Natuurkunde. Kantelpunten in het smeltgedrag van ijskappen. Women in physics Water hameren. Nederlands Tijdschrift voor

Transcriptie

1 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde oktober 2017-jaargang 83-nummer 10 Kantelpunten in het smeltgedrag van ijskappen Women in physics Water hameren

2 Inhoudsopgave Bij de omslag: 332 Door de huidige opwarming van de atmosfeer en oceaan smelten valleigletsjers en ijskappen wereldwijd snel; hun massaverlies is inmiddels goed voor meer dan de helft van de huidige zeespiegelstijging van ongeveer 3 mm per jaar. Vooral ijskappen kunnen, als ze een kantelpunt overschrijden, soms onverwacht heftig reageren op een relatief kleine opwarming. bij de les ken uw klassieken boekbespreking leukje Kantelpunten in het smeltgedrag van ijskappen Michiel van den Broeke Vak bijhouden Hans van Bemmel Toestanden in de quantummechanica Herman de Lang Einsteins Hollandse cirkel Wim Verkley Women in physics Els de Wolf Vloeibare fusiereactorwanden in de media Stein van Eden Water hameren Menno van Dijk Waarom wij wel zonnepanelen maar nog geen kernfusiestroom hebben Niek Lopes Cardozo, Guido Lange en Gert Jan Kramer Agenda NNV-nieuws Noortje de Graaf 331 Het Nederlands Tijd schrift voor Natuur kunde is het maande lijkse tijdschrift van de Nederlandse Natuurkundige Ver eniging en richt zich op de Nederlands talige na tuur kun dige ge meenschap. Ingezonden artikelen, re censies, discussies en me dedelingen op het gebied van de natuurkunde in brede zin zijn welkom. Inzendingen kunnen worden gestuurd naar het redactiesecretariaat, of naar re dac tieleden. Richt lijnen voor auteurs staan op of zijn op te vragen bij het redactie secretariaat. De redactie behoudt zich het recht voor om artike len te weigeren, in te kor ten of anderszins te wij zigen zonder opgave van reden. De auteursrechten van de artikelen in dit tijdschrift liggen bij de desbetreffende auteur(s). Echter, artikelen kunnen geplaatst worden op de internet pagina s: kunde.nl Niets van deze uitgave mag op welke wijze dan ook gekopieerd of verveelvuldigd worden zonder nadrukkelijke toestemming van de auteur(s). oktober 2017 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

3 Kantelpunten in het smeltgedrag van ijskappen Door de huidige opwarming van de atmosfeer en oceaan smelten valleigletsjers en ijskappen wereldwijd snel; hun massaverlies is inmiddels goed voor meer dan de helft van de huidige zeespiegelstijging van ongeveer 3 mm per jaar. Vooral ijskappen kunnen, als ze een kantelpunt overschrijden, soms onverwacht heftig reageren op een relatief kleine opwarming. Michiel van den Broeke 332 Firn, gletsjers, ijskappen, ijsplaten en ijsbergen Gletsjers bestaan in vele soorten en maten, maar hebben één ding gemeen: ze ontstaan op plekken waar de zomers te koud zijn om alle sneeuw die in de winter valt te doen smelten. De groeiende laag van meerjarige sneeuw die zo ontstaat, de firnlaag, is op zeker moment zo dik dat op grote diepte de luchtkanaaltjes tussen de ijskristallen worden afgesloten. Dit is het moment dat gletsjerijs, met zijn karakteristieke luchtbelletjes, is gevormd. Naarmate de ijsmassa verder groeit, treedt ver- Figuur 1 Schematische dwarsdoorsnede van een ijskap met ijsplaat (a) en de invloed van een opwaartse verplaatsing van de firnverzadigingslijn (rode stippellijn) door opwarming van de atmosfeer (rode pijlen) met als gevolg het opbreken van een ijsplaat (b, kantelpunt een), het verzadigen van de firnlaag van de gehele ijskap (c, kantelpunt twee) en, als de rotsbodem onder zeeniveau ligt en landinwaarts afloopt, de mariene-ijskapinstabiliteit (d). Bron: UU/IMAU. Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde oktober 2017

