Wie de ijskap van Antarctica snapt mag het zeggen

Per sneeuwscooter in de snijdende poolwind van Antarctica naar een plek waar je door honderden meters ijs moet boren om vervolgens met een onderwaterrobot drijvende delen van de ijskap te bekijken. Voor Peter Davis, oceanograaf bij de British Antarctic Survey, was dit dagelijkse kost. Zijn drijfveer: „Van het grootste gevaar voor zeespiegelstijging weten we nauwelijks hoe ze functioneert.”

Komende maandag komt het IPCC, het klimaatpanel van de Verenigde Naties, met het eindrapport van de afgelopen onderzoekscyclus. Daarin speelt de zeespiegelstijging een belangrijke rol. Die zal tot het jaar 2300 één tot zeven meter bedragen. „Die marges zijn erg groot”, zegt Roderik van de Wal, hoogleraar zeespiegelstijging aan de Universiteit Utrecht. „De huidige ijskapmodellen kunnen het massaverlies van de ijskap op Antarctica nog maar moeilijk voorspellen.”

Tijn Berends, ijskapmodelleur aan de Universiteit Utrecht, legt uit hoe die modellen werken: „Het is een soort rekenmachine die verschillende natuurkundeprobleempjes oplost.” In zijn modellen is Antarctica opgedeeld in kleine stukjes, zogeheten pixels. „Per pixel berekenen we vervolgens de smelt, de dikte van het ijs, de sneeuwval en de verplaatsing van ijs.” Als Berends dit doet voor elke individuele pixel ontstaat een beeld van het gedrag van de gehele ijskap. „Voordat dat goed werkt moeten we het model eerst trainen”, zegt Berends. „Dat doen we door het te laten rekenen met bestaande data.” Als een uitkomst over bijvoorbeeld de stromingssnelheid van ijs van een model niet overeenkomt met gemeten waardes op Antarctica zelf, past Berends bepaalde parameters aan en draait het model opnieuw. Zo leert het model stapje voor stapje. Daarna kan het gaan rekenen aan de toekomst van de ijskap. Hoe korter de tijdschaal waarop het model rekent, hoe minder onzekerheid. Hoe meer data er verzameld worden, hoe verder een model in de toekomst kan voorspellen. Daar ligt volgens Berends het probleem: „We hebben een chronisch gebrek aan data uit Antarctica.”

IJskappen smelten niet simpelweg omdat het warmer wordt, zegt Michiel van den Broeke, hoogleraar polaire meteorologie aan de Universiteit Utrecht. Zijn onderzoeksgroep modelleert de atmosfeer van Antarctica en meet ter plekke met weerstations: „Er zijn veel processen die een rol spelen bij de smelt van Antarctica: de temperatuur, de hoeveelheid neerslag, de verdeling van warme en koude lucht, maar ook de stroming in de oceaan, de ruwheid van de oceaanbodem, de dikte van het gesteente onder het continent, noem maar op.” Van den Broeke wijst naar een landkaart van Antarctica uit 1996. „In die tijd wisten we nauwelijks hoe ijskappen werkten”, zegt hij. „Binnen dertig jaar zijn ze een letterlijk hot topic geworden.” Hij voelt de druk op zijn schouders: „Er wordt van ons verwacht dat we met uiterste precisie kunnen voorspellen wat er de komende honderden jaren gaat gebeuren met het ijs op Antarctica”, hij zucht. „Maar heel eerlijk, dat kunnen we gewoon nog niet.”

De reden: een aantal belangrijke processen in de cryosfeer – gebieden waar water voorkomt in de vorm van sneeuw of ijs – worden onvoldoende begrepen. Daarvan zijn de dynamica van ijskappen, ijs-bodeminteracties en oceaan-ijsplaatinteracties de drie belangrijkste onzekerheden.

Onzekerheid één:
De ontkurkte ijskap

Te beginnen met die laatste. Er drijven zo’n tweehonderd ijsplaten rondom Antarctica. Het zijn de drijvende extensies van de ijskap op het land waardoor ze als een kurk de boel tegenhouden. Ze kunnen honderden meters tot soms wel een kilometer dik zijn. Peter Davis, de man in Antarctica, deed onderzoek op de ijsplaat van de Thwaites Glacier, ook wel de Doomsday Glacier genoemd. Hij publiceerde zijn bevindingen onlangs in Nature. Onder de 120 kilometer brede ijsplaat zorgt warm zeewater voor smelt van onderaf. Met robots zag Davis voor het eerst dat warm zeewater in verticale spleten in de ijsplaat voor veel meer smelt zorgt dan onder de rest van de ijsplaat. „Dat verandert de hele dynamiek van de smelt van Thwaites”, zegt Davis. „Hierdoor krijg je sneller breuken en wordt de ijsplaat zwakker.” Als deze ijsplaat instort, wordt het achterliggende landijs ontkurkt. Hierdoor neemt volgens Davis de stroomsnelheid van het ijs toe, en dat kan later voor veel meer massaverlies zorgen dan gedacht. Als enkel de Thwaites Glacier volledig smelt, stijgt de zeespiegel met een halve meter. „En er zijn nog veel meer ijsplaten.”

Op de laptop van Bert Wouters, ijskaponderzoeker aan de TU Delft, staat een satellietbeeld van de ijsplaat Larsen B in West-Antarctica. Hij klikt door, en nog eens, en nog eens. De satellietbeelden van drie weken later laten duizenden brokken ijs zien, drijvend in een baai vol grijs water. De ijsplaat is in 2002 in drie weken tijd volledig ingestort.

Satellietbeelden helpen, net als de metingen van Davis, de interactie tussen oceaan en ijs beter te begrijpen. „Met satellieten meten we de hoogte van het aardoppervlak”, legt Wouters uit. „Zo kunnen we de dikte van ijsplaten op sommige plekken tot op meters nauwkeurig berekenen.” Het heikele punt: de timing. Met satellieten kun je ijsplaten in de gaten houden, maar een juiste voorspelling doen van wanneer ze precies instorten en hoe snel het landijs vervolgens de zee instroomt, is nog niet mogelijk.

Onzekerheid twee:
Holle ruimtes, ijzige kanalen

Dan de tweede onzekerheid: ijs-bodeminteracties. Op het continent valt sneeuw dat, afhankelijk van de hoeveelheid, in tientallen tot duizenden jaren samengeperst wordt tot ijs. Vanuit het midden van het continet stroomt dit ijs via gletsjers richting de kust.

„Als het ijs van onderaf smelt, en de grounding line steeds verder landinwaarts komt te liggen, stijgt door deze aflopende helling het volume zeewater onder het ijs, wat de smelt alsmaar versnelt”, zegt Van de Wal. Het is daarnaast onzeker wat er zich achter de grouding line bevindt. Daarom wordt in modellen aangenomen dat het ijs overal zit vastgeplakt aan de bodem. In 2020 publiceerde een groep Engelse onderzoekers in het wetenschappelijk tijdschrift The Cryosphere over de zeebodem die voor de Thwaites glacier ligt. Op bathymetrische kaarten – kaarten van de zeebodem – zijn patronen te zien die eerder onder het ijs bedolven lagen.

De conclusie: er waren veel holle ruimtes en kanalen onder het ijs. In 2019 werd door smelt een dergelijke holle kamer ontdekt van twaalf kubieke kilometer. Hierdoor is de instroom van warm zeewater niet geleidelijk, zoals modellen voorspellen, maar fluctueert zij. Dat kan volgens de onderzoekers de smelt van gletsjers op Antarctica op willekeurige momenten versnellen. Anderzijds kunnen heuvels en bergen onder het ijs de smelt weer afremmen.

Onzekerheid drie:
Speelkaarten en boeken

Nu de derde onzekerheid: de dynamica. Vanuit het midden van de Antarctische ijskap stroomt ijs via gletsjers richting de oceaan. „We zien echter alleen wat er aan de oppervlakte gebeurt”, zegt Tijn Berends, de ijskapmodelleur die dit als grootste onzekerheid ziet. „We weten niets over de dynamiek ín het kilometers dikke ijs.” Er zijn grofweg twee mogelijke manieren waarop het ijs beweegt, vertelt Berends.

Hij vergelijkt het ijs met een stapel kaarten: „Als je de bovenste kaart beweegt, blijft de onderste kaart liggen. Hoe meer kaarten je beweegt hoe meer vervorming van de stapel, maar de onderste kaart ligt nog steeds op dezelfde plek. Dit zou ook in het ijs kunnen gebeuren, we noemen dat vervorming, ofwel deformatie van het ijs.” Voor de tweede hypothese pakt Berends een boek van zijn bureau: „Het kan ook dat het ijs als geheel richting de oceaan beweegt, alsof je een boek over tafel schuift.”

In het eerste geval is het belangrijk om te weten hoe moeilijk de kaarten langs elkaar schuiven, oftewel hoe stroperig het ijs is. In het tweede scenario willen ijskapmodelleurs weten hoe stroef het tafelblad (ofwel het land onder het ijs) is, en hoeveel kracht het kost om het boek te bewegen. Beide factoren zijn onbekend.

Het is een groot probleem, stelt Berends, observaties ín en onder de ijskap ontbreken volledig. Als hij de twee scenario’s verwerkt in zijn ijskapmodel dan verschilt het meters zeespiegelstijging, in het nadeel van ijs dat zich gedraagt als glijdend boek.

De oplossing:
Meer meten

De metingen van Davis, de satellietobservaties van Bert Wouters, de weerstations van Michiel van den Broeke, allemaal dragen ze bij aan de modellen waarmee Van de Wal en Berends de werkelijkheid zo goed mogelijk proberen te benaderen.

De uiteindelijke oplossing voor Antarctica’s onzekerheden: gekoppelde modellen. Deze worden al gebruikt maar de resolutie is volgens Berends nog veel te laag. Hierdoor worden kleinschalige, maar belangrijke processen niet meegenomen. Hoe ze er volgens Berends uit zien: een combinatie van oceaan-, weer- en ijskapmodellen. „Dan kunnen we al die complexe interacties beter begrijpen”, vertelt Berends. „Maar ja, als we gedetailleerde gekoppelde modellen willen bouwen begint het met meer metingen op maar één plek, Antarctica.”

Lees deze column van Peter Kuipers Munneke: Zeespiegelbeleid verdient meer dan onbezoldigd hobbywerk