Hoeveel stijgt de zeespiegel als al het ijs op Antarctica smelt en wat zijn de regionale gevolgen hiervan?

Allereerst een verantwoording van de getallen hierboven. De hoeveelheid ijs op Antarctica is bepaald aan de hand van een enorme hoeveelheid satelliet- en grondmetingen. Daarmee is de grootte van de ijskap bepaald: ongeveer 27 miljoen kubieke km [1]. In de details van het ijsvolume, bijvoorbeeld hoe dik het op plaatsen precies is, zitten nog onzekerheden, maar het totale volume is vrij zeker [1]. Het totaaloppervlak van de oceanen en zeeën is ook bepaald via satellietobservaties.

Afbeelding via Pexels.com

Complicatie 1: verschil in dichtheid van ijs, puur water en zeewater

Water is een raar goedje. Stoffen op aarde hebben gewoonlijk hun grootste dichtheid in vaste vorm. Een kilogram van een bepaalde stof in vaste vorm neemt minder ruimte in dan een kilogram van dezelfde stof in vloeibare vorm. Bij water hebben waterstofbruggen invloed op deze dichtheidswetmatigheid. Hierdoor heeft water van 4°C (vloeibaar dus) de hoogste dichtheid – warmer of kouder water heeft dus een lagere dichtheid, en neemt dus per gewichtseenheid meer ruimte in. Zeewater heeft door de vele opgeloste mineralen een nog grotere dichtheid dan puur water.

De verschillen zijn behoorlijk groot. Hieronder typische waarden voor:
Dichtheid ijs: ~917 kg/m3 1 Gt (gigaton) = ~1,091 km3 ijs
Dichtheid puur water: 1000 kg/m3 1 Gt = 1,000 km3 puur water
Dichtheid zeewater: ~1027 kg/m3 1 Gt = ~0,937 km3 zeewater

Dit heeft niet alleen tot gevolg dat ijs drijft, maar ook dat bevroren waterleidingen springen, en dat een hoeveelheid gesmolten Antarctisch ijs minder ruimte inneemt in de oceanen. Daarom moet het ijsvolume van Antarctica met ongeveer een factor 0,9 vermenigvuldigd worden om het volume in vloeibaar water te bepalen. Door dit effect zou de zeespiegel ~7 meter minder stijgen dan de 75 meter die in de korte berekening werd genoemd. Vervolgens wordt dit effect nog iets verkleind, omdat het zoetwater uit de ijskap het gemiddelde zoutgehalte van het wereldwijde zeewater verlaagt, wat weer tot een kleinere dichtheid en een groter volume van het zeewater zorgt. Al deze effecten moeten meegenomen worden om de wereldwijd gemiddelde zeespiegelstijging door smeltend landijs te bepalen. Maar er is nog een complicatie.

Complicatie 2: Niet al het Antarctische ijs draagt bij aan zeespiegelstijging

Op de basisschool leerde je waarschijnlijk al: het Noordpoolgebied heeft een oceaan, het Zuidpoolgebied een landmassa. En dat het smelten van zeeijs niet bijdraagt aan zeespiegelstijging, en ijs dat op land ligt wel. Allemaal waar, maar dat betekent niet dat al het Antarctische landijs bijdraagt aan zeespiegelstijging. Wanneer je de kaart van Antarctica zonder ijsmassa erbij pakt, zie je dat veel van Antarctica's ijsmassa op een verdronken continent ligt (Figuur 1b). Allereerst is er een klein deel van de ijskap op Antarctica dat drijft op zeewater, de zogenaamde ijsplaten: dit ijs draagt als het smelt dus ook niet bij aan zeespiegelstijging (grofweg de grijze gebieden in Figuur 1a) en moet dus genegeerd worden. Belangrijker is dat grote delen van de Antarctische ijskap rusten op land dat onder zeeniveau ligt. Vergelijk bijvoorbeeld de kaart van het ijsoppervlak Figuur 1a, met de kaart van de hoogte van de Antarctische ondergrond in Figuur 1b. Wanneer de gehele Antarctische ijsmassa zou smelten, zal het deel van de ijsmassa dat onder zeeniveau ligt, worden vervangen door zeewater, en dit deel zal niet bijdragen aan zeespiegelstijging. Natuurlijk komt op den duur de Antarctische landmassa ook omhoog wanneer het gewicht van de ijskap niet meer op het land drukt [2], maar dit duurt duizenden jaren en compenseert maar ten dele de grote gebieden die onder zeeniveau liggen. In feite dient dus het deel van de ijskap onder zeeniveau niet meegerekend te worden in de berekening van zeespiegelstijging. Daarnaast moet nog worden gecompenseerd voor het feit dat de bovenste 50-100 meter van de ijskap niet bestaat uit ijs, maar uit samengedrukte sneeuw (firn). Firn heeft een lagere dichtheid dan solide ijs. Het is een kleine correctie, maar toch belangrijk om het geheel sluitend te maken [3]. Zie voor een totale berekening ook deze uitleg (in het Engels). Door deze effecten gecombineerd ligt de uiteindelijke zeespiegelstijging dus ~23% lager dan de 75 meter uit de korte uitleg.

Figuur 1 a: compilatie van waarnemingen van de hoogte (in meters boven zeeniveau) van het Antarctische continent. b: hoogte (in meters boven/onder zeeniveau) van de landmassa onder de ijskap. Alle licht- en donkerblauwe kleuren geven land onder zeeniveau aan. c: dikte van de ijsmassa op Antarctica. De dikste delen van de ijskap liggen op plaatsen waar de ondergrond van de ijskap onder zeeniveau ligt. Allen uit referentie 1.

Complicatie 3: het gesmolten ijs verdeelt zich niet evenredig over het oceaanoppervlak

Je zou verwachten dat de wereldwijde oceaanbekkens een soort badkuip zijn: als ijs van Antarctica smelt komt meer water in die badkuip, wat het waterniveau in de badkuip overal doet stijgen. Het lijkt ook zo simpel: de zeespiegelstand is de diepte van de zee- of oceaanbodem tot het wateroppervlak. Stop je daar water vanuit een afsmeltende ijskap bij, dan stijgt de zeespiegel. Maar de realiteit is complexer: aantrekkingskrachten en interacties tussen de vaste aarde, de ijskap en de oceaan moeten worden meegenomen. Dat is een ingewikkeld samenspel, met als belangrijke factor de wet van Newton. De ijskap en de oceaan zijn beide massa’s, en volgens Newton's wet van de zwaartekracht trekken deze massa’s elkaar aan. De ijsmassa is meer rigide dan het vloeibare oceaanwater, waardoor het oceaanwater als gevolg van de aantrekkingskracht van de ijskap ‘tegen de ijskap opstaat’. Hierdoor is het waterniveau dichter bij een ijskap hoger dan in de rest van de oceaan (Figuur 2).

Figuur 2 Schematische weergave van de aantrekkingskracht van een ijskap op het omliggende oceaanwater.

Als de ijskap smelt, verdwijnt dit aantrekkingseffect. Dus bij het smelten van de ijskap stijgt de zeespiegel op plekken ver weg van de ijskap, door de toevoeging van water. Daar wordt de aantrekkingskracht minder gevoeld. Maar, dichtbij de ijskap daalt hij, omdat de aantrekkingskracht kleiner wordt. En die effecten zijn niet klein: dichtbij de ijskap kan bij afsmelten de zeespiegel tientallen meters dalen! En dan is er ook nog de respons van de bodem door het smelten van de ijsmassa: als de Antarctische ijskap smelt zal Antarctica op termijn honderden meters omhoogkomen. Dit heeft lokaal rond Antarctica ook gevolgen voor de zeespiegel. Al met al een complex geheel van interacties tussen de ijskap, de oceaan en de bodem die het wereldwijde zeespiegelsignaal verre van uniform maken. Nederland ligt bijvoorbeeld dicht genoeg bij de Groenlandse ijskap om het zwaartekracht effect te voelen [4]. Uiteindelijk, als al het ijs op Antarctica gesmolten zou zijn, volgt de verdeling van het extra water zoals aangegeven in Figuur 3, waarbij de waarde '1' de gemiddelde zeespiegelstijging weergeeft.

Figuur 3 Regionale gevolgen voor de zeespiegel als de Antarctische ijskap helemaal smelt, met inachtneming van complicatie 1 en 2. Op het noordelijk halfrond en rond de evenaar is de zeespiegelstijging meer dan je zou verwachten op basis van het ijsvolume op Antarctica, ten zuiden van Zuid-Afrika is de zeespiegelstijging minder dan je zou verwachten, en dicht bij de ijskap is er zelfs een zeespiegeldaling, omdat de ijskap het oceaanwater niet meer aantrekt. Uit ref [4]. De schaal is genormaliseerd naar het verwachte zeespiegelniveau op basis van het gesmolten ijsvolume (dus met complicatie 1 en 2). < 1 (licht oranje tot donkerblauw) is minder dan de verwachte zeespiegelstijging, met donkerblauw zeespiegeldaling, >1 (donkeroranje tot rood) is meer.

Hoe zou Antarctica eruitzien als al het ijs gesmolten zou zijn?

En dan zijn er natuurlijk gevolgen voor Antarctica zelf, want als het daar zó warm zou zijn dat al het ijs gesmolten is, dan ziet Antarctica er natuurlijk heel anders uit dan nu. Het binnenland van Antarctica zou hoge bergketens (vergelijkbaar met de Alpen) en immense gletsjerdalen hebben [1]. Om te weten hoe het landschap van Antarctica er uit zou kunnen zien zonder ijskap moeten we teruggaan naar het verleden, toen er zoveel CO2 in de atmosfeer zat dat wereldwijd de temperatuur veel hoger was dan nu. Zo hoog dat ijs in de poolgebieden niet bestond. Zo’n 50 miljoen jaar terug in de tijd, in het Eoceen, lag het continent Antarctica al wel rond de zuidpool [5]. De concentratie CO2 in de atmosfeer was door natuurlijke oorzaken (vulkanisme, en weinig opslag in de ondergrond) veel hoger dan nu: boven de 1000 deeltjes per miljoen (ppmv; dat is nu rond de 413 ppmv) [6]. De kust van Antarctica had toen tropisch regenwoud, met palmen, boomvarens, Macadamianootbomen en Apenbroodbomen [7]. Zelfs ‘s winters was het boven de 10 graden, ‘s zomers boven de 20, en het regende er flink [7]. Zo geeft het geologisch verleden een mooi inzicht in hoe de wereld er onder andere omstandigheden (in de verre toekomst?) uit kan zien.