4 IJsberg A68 kiest het ruime sop Op 12 juli 2017 was het zover: de scheur in de Larsen C-ijsplaat die al in 2011 was ontdekt en vanaf 2014 versneld verder groeide [1] bereikte de oceaan. Hiermee was ijsberg A68 geboren; met 5800 km 2 bij lange na niet de grootste Antarctische ijsberg ooit waargenomen, maar vanwege de locatie in het Antarctisch Schiereiland leidde de gebeurtenis toch tot veel mediaaandacht. Het is immers nog niet zo lang geleden dat de iets noordelijker gelegen Larsen A- (1995) en Larsen B-ijsplaten (2002) door opwarming van atmosfeer en oceaan vrijwel geheel opbraken ([2], zie figuur 3). Van Larsen A is bekend dat deze in het recente geologische verleden al eens eerder was opgebroken en ongeveer 4000 jaar geleden opnieuw is gevormd. Larsen B daarentegen was al minstens jaar stabiel, en het opbreken hiervan wordt dan ook gezien als een signaal van antropogene (door de mens veroorzaakte) klimaatverandering. Of het ontstaan van ijsberg A68 het opbreken inluidt van de Larsen C-ijsplaat (met km 2 groter dan Nederland) wordt door wetenschappers betwijfeld. Een recente studie suggereert dat de configuratie van de ijsplaat vooralsnog stabiel is [3]. Maar niet iedereen is hiervan overtuigd: sommige onderzoekers wijzen op het feit dat een soortgelijke ijsberg van Larsen B afbrak, slechts vijf jaar voordat de ijsplaat verdween. Figuur 2 IJsberg A68 op 21 juli 2017; omdat het winter is en daarom donker, is een infraroodopname van de Landsat 8-satelliet gebruikt (bron: NASA). De breuklijn in de ijsplaat is zichtbaar als de brede witte lijn, veroorzaakt door de hoge temperatuur van het zeewater in vergelijking met het oppervlak van de ijsplaat. Rechtsboven is het gescheurde oppervlak van zeeijs te zien. vorming op door de zwaartekracht: in berggebieden stroomt de ijsmassa door valleien naar beneden en vormt een valleigletsjer, terwijl in vlakkere gebieden de gletsjer zich zijwaarts uitbreidt om een zogenaamde ijskap te vormen. In beide gevallen stroomt het ijs naar warmere streken, waar in de zomer meer ijs smelt. De uitbreiding stopt als zich een langjarig evenwicht heeft ingesteld tussen ijsaanvoer en smelt. Voor de immense ijskappen van Groenland en Antarctica, die zich respectievelijk over een heel eiland en continent uitstrekken, heeft het Engels een apart woord: ice sheet, refererend aan de relatief geringe dikte (maximaal enkele kilometers) ten opzichte van de horizontale uitgestrektheid (honderden tot duizenden kilometers). In Antarctica is het zo koud dat de ijskap langs vrijwel de hele kuststrook van het continent de oceaan bereikt. Hierdoor kunnen zich in baaien uitgestrekte, honderden meters dikke drijvende ijsplaten vormen (figuur 1a). Beroemde voorbeelden zijn de Ross- en Filchner-Ronne-ijsplaten, elk zo groot als Frankrijk. Aan de zeekant van ijsplaten breken met enige regelmaat grote tafelijsbergen af, zoals recent bij de Larsen C-ijsplaat in het Antarctisch Schiereiland (zie kader IJsberg A68 kiest het ruime sop). Voor de Antarctische ijskap is dit een normaal verschijnsel: door het afbreken van ijsbergen raakt de ijskap de massa kwijt die er elk