zeewater aan het oppervlak koelt er af en de hoeveelheid zeeijs neemt toe, vooral in het winterhalfjaar. Dit blijkt paradoxaal genoeg voor een belangrijk deel juist een gevolg te zijn van de opwarming. Het diepere water, beneden de honderd meter, warmt namelijk wel degelijk op. Hierdoor smelt het landijs van Antarctica van de onderkant versneld af en kalven er ook meer ijsbergen af. Het smeltwater mengt met het oppervlaktewater, maar het mengsel blijft zoeter en dus lichter dan het water op grotere diepte, en vormt een relatief zoete toplaag. Metingen bevestigen dat de bovenste 200 meter van de Zuidelijke Oceaan inderdaad zoeter is geworden. Dit laagje zoet water koelt in de winter sneller af waardoor meer zeeijs kan vormen, en zorgt er tegelijkertijd voor dat de diepere oceaan minder warmte verliest en dus opwarmt.

De afname van de oppervlaktetemperatuur ten zuiden van 50º zuiderbreedte en de toename van het zeeijs hebben een remmende werking op de opwarming van het zuidelijk halfrond. Dit effect is niet gerepresenteerd in de klimaatmodellen die het IPCC momenteel gebruikt, zodat bij het maken van projecties in dit gebied niet alleen de ruwe uitvoer van die modellen kan worden gebruikt maar ook rekening moet worden gehouden met de resultaten van dit KNMI-onderzoek.

Nieuwsbrief
Via http://www.knmi.nl/mailinglists/kenniscentrum/mailinglist_aanmelden.html kunt u zich kosteloos abonneren op het kenniscentrum. Eens per maand ontvangt u een e-mail met een overzicht van de artikelen die de afgelopen maand op het Kenniscentrum zijn verschenen.