Nieuwe zeespiegelprojecties: de asymmetrische onzekerheid blijft

In Nature stonden vorige week twee artikelen met nieuwe projecties van de zeespiegelstijging. Of, om precies te zijn: de te verwachten bijdrage van het smelten van landijs daaraan. Voor de totale stijging moet daar nog de bijdrage van thermische expansie van zeewater bij worden opgeteld. Volgens het IPCC Speciale Rapport over de oceanen en de cryosfeer is dat, afhankelijk van hoeveel het opwarmt, zo’n 15 tot 30 centimeter aan het eind van deze eeuw. En, om helemaal compleet te zijn, er wordt ook nog enkele centimeters stijging verwacht als gevolg van grondwateronttrekking en veranderingen in opslag van zoet water op land.

De grootste onzekerheden zitten in de bijdrage van het landijs en dan vooral in die van de ijskappen van Groenland en Antarctica. De reden daarvoor is eenvoudig: er hoeft maar een fractie van al dat ijs te smelten om de zeespiegel een halve of een hele meter te laten stijgen. Hoe groot de fractie die smelt precies zal zijn en hoe snel dat smelten gaat is niet zo eenvoudig te voorspellen.

Er zijn nogal wat variabelen die invloed kunnen hebben op het smeltproces: de temperatuur, de hoeveelheid neerslag, de eigenschappen van het ijs en van de bodem waar het op ligt, enzovoort. Bij ijs dat op de zeebodem rust komen daar dan nog oceaanstromingen, de temperatuur van het zeewater en de eigenschappen van de zeebodem bij. Modellen die de bepalende processen gedetailleerd simuleren zijn behoorlijk complex. De rekentijd op supercomputers die nodig zijn voor dergelijke simulaties is duur en dus zit er een grens aan het aantal simulaties dat ijsonderzoekers uit kunnen voeren.

Tamsin Edwards heeft een statistische methode toegepast om uit bestaande simulaties extra informatie te peuteren. Het artikel met haar resultaten telt maar liefst 84 auteurs. Dat het er zoveel zijn komt vooral omdat Edwards een groot aantal ijskap- en gletsjermodellen heeft geanalyseerd (de modellen die meedoen in het Ice Sheet Model Intercomparison Project ISMIP6 en in het Glacier Model Intercomparison Project GlacierMIP) en de onderzoeksgroepen die die modellen hebben ontwikkeld allemaal mee hebben gewerkt. Met haar methode kan Tamsin Edwards eerdere berekeningen van die modellen “vertalen” naar de SSP-scenario’s die in het komende IPCC-rapport worden gebruikt.

De berekeningen laten een aanzienlijk verschil zien tussen de hoeveelheid ijs die smelt bij 1,5°C en bij 2°C opwarming. Bij 1,5°C zorgt smeltend landijs naar verwachting voor zo’n 13 centimeter zeespiegelstijging in 2100, bij 3°C (de te verwachten opwarming op basis van het totaal aan nu ingediende plannen in het kader van het Akkoord van Parijs) is dat bijna het dubbele: 25 centimeter. Vooral voor de hoeveelheid ijssmelt op Groenland maakt die anderhalve graad een groot verschil, ongeveer een factor 3. Voor berggletsjers is dat een factor twee. Voor Antarctica maakt een anderhalve graad weinig uit, volgens de modellen. Maar daar zit wel een adder onder het gras: asymmetrische onzekerheid.

Als alles meezit wordt het ijs dat op de ene plek op Antarctica smelt gecompenseerd door extra sneeuwval op andere delen van de ijskap. Een tijdelijk effect, vermoedelijk, omdat de toename van neerslag een snel optredend gevolg is van opwarming, terwijl de reactie van de ijskap een stuk trager is. Maar een tijdelijk effect zou bij zo’n grote ijsmassa best een eeuw kunnen duren. Als het smelten daarentegen wat sneller gaat dan verwacht zou Antarctica aan het eind van de eeuw tot een halve meter aan de zeespiegelstijging toe kunnen voegen. Zelfs als de temperatuur maar 1,5°C stijgt. De asymmetrie zit ‘m erin dat de mogelijke tegenvallers veel groter zijn dan de mogelijke meevallers. In het beste geval blijft de zeespiegelstijging iets achter bij de verwachtingen, in het ergste geval wordt het veel meer.