jaar bijkomt door sneeuwval. Kantelpunt 1: het verdwijnen van ijsplaten IJskappen en ijsplaten worden dus bedekt door een tientallen meters dikke firnlaag, die een belangrijke functie vervult in hun massahuishouding. Een gezonde firnlaag, die koud is en veel lucht bevat, vinden we daar waar de jaarlijkse smelt klein is in vergelijking met de hoeveelheid sneeuwval: in de zomer zakt het smeltwater weg in de firn, waar het opnieuw bevriest zodat de massa behouden blijft voor de ijskap. In de winter groeit de firnlaag aan de bovenkant weer aan door accumulatie van verse sneeuw. Een opwarmend klimaat verstoort deze balans: de firnlaag raakt door de toenemende smelt langzaam maar zeker verzadigd en verliest zijn bufferfunctie, waarna het smeltwater wegstroomt en de ijskap massa verliest. We definiëren op basis van dit concept een firnverzadigingslijn (rode gestippelde lijnen in figuren 1b, c en d); omdat de temperatuur in de atmosfeer afneemt met de hoogte is het alleen boven deze denkbeeldige lijn koud genoeg voor een gezonde firnlaag. In een opwarmend klimaat zal de firnverzadigingslijn steeds hoger op de ijskap komen te liggen. Michiel van den Broeke is hoogleraar Polaire Meteorologie aan de Universiteit Utrecht en directeur van het Instituut voor Marien en Atmosferisch onderzoek Utrecht (IMAU). Voor zijn onderzoek deed hij veldwerk in Antarctica, Groenland, Spitsbergen en IJsland. In 2015 ontving hij de Louis Agassiz medaille van de European Geosciences Union (EGU) en werd hij gekozen tot lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW). Voor meer informatie zie: M.R.vandenBroeke@uu.nl 333 oktober 2017 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

5 Mariene-ijskapinstabiliteit Een belangrijke instabiliteit doet zich voor als de rotsbodem waarop een ijskap rust beneden zeeniveau ligt en landinwaarts afloopt (figuur 1d). Hierdoor neemt het debiet van ijs (dikte maal stroomsnelheid) bij terugtrekking steeds verder toe, terwijl de ijskap zich niet op hoger gelegen land kan terugtrekken. Een eenmaal ingezette terugtrekking zal daarom doorgaan tot het punt waar de helling van de ondergrond weer stijgt. Deze mariene-ijskapinstabiliteit is hoogstwaarschijnlijk momenteel actief in West-Antarctica [6]. Het huidige massaverlies in deze sector zal daarom niet stoppen totdat een groot deel van de West-Antarctische ijskap is verdwenen, met een zeespiegelstijging van enkele meters als gevolg. De verwachting is dat dit proces enkele eeuwen in beslag zal nemen. Figuur 3 Kantelpunt een: opbreken van Larsen B-ijsplaat in het Antarctisch Schiereiland, maart Bron: NASA/MODIS. 334 Verzadiging van de firnlaag heeft grote gevolgen, want het veroorzaakt twee snelle, quasi-onomkeerbare veranderingen of kantelpunten in de massabalans van ijskappen. Het eerste kantelpunt treedt op als een ijsplaat onder de firnverzadigingslijn komt te liggen (figuur 1b). Omdat ijsplaten drijven, zijn ze erg vlak, dus hiervoor is maar een kleine temperatuurstijging nodig. De firnlaag raakt verzadigd, waarna overtollig smeltwater bestaande gletsjerspleten in de ijsplaat vult; deze worden hierdoor dieper en kunnen de hele ijsplaat doorklieven, zodat deze in zijn geheel opbreekt. Dit proces van hydrofracturing leidde in 2002 tot het in korte tijd vrijwel geheel versplinteren van de Larsen B-ijsplaat in het Antarctisch Schiereiland (figuur 3). Dit is een duidelijk kantelpunt: zelfs in een