Kantelpunten in het smeltgedrag van ijskappen

De ijskappen aan de rand van Groenland zijn de afgelopen jaren verrassend snel gesmolten. Langer geleden, in 2002, was ook het opbreken en in zee verdwijnen van ijsplaat Larsen-B op Antarctica een onverwacht snelle gebeurtenis. In beide gevallen werd dan ook een kantelpunt overschreden, waardoor voorheen geleidelijke processen plotseling in een stroomversnelling raakten. Poolklimaatwetenschapper Michiel van den Broeke van de Universiteit Utrecht legt uit hoe dit werkt.

2 mei 2017

Wie veel leest over de verandering van het klimaat, is het woord vast al eens tegengekomen: het kantelpunt of tipping point. Het kantelpunt is het moment dat een grens overschreden wordt, waardoor een proces (bijvoorbeeld de stijging van de temperatuur of van de zeespiegel) in een versnelling raakt, met onomkeerbare gevolgen. Kantelpunten zijn de meest grillige factor in klimaatvoorspellingen en –modellen, en daarom onderwerp van menig onderzoek.

Ook het smelten van ijs op de polen kent kantelpunten. Dat is zorgelijk, want momenteel dragen smeltende valleigletsjers en ijskappen al voor meer dan de helft bij aan de zeespiegelstijging van ongeveer drie millimeter per jaar. Vooral ijskappen kunnen soms onverwacht heftig reageren op een relatief kleine opwarming.

Michiel van den Broeke is hoogleraar meteorologie van de polen bij het IMAU, van de Universiteit Utrecht.

De hoofdrol bij deze smeltversnelling is weggelegd voor firn. De firnlaag is de laag samengedrukte sneeuw die ijsplaten en ijskappen bedekt. Als deze laag verzadigd raakt met smeltwater, is een kantelpunt bereikt.

Hoe het werkt

Gletsjers ontstaan daar waar sneeuw die in de winter valt niet volledig wegsmelt in de zomer. De sneeuwlaag wordt steeds dikker, en is op een zeker moment zo zwaar dat hij luchtkanaaltjes tussen de ijskristallen dichtdrukt. Hierdoor ontstaat gletsjerijs, met zijn karakteristieke luchtbelletjes. Naarmate de ijsmassa verder groeit, treedt vervorming door de zwaartekracht op: in berggebieden stroomt de ijsmassa door valleien naar beneden en vormt valleigletsjers, terwijl de gletsjer zich in vlakke gebieden zijwaarts uitbreidt tot ijskap.

Voor de ijskappen van Antarctica en Groenland, die zich over een heel eiland of zelfs continent uitstrekken, heeft het Engels een apart woord: ice sheet, verwijzend naar de relatief geringe dikte (enkele kilometers) ten opzichte van de horizontale uitgestrektheid (honderden tot duizenden kilometers). Als het ijs de oceaan bereikt kunnen zich uitgestrekte, honderden meters dikke drijvende ijsplaten vormen. Beroemde voorbeelden zijn de Ross- en Filchner-Ronne ijsplaten in Antarctica, beiden ongeveer even groot als Frankrijk. Aan de voorkant van ijsplaten breken met enige regelmaat grote tafelijsbergen af.

Verzadigingslijn

IJskappen en ijsplaten worden dus bedekt door een tot wel honderd meter dikke laag samengedrukte sneeuw, de firnlaag. Een ‘gezonde’ firnlaag vinden we daar waar de jaarlijkse hoeveelheid smeltwater klein is: het smeltwater zakt weg in de firn, waar het opnieuw bevriest en behouden blijft voor de ijskap. Maar bij toenemende smelt raakt de firnlaag verzadigd, en dan stroomt het smeltwater zonder belemmering weg naar zee.

Omdat de temperatuur afneemt met de hoogte, is de hoeveelheid smelt op zeeniveau het grootst, en zal daar verzadiging van de firnlaag het eerst optreden. Er bestaat dus een firn-verzadigingslijn, waarboven zich een gezonde firnlaag bevindt waarin smeltwater opnieuw bevriest, maar waaronder smeltwater onbelemmerd van de ijskap wegstroomt (de rode lijn in onderstaande figuur). Hoe warmer het wordt, hoe hoger deze verzadigingslijn komt te liggen.

