Stel je voor dat alle berggletsjers over de hele wereld gesmolten zouden zijn. Dan stijgt de zeespiegel hierdoor zo’n 35 centimeter. AIs ook de Groenlandse ijskap – die 20 keer zoveel massa heeft als alle berggletsjers bij elkaar – zou smelten, stijgt de zeespiegel nog eens 7 meter. Zou ten slotte ook de ijskap van Antarctica smelten – die weer acht keer zo groot is als de Groenlandse ijskap – dan komt daar nog eens 56 meter bij. In totaal zal de zeespiegel dan dus ruim 60 meter stijgen.
Gelukkig is het nog lang niet zo ver. Maar wat wel zeker is, is dat de zeespiegel de komende jaren verder zal stijgen als gevolg van het smeltende ijs. Hoe groot is nu de bijdrage van het smelten van de verschillende ijsmassa’s op dit moment? Peter Kuipers Munneke doet als glacioloog onderzoek aan gletsjers en werkt parttime als weerman bij het NOS Journaal: “Uit onderzoeken blijkt dat de zeespiegel op dit moment iets meer dan 4 millimeter per jaar stijgt. De smeltende berggletsjers, de Groenlandse ijskap en Antarctica dragen daar ieder ongeveer evenveel aan bij. Dat lijkt misschien onlogisch, als je kijkt wat een enorm verschil er is in omvang van deze enorme ijsmassa’s. Toch is het minder onlogisch dan je denkt. De veel kleinere berggletsjers passen zich veel sneller aan de klimaatverandering aan. Ten opzichte van hun massa hebben ze een heel groot oppervlak dat de opwarming van de atmosfeer rechtstreeks voelt.”
Jong onderzoeksgebied
Het onderzoek aan gletsjers is een relatief jong vakgebied. Lange tijd werden maar op een beperkt aantal plekken berggletsjers geobserveerd. Bijvoorbeeld in Oostenrijk, waar ze al sinds 1891 de omvang van bijna honderd gletsjers in kaart brengen.
Figuur 3: Meten aan gletsjers. Bron: Schooltv.
Pas na de Tweede Wereldoorlog begonnen onderzoekers gletsjers meer te beschouwen vanuit een natuurkundig perspectief. Ze probeerden het gedrag van gletsjers inzichtelijk te maken. Hoe bewegen gletsjers zich? Waardoor komt dit? Welke factoren spelen een rol bij het smelten van gletsjers? Allemaal vragen die de onderzoekers wilden beantwoorden. Hiervoor keken ze naar de materiaaleigenschappen, naar de massabalans en naar de energiebalans van gletsjers.
Vervorming ijs
Materiaaleigenschappen zijn vooral interessant om te kunnen begrijpen waarom een gletsjer beweegt. Een gletsjer bestaat uit een heel dikke laag ijs met bovenop sneeuw. Bij een berggletsjer is deze laag al gauw 200 meter dik. Onder in de gletsjer is de druk van de ijslaag erboven hoog. Omdat ijs een materiaal is dat vervormt onder hoge druk, zal het ijs onderin het meest vervormen. Deze vervorming gaat met de derde macht: bij een tweemaal zo hoge druk is de vervorming achtmaal zo groot. Door de vervorming onderin wordt het ijs hier stroperig en gaat de gletsjer ‘stromen’. De stroomsnelheid is evenredig met de derde macht van de dikte. De gletsjer stroomt dus harder op plekken waar deze dikker is.
“Dat ijs vervormt, heeft te maken met wat ze in het Engels ‘dislocation creep’ noemen”, legt Kuipers Munneke uit. “Gletsjerijs is nooit één groot perfect kristal. Er zitten altijd imperfecties in het ijs. Door de hoge druk op de onderste ijslaag – bij een ijslaag van 300 meter is de druk onderin wel 30 bar – zal het ijskristal juist op deze plekken breken en vormen zich op andere plekken weer nieuwe bindingen. Hierdoor vervormt het ijs en zal het gaan stromen.”
Figuur 4: Bij imperfecties in het kristalrooster zullen onder hoge druk bindingen breken en nieuwe bindingen gevormd worden. Bron: YouTube.
Massabalans gletsjer
Om de massaverandering - de krimp of aangroei - van een gletsjer te bepalen moet je de massabalans opstellen over een tijdsperiode, bijvoorbeeld een jaar. Je kijkt hoeveel er van de gletsjer in dat jaar is gesmolten en hoeveel erbij gekomen is door nieuwe sneeuwval of door sneeuw afkomstig van lawines van nabijgelegen sneeuwvelden.
Klinkt eenvoudig, maar je kunt de gletsjer natuurlijk niet even op de weegschaal leggen. Onderzoekers kunnen wel ter plekke de grootte van een gletsjer in kaart brengen en op verschillende plekken de diepte meten. Maar dat geeft nog geen nauwkeurig beeld. Bovendien maakt de slechte bereikbaarheid van veel gletsjers zulke metingen vaak onmogelijk. Daarom meten satellieten ook aan gletsjers.
Vanuit de ruimte meten satellieten met lasersystemen het reliëf van het buitenoppervlak van gletsjers. Ze kunnen ook met radarsystemen hoogtekaarten maken van de ondergrond van gletsjers om de massa van gletsjers te bepalen. Maar om massaveranderingen van gletsjers goed in de gaten te houden, volstaat het meten van het buitenoppervlak. Dit komt doordat de ondergrond van de gletsjer niet zomaar verandert.
Uit onderzoek naar de massabalans van de gletsjers in de Alpen blijkt dat in het jaar 2022 een recordhoeveelheid ijs gesmolten is. In dit extreem warme jaar is vijf kubieke kilometer ijs verdwenen door minder sneeuwval in de winter en door smelt gedurende de zeer warme zomer.
Evenwicht zoeken
Een gletsjer zoekt altijd naar evenwicht met zijn omgeving. Stel dat je een tien kilometer lange gletsjer hebt waarbij de evenwichtslijn precies in het midden ligt. In de bovenste vijf kilometer van de gletsjer neemt de massa toe, in de onderste vijf kilometer neemt de massa juist af door smelt. Om het overschot en het tekort op te heffen, stroomt het ijs van boven naar beneden. Als de temperatuur in de atmosfeer toeneemt, zal de evenwichtslijn van de gletsjer hoger komen te liggen. Dan zal de massa bijvoorbeeld alleen nog maar toenemen in de bovenste vier kilometer en zal de gletsjer in de onderste zes kilometer smelten. De gletsjer zal dan uiteindelijk twee kilometer moeten krimpen om weer in evenwicht te zijn. Zo zoeken gletsjers continu naar balans.
Energiebalans gletsjer
Hoe komt het nu dat gletsjers krimpen? Dat kun je achterhalen door naar de energiebalans van een gletsjer te kijken. De hoeveelheid smelt is voor elke gletsjer anders en hangt af van de omstandigheden en van de vorm van de gletsjer. Het maakt bijvoorbeeld uit hoe steil een gletsjer is en hoe breed deze aan de onder- of bovenkant is.
Een gletsjer smelt aan de buitenkant waar de gletsjer in aanraking komt met warme lucht en zonlicht. Je kunt je daarom wel voorstellen dat een gletsjer met een relatief groot buitenoppervlak ten opzicht van zijn massa sneller smelt. De processen die smelt veroorzaken zijn zoninstraling, warmtestraling, stroming van warme lucht over de gletsjer en sublimatie.
Zoninstraling
De hoeveelheid zoninstraling die bijdraagt aan smelt hangt af van de ligging van de gletsjer en van de weerkaatsing van zonlicht aan het gletsjeroppervlak. Ligt een gletsjer bijvoorbeeld op een noordhelling, dan komt er geen of nauwelijks zon op de gletsjer. Zo’n gletsjer zal dan dus minder snel smelten dan een vergelijkbare gletsjer die op een zuidhelling ligt. Valt er wel zonlicht op de gletsjer dan kan het percentage zonlicht dat op de gletsjer weerkaatst sterk verschillen. “Bestaat de bovenlaag van de gletsjer uit witte sneeuw, dan weerkaatst 85% van het zonlicht en draagt 15% bij aan opwarming”, legt Kuipers Munneke uit.
“Maar is de bovenste sneeuwlaag gesmolten, dan komt er ijs tevoorschijn. Omdat ijs veel donkerder is dan sneeuw zal dan nog maar 55% van het zonlicht weerkaatsten. Het percentage zonlicht dat bijdraagt aan de opwarming van de gletsjer is daardoor verdrievoudigd!” Ook wanneer er een laagje gruis op de gletsjer is terechtgekomen, zal dit grote invloed hebben op de zoninstraling. Ook dan is het oppervlak donkerder waardoor het minder zonlicht weerkaatst en eerder smelt.
Opgave 1
Een gletsjer smelt onder andere door zoninstraling. Stel dat je kijkt naar een vierkante meter gletsjer waar in de zomer de zon op schijnt. De gletsjer ligt zodanig dat de zon loodrecht op de gletsjer schijnt. De zoninstraling is dan 340 W/m2.
a) Ga ervan uit dat de sneeuw op de gletsjer al is gesmolten en het ijs zichtbaar is. Hoe groot is dan het vermogen van de zon dat zorgt voor smelt?
b) Om een gram ijs te laten smelten is 334 J nodig. Bereken hoeveel kilogram ijs er in een uur smelt op deze vierkante meter als je alleen kijkt naar de zoninstraling.
Antwoord
a) $P_{zon}= 340\cdot 0,45= 153\frac{W}{m^{2}}$
b) $153\frac{J}{s} = 153\cdot 60\cdot 60\frac{J}{uur}= 550800 \frac{J}{uur}$
Als je dit deelt door 334 J/g vind je 1649 g ijs.
Dat is dus 1,649 kg ijs.
Warmtestraling
Je zou denken dat gletsjers ook smelten door warmtestraling van de lucht naar de gletsjer. Hoe warmer de buitenlucht namelijk is, hoe groter de warmtestraling van de lucht naar de gletsjer. Toch smelten ze daardoor niet, omdat de warmtestraling van de gletsjer zelf naar de lucht bijna altijd groter is dan de andere kant op.
Opgave 2
a) Zoek op internet wat de oppervlakte is van de Aletschgletsjer in Zwitserland.
b) Wat is 's zomers de temperatuur aan het oppervlak van de Aletschgletsjer?
c) Bereken het vermogen dat het gletsjeroppervlak uitstraalt aan de hand van de wet van Stefan Boltzmann. Beschouw de gletsjer voor het gemak even als een zwarte straler.
d) Met welke factor moet je de waarde gevonden in c vermenigvuldigen, omdat je hier te maken hebt met ijs en niet met een zwarte straler? Kijk hiervoor naar de emissiviteit van ijs.
e) Wat is het totaal uitgestraalde vermogen van de Aletschgletsjer? Waarmee zou je dit kunnen vergelijken?
Antwoord
a) Agletsjer = 78,5 km2 = 7,85 . 107 m2
b) Tgletsjer = 273 K
c) Pgletsjer = $\sigma$ . Agletsjer . (Tgletsjer)4 = 5,67 .10-8. 7,85 . 107 . 2734 = 2,47 . 1010 W
d) Ongeveer met een factor 0,97.
e) Pgletsjer = 2,4 . 1010 W
Het vermogen van een grote windturbine op zee is zo'n 8 MW. Het uitgestraalde vermogen van de Aletschgletsjer is dan dus vergelijkbaar met 3000 van deze windmolens.
Stilstaande of turbulente lucht
Naast warmtestraling is er ook warmteoverdracht door warmtegeleiding van de warme lucht naar de gletsjer. Staat de lucht boven de gletsjer stil, dan is de warmteoverdracht tussen de warme buitenlucht en het ijs niet zo groot. Het stilstaande laagje lucht vlak boven het ijs is dan vrij koud en vormt als het ware een isolerend laagje naar de warmere buitenlucht. Hierdoor is de warmtestroom van de warme buitenlucht naar het ijs gering. Als de lucht boven het ijs echter steeds in beweging is door turbulentie, stroomt er steeds weer nieuwe warme lucht langs het ijs. Door het grote temperatuurverschil tussen het ijs en de warme luchtlaag vlak hierboven zal de warmtestroom van de lucht naar het ijs veel groter zijn.
Een klein deel van de massa-afname is ook toe te schrijven aan het direct overgaan van ijs naar waterdamp, oftewel sublimatie. Deze afname is echter verwaarloosbaar ten opzichte van de andere bijdragen.
Zichtbaar of verborgen
Onderzoek aan berggletsjers is relatief eenvoudig. Satellieten kunnen de omvang van gletsjers goed in kaart brengen om de massabalans te bepalen. Maar voor de energiebalans zijn satellietmetingen niet geschikt. De processen die een rol spelen bij smelten spelen zich vooral af op het grensvlak met de buitenlucht. “Om meer te weten te komen over de oorzaak van het smelten van gletsjers zijn metingen op en bij gletsjers heel belangrijk”, vertelt Kuipers Munneke. “Alleen ter plekke kun je zien en meten wat de omstandigheden zijn die leiden tot smelt.”
Bij de ijskap van Antarctica is onderzoek veel ingewikkelder. Daar is de massatoename niet alleen toe te schrijven aan sneeuwval, maar kan dit ook optreden door aangroei van ijs onder water. Massaverlies op Antarctica is vooral toe te schrijven aan het afbreken van grote ijsbrokken.
Dat de processen op Antarctica zich voor een groot deel ook onder water afspelen, maakt meten lastig. “Het klinkt misschien raar, maar we weten eigenlijk meer van de oppervlakte van de maan, dan van de onderkant van de ijskap op Antarctica. We kunnen er simpelweg niet bij, het is voor ons een verborgen wereld”, vertelt Kuipers Munneke. “Wat we wel kunnen, is kijken naar het ontstaan van spleten aan de bovenkant. Deze spleten kunnen we met satellieten in beeld brengen. De spleten vertellen ons iets over wat er aan de onderkant moet zijn gebeurd. Zo kunnen we gelukkig wel indirect meer te weten komen.”
Nog meer lezen over onderzoek aan gletsjers en ijskappen? Lees dan het boek Alles smelt van Peter Kuipers Munneke & Martijn van Calmthout.