kouder klimaat zou het immers eeuwen vergen voordat de ijsplaat opnieuw is gevormd. Het opbreken van een ijsplaat is een dramatische gebeurtenis, maar de zeespiegel stijgt er niet door: het drijvende ijs had zijn volume in de oceaan immers al ingenomen. Maar ijsplaten ondervinden wrijving aan de wanden van de baai en fungeren daardoor als een rem op de stroming van gletsjers die vanaf het land de ijsplaat voeden. Als een ijsplaat verdwijnt, versnelt de ijsstroming richting zee vrijwel direct en daardoor stijgt de zeespiegel wel. Na het opbreken van de Larsen B-ijsplaat nam de stroomsnelheid van op het land gelegen gletsjers zelfs toe met een factor twee tot zes [4]. Kantelpunt 2: verzadiging van de gehele firnlaag Als een ijskap zijn ijsplaten is kwijtgeraakt, trekt hij zich terug op het land (figuur 1c). Door de grote wrijving aan de rotsbodem vormt zich een relatief steile ijskaprand; hierdoor beïnvloedt een verder stijgende firnverzadigingslijn in eerste instantie slechts een klein deel van de ijskap (middelste gestippelde rode lijn in figuur 1c). Als bij verdere opwarming de firnverzadigingslijn het hoge, veel vlakkere deel van de ijskap nadert, is eenzelfde stijging ineens voldoende om boven de gehele ijskap uit te komen (bovenste gestippelde rode lijn in figuur 1c). De firnlaag raakt verzadigd en kan geen smeltwater meer absorberen. Hiermee is het tweede kantelpunt overschreden: het zou immers decennia van significant koudere zomers vergen om opnieuw een gezonde firnlaag met smeltwaterbuffer op te bouwen. Veel relatief kleine en daardoor lagergelegen Arctische ijskappen zijn dit kantelpunt enkele decennia geleden gepasseerd [5]; hierdoor zullen ze naar verwachting helemaal smelten, zelfs als het klimaat niet verder opwarmt. Een voorbeeld van een ijskap waar de firnlaag al bijna helemaal is verdwenen is de Barnes-ijskap op Baffin Island in Arctisch Canada (figuur 4). Natuurlijk is het hier geschetste beeld sterk vereenvoudigd en bepalen meer processen het smeltgedrag van ijskappen. Een belangrijk voorbeeld is de marieneijskapinstabiliteit, verantwoordelijk voor het huidige onomkeerbare massaverlies in West Antarctica (zie figuur 1d en kader Mariene-ijskapinstabiliteit). Oost Antarctica en Groenland Figuur 5 geeft schematisch de verschillende stadia van deglaciatie weer als functie van de temperatuur, met de twee besproken kantelpunten herkenbaar als steile verticale lijnen. De twee grootste ijskappen op aarde, die van Oost-Antarctica en Groenland, bevatten genoeg ijs om de zeespiegel met tientallen meters te laten stijgen. Zij bevinden zich volgens figuur 5 vooralsnog in een regime waarin de veranderingen ofwel klein zijn (Oost- Antarctica) ofwel geleidelijk gaan (Groenland). In Oost-Antarctica is het zo koud dat een temperatuurstijging in eerste instantie niet alleen zal leiden tot meer smelt, maar ook tot een toename van sneeuwval. Hierdoor Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde oktober 2017

