Dit is deel drie van zeven artikelen over kantelpunten in klimaatverandering. Hierin kijken we naar de mogelijke kantelpunten die door smeltend ijs worden veroorzaakt.
De temperatuur op aarde ontstaat door een combinatie van zonnestraling en een dampkring die als een deken de warmte vast houdt. Zonder een dampkring zou de aarde geheel met ijs bedekt zijn en afkoelen tot -18 graden. De samenstelling van gassen en de waterdamp in de dampkring bepalen of er een evenwicht is tussen in- en uitstraling zodat de gemiddelde temperatuur in de buurt van 15 graden schommelt.
Smeltwarmte als buffer voor klimaatverandering
Er bestaat geen enkele twijfel over dat zowel de gletsjers op de wereld, als de met ijs en sneeuw bedekte landoppervlaktes, en de oppervlaktes met ijs bedekte zee de laatste tientallen jaren sterk aan het afnemen zijn. Een gedetailleerd rapport hierover is in 2019 opgesteld door het IPCC (Special Report on Oceans and Cryosphere).
Dit wereldwijde smelten van ijs betekent dat de balans tussen in- en uitgestraalde energie niet meer in evenwicht is. Omdat de instraling door de zon de afgelopen 100 jaar nauwelijks is veranderd, moet dit zijn veroorzaakt door een verminderde uitstraling.
Vind jij goede en onafhankelijke informatie over een duurzame en klimaatveilige toekomst belangrijk? En helpt Duurzaamnieuws.nl je daarmee? Help ons dan als ondersteunend lid. Dank je wel.
Liever eerst een tijdje volgen? Meld je dan aan voor de gratis nieuwsbrief.
Gassen zoals waterdamp, CO2, methaan en nog een aantal andere absorberen de infrarode straling die de aarde uitstraalt. We noemen dat het broeikaseffect dat wordt veroorzaakt door broeikasgassen. Dat is altijd zo geweest, maar de samenstelling van gassen in de atmosfeer is niet constant en sinds de industriële revolutie is de concentratie van deze gassen in de atmosfeer zeer sterk toegenomen.
Het smelten van ijs is een fase-overgang van vast naar vloeibaar water. Fase-overgangen gaan gepaard met de opname of afgifte van relatief veel energie per hoeveelheid materie. Dat wil zeggen dat er bij smelten warmte wordt opgenomen zonder dat de temperatuur stijgt. Met dezelfde hoeveelheid energie waarmee één kg ijs kan worden gesmolten zonder dat de temperatuur stijgt, zou één kg water bijna 80 graden C warmer worden.
Door de grote hoeveelheid ijs op aarde absorbeert het ijs bij smelten dan ook een gigantische hoeveelheid energie. Smeltend ijs werkt dus als een stabiliserende buffer voor de opwarming van de aarde. Dat is fijn, maar het betekent ook dat zodra al het ijs op aarde gesmolten zou zijn, bij gelijkblijvende hoeveelheid zonnewarmte de temperatuur veel sneller zou stijgen.
De grootte van het bufferend effect
De hoeveelheid als smeltwarmte opgenomen energie valt te berekenen uit de hoeveelheid ijs die per jaar smelt. Voor Groenlands en Antarctisch ijs samen wordt dat geschat op 400 Gigaton/jaar.
Het kan wel even duren voordat al dat ijs gesmolten is want de hoeveelheid ijs op de wereld is gigantisch en wordt geschat op ruim 33 miljoen kubieke kilometer (1 km3 ijs komt overeen met circa 0,9 Gigaton ) waarvan het grootste deel, circa 30 miljoen, zich op Antarctica bevindt. Voor het grootste deel ligt het ijs op land. Op Groenland en Antarctica bevindt zich een enkele kilometers dik pakket landijs. Op Antarctica is het landijs 27 -30 miljoen km3 en op Groenland 2,9 miljoen km3. De gletsjers op de hele wereld bevatten gezamenlijk 0,17 miljoen km3 landijs.
Landijs ontstaat vrijwel overal door sneeuw dat zich laag na laag ophoopt en bevriest. Het smelten van landijs verloopt daarentegen heel verschillend. De temperatuur van de lucht op Antarctica is zo laag dat het landijs daar niet smelt. In de winter groeit het ijs aan door sneeuw en breidt de ijskap zich via gletsjertongen sterk uit tot buiten de kust en vormt zee-ijs, dat in de zomer nagenoeg weer verdwijnt. Er vindt op langere termijn wel netto smelt plaats van landijs aan de westkust van Antarctica doordat relatief warm water van onderaf de in zee uitstekende gletsjertongen steeds verder doet afkalven. De gletsjers ondervinden daardoor minder weerstand en voeren steeds sneller nieuw landijs naar zee.
De balans tussen aangroei en smelt is moeilijk te maken. Een recente studie komt evenwel tot de conclusie dat het netto verlies aan ijs op Antarctica steeds groter wordt. In de tien jaar voor 1990 was het 40 Gigaton per jaar, in de tien jaar tot 2017 was het 250 Gigaton/jaar.
Deze sterke toename is weliswaar verontrustend, maar zelfs 250 Gigaton per jaar is op de totale massa van 30 miljoen km3 overeenkomend met ongeveer 27 miljoen Gigaton, maar een fractie van 9 delen per miljoen, zodat het in theorie nog ruim honderdduizend jaar zou duren voordat alles is gesmolten.
De smelt van het Groenlandse landijs ontstaat wel doordat de temperatuur van de lucht in de zomermaanden een paar graden boven nul is in combinatie met de absorptie van zonnestraling. Ongeveer de helft van de smelt ontstaat aan de oppervlakte en vormt meren met smeltwater dat via scheuren wegloopt. De andere helft verdwijnt door de afvoer van ijs via gletsjers. De smelt wordt eventueel weer gecompenseerd door verse sneeuw gedurende de lange winter. De jaarlijkse hoeveelheid sneeuw is nogal wisselvallig waardoor een totale massabalans over langere tijd moeilijk te maken is. Op satellietbeelden is echter goed te zien dat de totale Groenlandse ijskap kleiner wordt.
Een redelijk betrouwbare massabalans tussen 1992 en 2018 laat zien dat er in die 25 jaar 3902 +/_ 10% Gigaton ijs is verdwenen. Tussen het jaar 1900 en 2000 was de smelt gemiddeld 90 Gt per jaar. Tussen 2000 en 2016 bedroeg deze 280 Gt/j. Op het totale volume van 2,9 miljoen km3 (= 2,6 miljoen Gt) is dat zo weinig dat het in theorie nog wel ruim 9 duizend jaar kan duren voordat het Groenlandse ijs op is.
Smelten van de gletsjers in de gebergten
Al vele jaren kunnen we zien dat de circa 100.000 gletsjers in de hogere gebergten van de wereld in steeds sneller tempo afsmelten, daarbij dunner worden en zich uit de lagere dalen terugtrekken. Behalve door snellere smelt aan de onderloop vanwege een warmer klimaat, kan dat ook worden veroorzaakt door minder sneeuw op de top van het gebergte of door een combinatie van beide.
De gevolgen van verdwijnende gletsjers zijn vooral groot voor de mensen die er van afhankelijk zijn. Behalve het verminderen van de hoeveelheid water in de rivieren, waardoor de scheepvaart kan worden belemmerd, zijn gletsjers belangrijk voor de zoetwatervoorziening. In totaal zijn 2,3 – 3 miljard mensen afhankelijk van gletsjers voor hun zoetwatervoorziening.
Doordat het smelten van gletsjers al tientallen jaren nauwkeurig wordt gevolgd met metingen bij 40 gletsjers die als referentie dienen, kan men de totale hoeveelheid smelt redelijk goed schatten. Daaruit blijkt dat de gletsjers tussen 1980 en 2018 gemiddeld 24 meter dunner zijn geworden en dat de smelt vanaf 2010 al 4 keer zo snel verloopt als rond 1980.
In combinatie met satellietwaarnemingen om het oppervlak te meten, is vastgesteld dat in de 55 jaar tussen 1961 en 2016, ruim 9000 Gt ijs van de gletsjers is weggesmolten en dat dit heeft gezorgd voor een ophoging van de zeespiegel met 2,7 cm.
Omdat het smelten steeds sneller gaat, kan men rustig aannemen dat de hoeveelheid smelt nu ongeveer 300 Gt per jaar is. Dit is een hoeveelheid die niet veel onder doet voor de hoeveelheid smeltend ijs op Groenland en Antarctica samen. Op de totale hoeveelheid ijs van 0,17 miljoen km3 in alle berggletsjers samen, betekent dit 0,18 % per jaar, zodat het in theorie nog 500 jaar kan duren voordat alle gletsjers zijn gesmolten. Er bestaan echter grote onderlinge verschillen. De Gletsjers van Mount Kenia en de Kilimanjaro kunnen bijvoorbeeld al binnen een tiental jaren geheel zijn verdwenen.
Recent onderzoek toont aan dat gletsjers nog sneller verdwijnen dan de modellen eerder berekenden.
Conclusie
Met de hoeveelheid warmte die de totale hoeveelheid van 700 Gt smeltend landijs op Groenland, Antarctica en alle gletsjers jaarlijks samen opneemt, zou de bovenste 750 meter oceaanwater op aarde 0,17 graden per jaar kunnen opwarmen. Dit is veel vergeleken bij de opwarming met 0,013 graad per jaar die we nu al in de bovenste 750 meter van de oceanen kunnen waarnemen. Op grotere diepte is het effect nog nauwelijks te meten omdat de menging met het veel grotere volume dieper oceaanwater slechts langzaam verloopt. Zonder het bufferende effect van het smeltende ijs zou de opwarming van de bovenste laag oceaanwater dus 13 keer zo snel verlopen. De totale hoeveelheid landijs op aarde is echter zo groot dat er op afzienbare termijn geen gevaar lijkt te bestaan dat het bufferende effect van smeltwarmte op klimaatverandering zal verdwijnen.
Dit is echter een heel simpele en puur theoretische berekening die slechts aangeeft hoe belangrijk het bufferend effect van smeltwarmte is op de klimaatverandering.
Lokale effecten door een positieve terugkoppeling zijn echter niet uitgesloten. Indien bepaalde bergtoppen niet meer bedekt zijn met ijs neemt ook daar het Albedo effect af en indien er geen warmte meer wordt opgenomen voor het smelten van gletsjers, is de kans groot dat er geen sneeuw op die bergen meer zal vallen, maar alleen nog regen.
Het afnemen van het Albedo effect door smeltend zee-ijs
Een relatief klein deel van al het ijs op aarde drijft op zee. Het Arctisch zee-ijs vormt met 14- 18 duizend km3 slechts 0,05 % van het totale volume ijs op aarde. Het Antarctisch ijs drijft eigenlijk meer in de zee dan er op en het vormt op z’n hoogst 36 duizend km3 ofwel circa 0,1 % van het totale volume ijs op aarde. Vergeleken met het landijs is de laag van Arctisch zee-ijs maar dun en gemiddeld slechts enkele meters. Toch is de invloed van die relatief kleine hoeveelheid zee-ijs op het klimaat groot.
Het volume zee-ijs fluctueert sterk tussen zomer en winter. Met satellietmetingen vanaf 1979 wordt het totale oppervlak goed bijgehouden. Daardoor weten we dat het Arctisch zee ijs in de noordelijke winter een oppervlakte van 14 à 16 miljoen km2 heeft en dat dit in de zomer weg smelt tot 7 à 8 miljoen en in de laatste jaren zelfs tot ongeveer 3 à 4 miljoen km2. De aangroei in de winter ontstaat voornamelijk door bevriezing van zeewater en sneeuwval en in geringe mate vanuit gletsjers aan de noordkust van Groenland. De smelt van Arctisch zee-ijs ontstaat aan de bovenkant door de instraling van de zon en de hogere luchttemperatuur en aan de onderkant door de aanvoer van relatief warm water van de Noord-Atlantische golfstroming.
Antarctisch zee-ijs heeft in de zuidelijke winter een maximaal oppervlak tussen 17 en 20 miljoen km2 en verdwijnt grotendeels in de zomer tot 2 à 4 miljoen km2. De aangroei ontstaat voornamelijk door het uitbreiden van het landijs voorbij de kustlijn en het afbreken van de randen bij de gletsjers. Het zee-ijs bestaat daardoor voor een groot deel uit grote wegdrijvende brokstukken, waarvan het grootste deel zich onder water bevindt. Smelten van Antarctisch zee-ijs ontstaat dan ook voornamelijk door het relatief warmere water, dus van onderaf en in mindere mate door de temperatuur van de lucht en het zonlicht.
Vergeleken met de Noord Atlantische golfstroming is de verwarming van Antarctica door zeewater gering. Antarctica is een eiland omgeven door zee en de warme golfstroming vanuit de Indische en Stille Oceaan gaat grotendeels op enige afstand om het land heen. Het Arctisch zee-ijs daarentegen, ligt in een zee die is omgeven door land en het via de kust van Groenland en IJsland toestromende warme water levert vrijwel alle warmte direct af aan het zee-ijs.
Poolijs Noordpool )boven) en Zuidpool (onder)
Image provided by National Snow and Ice Data Center, University of Colorado, Boulder.
Hoewel de hoeveelheid zee-ijs maar een heel kleine fractie is van al het ijs op aarde kan het smelten van zee-ijs toch een groot effect hebben op de verdere ontwikkeling van het klimaat. Dit ontstaat door het zogenaamde Albedo-effect van het witte oppervlak waardoor het zonlicht grotendeels wordt teruggekaatst. Een laag zee-ijs bedekt met sneeuw kaatst tot 90 % terug, terwijl een wateroppervlak slechts 6 % terugkaatst. Doordat het oppervlak van Arctisch zee-ijs in de zomermaanden in recente jaren tot wel 4 miljoen km2 minder is dan voor 1980, treedt er voor het hele Arctisch gebied een vermindering op van het Albedo effect. Dit gebeurt uiteraard voornamelijk in de maanden dat de instraling van zonlicht maximaal is. In combinatie met een verlaging van Albedo door het ontstaan van smeltmeren op het landijs, verminderde sneeuwbedekking op de toendra’s en ophoping van stof en roet op de sneeuw, kan het verlies van Albedo nog groter zijn.
Recente berekeningen op grond van satellietwaarnemingen leiden tot de conclusie dat het Albedo effect voor het gehele Arctische gebied sinds 1979 is afgenomen van 52% naar 48%.
De hoeveelheid extra ingestraalde en geabsorbeerde energie is daarmee vrij goed te berekenen, waaruit geconcludeerd wordt dat hierdoor de aarde aanzienlijk sterker opwarmt. De bijdrage wordt net zo hoog geschat als 25 % van het broeikaseffect ten gevolge van de emissie van broeikasgassen door de mens.
Dit is het duidelijkste en minst omstreden voorbeeld van versnelde opwarming door een positieve terugkoppeling. Het gevolg van de opwarming is namelijk dat het zee-ijs smelt, Albedo afneemt waardoor de opwarming weer toeneemt enzovoorts. In principe kan deze terugkoppelingscyclus er toe leiden dat al het Arctische zee-ijs in de zomer smelt, waardoor het effect nog twee keer zo sterk wordt. Een modelberekening die ook rekening houdt met de donkere smeltmeren op het ijs komt tot de conclusie dat dit omstreeks 2035 het geval kan zijn.
De vraag is wel of het landijs de bufferende rol geheel zal overnemen als een groot deel van het zee-ijs omstreeks 2035 zal zijn verdwenen. Het smelten van landijs verloopt immers volgens andere mechanismen dan het smelten van zee-ijs. Waarschijnlijk zal er wel degelijk een lokaal effect zijn. Met name de opwarming van het Arctisch zeewater zou veel sneller kunnen gaan verlopen als er geen zee-ijs meer is om dit via opgenomen smeltwarmte te temperen.
Over het geheel genomen is het oceaanwater van de wereld in de afgelopen 120 jaar 1 graad warmer geworden.
NOAA National Centers for Environmental Information, State of the Climate: Global Climate Report for August 2019, published online September 2019, retrieved on December 28, 2020 from https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/global/201908.
Door onnauwkeurigheid van de waarnemingen lijkt het alsof de periode tijdens de wereldoorlog extra warm was. Indien daarvoor wordt gecorrigeerd, is de trend tussen 1900 en 2015 vrijwel lineair. Het oceaanwater van de hele wereld vermengt zich echter niet zo snel dat er overal een zelfde temperatuur ontstaat. Van de tropen tot de polen verloopt de temperatuur van 30 naar 0 graden. Op grote diepte heerst vrijwel overal een temperatuur tussen 0 en 3 graden. Recente waarnemingen tonen aan dat de opwarming van het Arctische zeewater veel sterker is dan voor de rest van de oceanen.
In september 2020 werd in een deel van de Arctische zee al een verhoging van 9,3 graden C waargenomen, terwijl daar voorheen in september een temperatuur rond het vriespunt heerste.
Conclusie zee-ijs
Hoewel het mechanisme van smeltwarmte als buffer voor temperatuurverhoging op afzienbare tijd alleen lokaal effecten zal kunnen hebben, is de kans daarentegen groot dat het afnemen van de relatief kleine hoeveelheid Arctisch zee-ijs via het Albedo-effect leidt tot een sterke positieve terugkoppeling van de opwarming. Dit kan betekenen dat daardoor bij gelijkblijvende concentratie broeikasgassen al omstreeks 2035 de opwarming van de aarde als geheel 1,5 keer zo sterk is al nu.