Veel van de onzekerheid heeft te maken met de beschermende werking van ijsplaten op delen van de ijskap, vooral in West-Antarctica. We hebben het daar al meermaals over gehad op ons blog. De ijsplaten versterken delen van ijskap, die op veel plaatsen rond Antarctica vanaf het land doorloopt tot op de zeebodem. Land is overigens een wat bedrieglijke term: als al het ijs van Antarctica zou verdwijnen zou een deel van wat nu een aaneengesloten continent lijkt veranderen in een archipel. Vooral van West-Antarctica zou niet veel overblijven.

Als een ijsplaat smelt, onder invloed van zowel smeltwater van bovenaf als warmer oceaanwater van onderaf, kan een deel van de ijskap dat op de oceaanbodem rust instabiel worden. De twee mechanismes die hierbij een rol kunnen spelen heten Marine Ice Sheet Instability (MISI) en Marine Ice Cliff Instability (MICI). MISI houdt in dat het ijs sneller gaat stromen wanneer het niet meer wordt gesteund door ijsplaten. De grondlijn van de ijskap trekt zich dan terug, wat steeds sneller kan gaan als de ijskap oorspronkelijk tegen een rug op de zeebodem lag. MICI betekent dat er een verticale ijswand overblijft, een klif, als een ijsplaat is gesmolten of afgebroken. Zo’n wand kan onder het gewicht van het ijs bezwijken. Het ijs kalft dan in hoog tempo af. Op zich is ijs behoorlijk sterk: een massief blok zou best 500 meter hoog kunnen worden. Maar in een ijskap zitten barsten en scheuren en er werken krachten op in die het verder kunnen verzwakken, zoals de druk van het ijs dat vanaf het hoger gelegen land omlaag stroomt en de getijden in de oceaan. Hoe hoog zo’n ijsklif bij Antarctica kan worden voor hij instabiel wordt is niet bekend en het zou ook van plaats tot plaats aanzienlijk kunnen variëren. IJskliffen hoger dan zo’n 100 meter zijn nog nooit waargenomen.

Hoe de hoogte waarop Antarctische ijskliffen instabiel worden van invloed kan zijn op de zeespiegel in de komende eeuwen wordt onderzocht in een artikel met als eerste auteur Robert DeConto. Vijf jaar geleden schreef DeConto, samen met David Pollard die ook deze keer meewerkte, een invloedrijk artikel over de mechanismes die ijskappen instabiel kunnen maken en de mogelijke invloed daarvan op de zeespiegel. De conclusie was dat sommige delen van de ijskap van West-Antarctica deze eeuw al instabiel zouden kunnen worden en dat de zeespiegel daardoor in de komende eeuwen meters zou kunnen stijgen. In de nieuwe studie worden, zoals Tamsin Edwards in 2019 al verwachtte, de projecties wat naar beneden bijgesteld. En naar achteren bijgesteld. Een mogelijke snelle zeespiegelstijging zet volgens het nieuwe onderzoek wat later in, wat behoorlijk veel invloed heeft op de projecties voor het jaar 2100, maar veel minder voor die op langere termijn.

Het effect van instabiliteit van ijskliffen is nog onderwerp van pittige wetenschappelijke discussies. In de modellen die Edwards onderzocht is het niet meegenomen. Het is dus niet verwonderlijk dat de resultaten van Edwards en Deconto verschillen. Dat modellen divergeren is niet zo vreemd of ongebruikelijk, schrijft Gavin Schmidt op RealClimate:

Ice sheet science and the consequent sea level rise, like many cutting-edge topics, generally has a widening of uncertainty when the tools and theory start to really kick off. It is only later that this uncertainty is constrained as more observational data is brought to bear. Then, and not before, will projections start to narrow.