6 lijkt het onwaarschijnlijk dat Oost-Antarctica het eerste kantelpunt op korte termijn bereikt. Maar zeker is dit allerminst: tijdens de zomer zijn ook hier op ijsplaten al grote hoeveelheden smeltwater waargenomen [7,8]. De Groenlandse ijskap raakte zijn ijsplaten duizenden jaren geleden al kwijt, toen het klimaat opwarmde na de laatste ijstijd. Ondanks het recente forse massaverlies bevindt het grootste deel van de Groenlandse ijskap zich nog ruim boven de firnverzadigingslijn [5], en lijkt het tweede kantelpunt voorlopig niet in zicht. Het is nu aan de klimaatwetenschap om antwoord te geven op de prangende vraag: is beperking van de mondiale opwarming tot twee graden, zoals afgesproken in het Parijse klimaatakkoord, voldoende om te voorkomen dat de ijskappen van Groenland en Oost-Antarctica hun respectievelijke kantelpunten overschrijden? Op dit moment schiet onze kennis helaas tekort om deze vraag afdoende te beantwoorden. Maar een ding staat inmiddels vast: het toekomstige smelten van ijskappen en de daarbij behorende zeespiegelstijging belooft geen geleidelijk proces te worden! Figuur 4 Kantelpunt twee: Baffin Island, Canada, met in het midden Barnes-ijskap waar de firnlaag grotendeels is verdwenen. Bron: NASA/MODIS. 335 Dank Dit onderzoek is mede mogelijk gemaakt door de Universiteit Utrecht, het Nederlands Polair Programma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk onderzoek (NWO/ NPP) en het Netherlands Earth System Science Center (NESSC). Een eerdere versie van dit artikel is te vinden op: publicaties/kantelpunten-in-hetsmeltgedrag-van-ijskappen. Referenties 1 D. Jansen et al., Brief Communication: Newly developing rift in Larsen C Ice Shelf presents significant risk to stability, The Cryosphere, 9, (2015). 2 T.A. Scambos, C. Hulbe, M. Fahnestock en J. Bohlander, The link between climate warming and break-up of ice shelves in the Antarctic Peninsula, Journal of Glaciology 46, (2000). 3 J.J. Fürst, G. Durand, F. Gillet-Chaulet, L. Tavard, M. Rankl, M. Braun en O. Gagliardini, The safety band of Antarctic ice shelves, Nature Climate Change 6, (2016). 4 T.A. Scambos, J.A. Bohlander, C.A. Shuman en P. Skvarca, Glacier acceleration and thinning after ice shelf collapse in the Larsen B embayment, Antarctica, Geophysical Figuur 5 Schematische samenvatting van het smelttraject van ijskappen. Als de temperatuur toeneemt langs de x-as, kan het ijsvolume (y-as) toenemen of gelijk blijven (Oost-Antarctica) of voorspelbaar afnemen (Groenland). Indien kantelpunten overschreden worden, zullen ijsplaten catastrofaal opbreken (Antarctisch Schiereiland) of op land gelegen ijskappen onomkeerbaar smelten (Arctische ijskappen). Het lichtblauwe traject geeft de mariene-ijskapinstabiliteit weer (zie kader Mariene-ijskapinstabiliteit). Bron: UU/IMAU. Research Letters 31, L18402, (2004). 5 B.P.Y. Noël, W.J. van de Berg, S. Lhermitte, B. Wouters, H. Machguth, I. Howat, M. Citterio, G. Moholdt, J.T.M. Lenaerts en M.R. van den Broeke, A tipping point in refreezing accelerates mass loss of Greenland s glaciers and ice caps, Nature Communications 8 (2017). 6 E. Rignot, J. Mouginot, M. Morlighem, H. Seroussi en B. Scheuchl, Widespread, rapid grounding line retreat of Pine Island, Thwaites, Smith, and Kohler glaciers, West Antarctica, from 1992 to 2011, Geophysical Research Letters 41, (2014). 7 J.T.M. Lenaerts, S. Lhermitte, R. Drews, S.R.M. Ligtenberg, S. Berger, V. Helm, V., C.J.P.P. Smeets, M.R. van den Broeke, W.J. van de Berg, E. van Meijgaard, M. Eijkelboom, O. Eisen en F. Pattyn, Meltwater produced by wind-albedo interaction stored in an East Antarctic ice shelf, Nature Climate Change 7, (2016). 8 J. Kingslake, J.C. Ely, I. Das en R. Bell, Widespread movement of meltwater onto and across Antarctic ice shelves, Nature 544, (2017). oktober 2017 Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde