Achtergrond

Smeltklimaat van Groenland en Antarctica

In het Internationale Pooljaar (IPY, 2007-2008) is er veel belangstelling voor de ijskappen van Groenland en Antarctica. Deze enorme ijsmassa’s reageren namelijk veel dynamischer op klimaatverandering dan tot voor kort werd aangenomen.

Dat betekent dat ijskapmodellen op de helling moeten, en de onderzoekers weer het veld in om te meten. Ook de meteorologische component van dit onderzoek is volop in beweging, met name als het gaat om de bepaling van de smeltwaterproductie aan het ijsoppervlak. Het ontbreken van een dicht waarnemingsnet op de ijskappen bemoeilijkt de studie van het smeltklimaat echter aanzienlijk. Regionale klimaatmodellen en automatische weerstations moeten uitkomst bieden. 

MODIS opname van de smeltzone van de west-Groenlandse ijskap, met daarin aangegeven hoogtelijnen en de positie van drie IMAU automatische weerstations

Externe forcering

De ijskappen van Groenland en Antarctica bevatten genoeg water om wereldwijd de zeespiegel met gemiddeld 7, respectievelijk 57 m te laten stijgen. In het derde IPCC rapport uit 2001 werd de bijdrage van de grote ijskappen aan zeespiegelstijging over de 20e eeuw netto op nul geschat, maar in het vierde rapport dat in het voorjaar van 2007 uitkwam wordt ongeveer 15% van de huidige (1993- 2003) zeespiegelstijging van 2.8 mm per jaar toegeschreven aan massaverlies van de ijskappen van Groenland en Antarctica. De voornaamste oorzaak is dat zowel in Groenland als in Antarctica grote, snelstromende gletsjers die het ijs van de ijskap naar de zee afvoeren, in de afgelopen decade sneller zijn gaan bewegen. Daardoor zijn deze gletsjers ook dunner geworden, soms met tientallen meters per jaar, en zich gaan terugtrekken. De ijskappen lijken dus in beweging te zijn gekomen, en doen dat met een dynamiek die alle glaciologen heeft verrast.

Sommige gletsjers op Aarde vertonen van nature sterke schommelingen in hun stroomsnelheid. Dit worden surging gletsjers genoemd. Dat dit niet de oorzaak is van de recente gebeurtenissen in Groenland en Antarctica, volgt uit het feit dat naburige gletsjers min of meer tegelijkertijd zijn versneld. Dat betekent dat er sprake is van een externe forcering, hoogstwaarschijnlijk een warmer wordende oceaan en/of atmosfeer. 

De rol van afsmelting

De atmosfeer lijkt een belangrijke rol te spelen in deze recente veranderingen. Al in 2002 berichtten we in Meteorologica over het snelle opbreken van ijsplaten (ook wel ijsplateau’s, Engels: Ice Shelves) in het Antarctisch Schiereiland (Vanden Broeke, 2002). IJsplaten zijn de
drijvende extensies van de ijskap; met hun verdwijnen stijgt de zeespiegel niet, maar wordt het voor de op land gelegen gletsjers makkelijker om de zee in te stromen. Gletsjers die in de Larsen B ijsplaat uitstroomden verhoogden hun stroomsnelheid na het opbreken van de ijsplaat met een factor twee tot acht (Rignot et al., 2004; Scambos et al., 2004). Daarmee is ook Antarctica significant gaan bijdragen aan zeespiegelstijging, in contrast met de voorspellingen dat de Antarctische ijskap zal groeien in een warmer klimaat vanwege de toenemende hoeveelheid sneeuwval. Het is kortgeleden vastgesteld dat de totale hoeveelheid sneeuwval op Antarctica in de afgelopen vijftig jaar niet noemenswaardig is toegenomen (Monaghan et al., 2006).