De firn-verzadigingslijn (de rode lijn) geeft de grens tussen verzadigde firn (onder de lijn) en ‘gezonde’ firn die nog smeltwater kan opnemen (boven de lijn). Deze grens komt hoger te liggen naarmate het opwarmt (plaatje a t/m c). De hoeveelheid verzadigde firn neemt dan dus toe. Als het ijs op dieper gelegen land ligt (plaatje d) wordt de situatie nog minder stabiel. — De *firn-verzadigingslijn* (de rode lijn) geeft de grens tussen verzadigde firn (onder de lijn) en ‘gezonde’ firn die nog smeltwater kan opnemen (boven de lijn). Deze grens komt hoger te liggen naarmate het opwarmt (plaatje a t/m c). De hoeveelheid verzadigde firn neemt dan dus toe. Als het ijs op dieper gelegen land ligt (plaatje d) wordt de situatie nog minder stabiel.
M.R. van den Broeke, IMAU, Universiteit Utrecht, met toestemming

De gevolgen

Verzadiging van de firnlaag veroorzaakt twee kantelpunten in het massaverlies van ijskappen. Het eerste kantelpunt treedt op als een ijsplaat onder de firnverzadigingslijn komt te liggen. IJsplaten zijn vlak, dus hiervoor is vaak maar een kleine opwarming nodig (zie Figuur b). Het smeltwater stroomt dan in bestaande gletsjerspleten, die daardoor dieper worden en de hele ijsplaat kunnen doorklieven. Deze breekt daarna in zeer korte tijd op, zoals in 2002 bij Larsen-B gebeurde.

Hoe dramatisch ook, dit proces laat de zeespiegel niet stijgen, zoals een ijsblokje in een glas water dat ook niet doet. De drijvende ijsplaat had zijn volume in de oceaan immers al ingenomen. Maar ijsplaten ondervinden wrijving aan de wanden van de baai, en fungeren daardoor als rem op de ijsstroming op het land. Als een ijsplaat verdwijnt, stroomt het landijs versneld de zee in, en dan stijgt de zeespiegel wél.

Als na een periode van opwarming alle ijsplaten uiteindelijk zijn verdwenen, ligt de ijskap alleen nog op het land. Daar ondervindt de ijsstroming veel meer wrijving dan op het water, waardoor de randen steiler zijn. De verder stijgende firnverzadigingslijn heeft daardoor in eerste instantie slechts invloed op een klein deel van de ijskap. Die kan zich dan snel aanpassen (onderste twee gestippelde rode lijnen in Figuur c).

Maar als de firnverzadigingslijn het hoge, vlakke deel van de ijskap bereikt, is een zelfde stijging plots voldoende om boven de hele ijskapkomen te liggen (bovenste twee gestippelde rode lijnen in Figuur c). Het tweede kantelpunt is bereikt: smeltwater herbevriest niet langer in de firnlaag maar stroomt weg naar zee, waarna de gehele ijskap versneld afsmelt.

Als de rotsbodem waarop de ijskap rust beneden zeeniveau ligt en landinwaarts steeds dieper reikt (Figuur d), treedt nog eens een extra onstabiliteit op. Dit zien we op West-Antarctica, waar de terugtrekking van het ijs voorlopig niet meer te stoppen is. Uiteindelijk – in de loop van een paar eeuwen, als de gehele West-Antarctische ijskap smelt – zal de zeespiegel hierdoor enkele meters extra stijgen.

Geleidelijk

In tegenstelling tot bovenstaande voorbeelden, waar recentelijk kantelpunten zijn overschreden, zijn er ook gebieden waar de veranderingen op dit moment geleidelijk gaan. Oost-Antarctica bijvoorbeeld heeft een zeer koud klimaat, waardoor een temperatuurstijging in eerste instantie zal leiden tot een toename van de sneeuwval zonder sterke stijging van de smelt. Hierdoor kan het volume van de ijskap zelfs toenemen in een warmer klimaat (gestippelde donkerblauwe lijn in onderstaande figuur). De Groenlandse ijskap heeft zich al langer geleden grotendeels op land teruggetrokken, en kan zich door zijn grote dikte vooralsnog goed aanpassen aan een stijging in de firnverzadigingslijn.

De verschillende stadia van deglaciatie, schematisch uitgezet als functie van de omgevingstemperatuur, en de plek van enkele ijskappen op deze curve. De kantelpunten zijn de steile verticale lijnen.
M.R. van den Broeke, IMAU, Universiteit Utrecht

Natuurlijk is het hier geschetste beeld sterk vereenvoudigd, en zijn er nog talloze andere processen en onzekerheden in het afsmeltgedrag van ijskappen. Wetenschappelijk onderzoek, ter plaatse en met modellen, moet deze onzekerheden kleiner maken. Maar één ding staat wel vast: het toekomstige smelten van ijskappen en de daarbij behorende zeespiegelstijging belooft geen geleidelijk proces te worden!

Reageer