DeConto testte in zijn onderzoek de invloed van twee variabelen op de ijskap van Antarctica: de stabiliteit van ijskliffen en het effect van smeltwater op ijsplaten. Hij voerde 196 modelsimulaties uit met een ruime bandbreedte voor die twee variabelen. De modelresultaten werden vervolgens vergeleken met paleoklimatologische reconstructies van veranderingen in de ijskap om de bandbreedte te begrenzen. De begrensde bandbreedte werd gebruikt voor de toekomstprojecties.

DeConto wijst erop dat het punt waarop een deel van een ijskap instabiel wordt als kantelpunt te zien is. Het is geen vanzelfsprekendheid dat ijsplaten die eenmaal verdwenen zijn meteen weer teruggroeien zodra de temperatuur begint te dalen. De traagheden in de opwarming van de oceaan en het smelten van ijsplaten die in eerste instantie in het voordeel van de mens kunnen werken, omdat ze de instabiliteit van de ijskap uitstellen, zouden zich dan tegen ons keren: het herstel van een ijsplaat gaat te traag om het instorten nog te voorkomen.

Wanneer de eerste kantelpunten worden bereikt hangt natuurlijk af van hoeveel de temperatuur stijgt. Volgens het onderzoek van DeConto is er voor Antarctica niet zoveel verschil tussen scenario’s waarin de opwarming tot 1,5°C of 2°C wordt beperkt. De snelheid waarmee het ijs smelt neemt dan wel geleidelijk toe, maar een grote sprong blijft dan de komende eeuwen waarschijnlijk uit. In 2300 zou Antarctica dan voor een halve tot anderhalve meter zeespiegelstijging zorgen. De afbeelding hieronder geeft die scenario’s weer, met in zwart de stijging van de zeespiegel, in blauw de bijbehorende waarschijnlijkheidsintervallen en in rood de snelheid van de stijging.

Warmt het meer op, dan kan in de tweede helft van deze eeuw de snelheid waarmee Antarctisch ijs smelt al aanzienlijk toenemen. Dat geldt vooral voor het extreme emissie-scenario RCP8.5, dat voor zo’n 10 meter zeespiegelstijging zou kunnen zorgen in 2300. Hieronder de projecties voor een opwarmingscenario van 3°C en voor RCP8.5. Het rode en het blauwe lijntje in de grafiek rechtsonder laten het effect zien van mogelijke terugkoppelingen die het smelten wat zouden kunnen vertragen. Zoet smeltwater en ijsschotsen zouden een “deksel” kunnen vormen op het warmere maar zoute zeewater en het zo weghouden van de onderkant van ijsplaten, waardoor die trager smelten. De rode lijn geeft het resultaat van een modelexperiment waarin dit niet is meegenomen, de blauwe lijn van een experiment waarin dit wel is gedaan.

Geprojecteerde zeespiegelstijgingen zijn niet zomaar een op een te vertalen naar Nederland. IJskappen hebben zoveel massa dat ze een gravitatie-effect hebben: ze trekken zeewater naar zich toe. Dat effect neemt af als er ijs smelt. Of, anders gezegd: als de ijskappen kleiner worden kan daardoor het zwaartepunt van de aarde iets verschuiven. Als Groenland ijs verliest heeft dat voor de zeespiegel bij Nederland wat minder invloed dan gemiddeld voor de hele wereld; als Antarctica ijs verliest juist wat meer. En er zijn nog andere factoren die invloed kunnen hebben in een veranderend klimaat, zoals de invloed van veranderende weerpatronen op wind en luchtdruk.

Alles bij elkaar is er meer dan genoeg onzeker om beleidsmakers in Nederland en elders in de wereld hoofdbrekens te bezorgen. Met, naast Antarctica, de mensheid zelf als belangrijkste onzekere factor.

Meer over de twee artikelen in Nature en de zeespiegel is hier te vinden:

• “Hoe voorspel je de zeespiegelstijging?” van Marlies ter Voorde op Nemo Kennislink;
• “Why is future sea level rise still so uncertain” van Gavin Schmidt op RealClimate;
• Een artikel en een gastbijdrage van Robert DeConto en collega’s op Carbon Brief;
• Twitterdraad van klimaatwetenschapper Alex Robel met achtergrondinformatie en links.