De meest waarschijnlijke verklaring voor het opbreken van de ijsplaten in Antarctica is de vorming van smeltwatermeren aan het oppervlak. Door de waterdruk kunnen bestaande gletsjerspleten dieper worden en een ijsplaat in zijn geheel doorklieven. Vervolgens kapseizen de fragmenten waardoor in betrekkelijk korte tijd de gehele ijsplaat opbreekt (MacAyeal et al., 2003). Ruwe berekeningen gebaseerd op de weinige beschikbare meteorologische gegevens in dit gebied bevestigen dat voorafgaand aan het opbreken van de Larsen B ijsplaat in 2002 de afsmelting aan het oppervlak drie keer zo sterk was als het gemiddelde van de vijf voorgaande zomers (figuur 1, Van den Broeke, 2005). Nou lijkt een afsmelting van 40 cm per jaar niet dramatisch, als men bedenkt dat in de ablatiezone van de Groenlandse ijskap elk jaar vier meter ijs afsmelt! Maar voor de Larsen B ijsplaat was het precies voldoende om de gletsjerspleten voor minstens 90% met water te vullen (Sergienko en MacAyeal, 2005), waardoor het proces van opbreken in gang werd gezet.

Figuur 1. Berekende afsmelting op de Larsen C ijsplaat, gelegen op ongeveer 200 km ten zuiden van de voormalige Larsen B ijsplaat die in maart 2002 opbrak (aangegeven met grijze balk). Bron: Van den Broeke, 2005.

Zoals gezegd, de hoeveelheid afsmelting aan het oppervlak van de Groenlandse ijskap is vele malen groter dan in Antarctica, en daardoor eindigt de ijskap net als valleigletsjers veeleer op het land, in plaats van in de zee, zoals op Antarctica. Vanuit de ruimte is de smeltzone van de Groenlandse ijskap aan het einde van de zomer te herkennen aan zijn vaalgrijze kleur, waar de laag meerjarige sneeuw is weggesmolten en het gletsjerijs aan de oppervlakte komt (figuur 2). De lichtblauwe strook is smeltwater dat is herbevroren in het sneeuwpakket, wat superimposed ice wordt genoemd.

Figuur 2. MODIS opname van de smeltzone van de west-Groenlandse ijskap, met daarin aangegeven hoogtelijnen en de positie van drie IMAU automatische weerstations.

Ook in Groenland betekent meer afsmelting een snellere ijsstroming, maar via een ander, directer mechanisme dan in Antarctica. GPS metingen gecombineerd met weerstations laten zien dat de ijskap vrijwel instantaan versnelt als de afsmelting aan het oppervlak toeneemt(Zwally et al., 2002). Dit kan alleen worden verklaard met het doordringen van oppervlakte-smeltwater naar de basis van de ijskap via zogenaamde moulins, vertikale kanalen die voor smeltwater een snelle verbinding tussen het oppervlak en de basis van de ijskap betekenen (figuur 3, zie voorzijde). Als onder de ijskap eenmaal nieuwe horizontale kanalen zijn gevormd, komt de ijskap weer op de bodem te rusten en vertraagt de stroming. Dit proces kan zich per smeltseizoen verschillende malen herhalen.

Regionaal modelleren van het ijskapklimaat

Om meer inzicht te krijgen in de verdeling in ruimte en tijd van afsmelting op de ijskappen zijn in 1995 het IMAU en KNMI gaan samenwerken om het klimaat van Antarctica en Groenland te modelleren. In de tussenliggende 12 jaar is met het regionale klimaatmodel RACMO en de opvolger RACMO2 goede vooruitgang geboekt. Figuur 4 laat de afsmelting zien zoals RACMO2 die berekent voor Antarctica (gemiddeld voor de periode 1980-2004, horizontale resolutie 55 km). Boven de ijsplaten van het Antarctisch Schiereiland berekent RACMO2 een gemiddelde afsmelting van 300 – 600 mm, in goede overeenstemming met figuur 1. Maar het model onthult dat er nog veel meer ijsplaten zijn waar significante afsmelting plaatsvindt. Deze informatie is onmisbaar om toekomstige, verbeterde ijskapmodellen te voorzien van een bovenste randvoorwaarde als het gaat om smeltwaterproductie. 

Figuur 4. Met RACMO2 gemodelleerde hoeveelheid jaarlijkse afsmelting in mm water equivalent (1980-2004). Let op de niet-lineaire schaal! Bron: Van de Berg et al., 2006.

Om een run boven Groenland mogelijk te maken is RACMO2 recentelijk uitgebreid met een sneeuwpakket dat is opgebouwd uit tientallen discrete lagen. Hiermee is het mogelijk geworden om smeltwater te laten herbevriezen in het sneeuwpakket. Dit is een belangrijk proces: het betekent immers dat een deel van het ijs verschillende malen moet worden gesmolten voordat het water uiteindelijk de ijskap afstroomt. Dit kost veel extra energie die voornamelijk aan de atmosfeer wordt onttrokken. In december 2007 is een eerste run met RACMO2 (1988-2007) boven Groenland afgerond. Deze run is gedraaid op een horizontale resolutie van 11 km, hetgeen nodig wordt geacht om het 20-100 km smalle smeltgebied in voldoende mate op te lossen. Deze hoge resolutie levert spectaculaire resultaten op. 

Een sprekend voorbeeld is de verdeling van sneeuwval (figuur 5, zie achterzijde) die zeer sterk afneemt van de zuidoostkust, waar jaarlijks tot tien meter sneeuw valt, naar het droge centrale plateau in het noordoosten, waar per jaar slechts enkele decimeters valt. Duidelijk is dat, net als in Antarctica, de atmosferische circulatie een bepalende rol speelt in de neerslagverdeling over de ijskap. Daar waar de stroming naar de ijskap toe is gericht, valt de meeste sneeuw. Aan de lijzijde is het droog.

Automatisch weerstations

Aan de randen van Groenland en Antarctica vinden we dus de meeste neerslag en ook de sterkste afsmelting. Hier bevinden zich ook de ijsplaten en snelstromende gletsjers. Alles wijst er op dat het klimaat van deze gebieden bepalend is voor de Figuur 2. MODIS opname van de smeltzone van de west-Groenlandse ijskap, met daarinhuidige en toekomstige massabalans van de ijskappen. Helaas zijn juist van deze gebieden weinig waarnemingen beschikbaar om de modellen te toetsen. Om dit te verbeteren begonnen technici van het IMAU in 1985 met het ontwerpen van Automatische Weer Stations (AWS) die kunnen worden ingezet in het smeltgebied van ijskappen en gletsjers. Een belangrijke vondst was de ‘vierpoot’, een constructie waardoor het station mee kon zakken met het smeltende sneeuw/ijsoppervlak. Inmiddels zijn al op meer dan 15 locaties op Groenland en Antarctica AWS met een vierpoot operationeel geweest, zonder noemens- waardige problemen met de constructie. 

De AWS-meetreeksen vertonen ook opvallend weinig hiaten. In tegenstelling tot wat men vaak denkt, is het opereren van een AWS op Antarctica en Groenland gemakkelijker dan op gletsjers elders. Op plaatsen waar de temperatuur gedurende het hele jaar door in beide richtingen door het vriespunt beweegt, zoals op IJsland, Svalbard en in Noorwegen, zijn vele pogingen om automatische metingen te doen gestrand op ijsvorming op sensoren en mastdelen. Op de Groenlandse en Antarctische ijskappen zijn de condities in dat opzicht veel gunstiger. Op Antarctica is de temperatuur in de regel beneden het vriespunt, ook in de zomer, en blijft de vochtinhoud van de lucht laag. Op Groenland vindt weliswaar afsmelting plaats, maar in de regel is de overgang van vorst naar dooi en andersom tamelijk abrupt, waarna de luchttemperatuur vervolgens boven/onder het vriespunt blijft. 

De condities worden nog verder verbeterd door het föhnachtige karakter van de katabatische winden op Antarctica en Groenland. De dalende luchtbeweging houdt de relatieve vochtigheid laag, waardoor ook rijpvorming in de meeste gevallen geen kans krijgt. Hierdoor is het zelfs mogelijk gebleken betrouwbare stralings,- en vochtmetingen te doen, gegevens die cruciaal zijn voor het berekenen van afsmelting. 

Doordat de IMAU AWS zijn uitgerust met een groot assortiment sensoren, aangevuld met gedetailleerde experimenten ter plekke, kan de oppervlakte-energiebalans worden gesloten, en daarmee de hoeveelheid afsmelting worden berekend. Deze kan vervolgens worden vergeleken met de hoogteverandering van het ijsoppervlak zoals gemeten met een sonische hoogtemeter. Figuur 6 laat een voorbeeld zien van de door drie IMAU AWS in het smeltgebied van de west-Groenlandse ijskap gemeten sneeuwval en afsmelting (zie figuur 2). Zoals is te zien neemt de afsmelting zeer snel toe van ~ 0 op S9 (90 km van de rand) naar netto vier meter ijs afsmelting op S5 (8 km van de rand). De met behulp van de AWS-gegevens berekende afsmelting is in goede overeenstemming met de gemeten afsmelting, hetgeen betekent dat we de energie uitwisseling tussen atmosfeer en ijskap nu goed begrijpen. Deze kennis wordt natuurlijk ingezet om de afsmelting zoals berekend in het regionale model RACMO2 te toetsen en waar nodig te verbeteren. 

Figuur 6. Gemeten relatieve verandering van het sneeuw- ijsoppervlak op drie locaties in west-Groenland. Ontbrekende data op S6 in 2005 zijn met behulp van een smeltmodel geïnterpoleerd.

Plannen voor de toekomst

Momenteel zijn er drie IMAU AWS operationeel op Groenland en vier op Antarctica. Het vergt veel geld en mankracht om deze stations operationeel te houden, maar de waardevolle gegevens van de AWS compenseren dit ruimschoots. In Antarctica zullen in 2008 zelfs vier nieuwe stations worden bijgeplaatst. In het kader van het IPY zullen door een Noors-Amerikaanse trans-Antarctica traverse twee AWS worden neergezet op de locatie van de voormalige stations Plateau (USA) en Polus Nedostupnosti (pool van relatieve onbereikbaarheid, voormalige Soviet Unie). Deze bases, gelegen op meer dan 3600 m hoogte, versterkten in het tijdperk van de koude oorlog de Amerikaanse en Russisiche aanspraak op het binnenland van Antarctica. Nu vormen deze extreem droge en koude (tot -90°C) plekken de mogelijke locaties voor een nieuwe, diepe ijsboring. Na het succes van het European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) hoopt men hier het klimaat en de atmosfeersamenstelling tot meer dan een miljoen jaar terug met grote nauwkeurigheid te kunnen reconstrueren. 

Ook zullen twee AWS worden neergezet op het nog overblijvende deel van de Larsen ijsplaat op het Antarctisch schiereiland. Hiermee hopen we de smeltprocessen en de interactie met de stabiliteit van de ijsplaat te bestuderen. Het regionaal klimaatmodel RACMO zal tegelijkertijd worden ingezet om op zeer hoge resolutie, vergelijkbaar met die boven Groenland (11 km), de afsmelting in het Antarctisch schiereiland te simuleren, gebruik makend van de nieuwe AWSdata. Als randforcering kan daarvoor de run op 55 km worden gebruikt, waarvan de kwaliteit inmiddels is getoetst en goed bevonden.

Literatuur 

MacAyeal, D. R., T. A. Scambos, C. L. Hulbe, M. A. Fahnestock, 2003: Catastrophic ice-shelf break-up by an iceshelf- fragment-capsize mechanism, Journal of Glaciology 49 (164), 22-36.
Monaghan, A. J. and 15 others, 2006: Insignificant Change in Antarctic Snowfall Since the International Geophysical Year, Science 313, 827-831.
Rignot, E., G. Casassa, P. Gogineni, W. Krabill, A. Rivera, and R. Thomas, 2004: Accelerated ice discharge from the Antarctic Peninsula following the collapse of the Larsen B ice shelf, Geophysical Research Letters 31, L18401. Sergienko, O. and D. R. Macayeal, 2005: Surface melting on Larsen Ice Shelf, Antarctica, Annals of Glaciology 40 (1), 215-218.
Scambos, T. A., J. A. Bohlander, C. A. Shuman and P. Skvarca, 2004: Glacier acceleration and thinning after ice shelf collapse in the Larsen B embayment, Antarctica, Geophysical Research Letters 31, L18402.
Van de Berg, W. J., M. R. van den Broeke and E. van Meijgaard, 2006: Reassessment of the Antarctic surface mass balance using calibrated output of a regional atmospheric climate model, Journal of Geophysical Research 111, D11104.
Van den Broeke, M. R., 2002: Antarctisch alarm, Meteorologica 11, 4-7. Van den Broeke, M. R., 2005: Strong melting preceded collapse of Antarctic ice shelf, Geophysical Research Letters 32, L12815.
Zwally, H. J., W. Abdalati, T. Herring, K. Larson, J. Saba and K. Steffen, 2002: Surface Melt-Induced Acceleration of Greenland Ice-Sheet Flow, Science 297, 218–222.

Niet gevonden wat u zocht? Zoek meer achtergrond artikelen