Gravitatie-effect verstoort badkuipillusie
Kees Floor, Het Weer Magazine, februari 2009

Al 15 jaar komt de zeespiegel jaarlijks 3 millimeter omhoog. Gemiddeld dan wel te verstaan, want er zijn grote verschillen tussen diverse locaties op aarde. In sommige streken daalt de zeespiegel zelfs. Het gedrag van de zeespiegel is nog niet volledig begrepen. Wel is duidelijk dat, naast veranderingen in zeestromingen en opwarming van het oceaanwater, het gravitatie-effect en vervormingen van de aardkorst een rol spelen.

1. Groenland gezien in noordelijke richting vanuit het ruimteveer van de NASA op 2 april 1999. De kustlijn toont talrijke fjorden, waaraan de Groenlandse dorpen en steden liggen. De zwarte tint van de ruimte contrasteert sterk met het wit van sneeuw en bewolking. Het water van de Labrador Zee en de Atlantische Oceaan is diep blauw. Bij de oostkust bevindt zich drijfijs.
Op dit moment is de ijskap van Groenland de enige op het Noordelijk Halfrond. Hij is gemiddeld 1600 meter dik; de grootste dikte is 3000 meter. Stel dat al dit ijs zou smelten, zou het zeeniveau langs onze kust dan 7 meter stijgen? Geofysicus Bert Vermeersen uit Delft denkt van niet. Gemiddeld over de hele aarde zou de zeespiegelstijging weliswaar 7 meter bedragen, maar het water wordt niet gelijkmatig over de wereldbol verdeeld. Langs de Hollandse en Vlaamse kust komt het water hooguit 2 meter hoger te staan. Tegelijkertijd bedraagt de zeespiegelstijging op het zuidelijk halrond dan meer dan 7 meter. Foto: NASA STS045-152-105.
2. Sinds 1993 meten de satellieten Topex/Poseidon (links) en vanaf 2001 Jason-1 het niveau van de zeespiegel. In die periode steeg de zeespiegel gemiddeld over de hele aarde ongeveer 3 millimeter per jaar. Seizoensafhankelijke variaties zijn weggelaten om de trend beter zichtbaar te maken. Bron: University of Colorado

3. Verschillen tussen de zeeniveaus van 2008 en 1993. De in de grafiek van figuur 2 weergegeven zeespiegelstijging is niet uniform, maar sterk afhankelijk van de positie. Op wit ingekleurde locaties steeg de zeespiegel 10 millimeter per jaar, in de paarse gebieden trad een zeespiegeldáling op van 5 millimeter per jaar. Bron: NASA/JPL.

Sinds 1993 houden satellieten als Topex/Poseidon, Jason-1 en OSTM/Jason-2 het zeeniveau wereldwijd nauwkeurig in de gaten. De metingen van de radar-hoogtemeters op de satellieten worden netjes uitgemiddeld en komen vervolgens terecht in overzichtelijke grafieken zoals figuur 2. De curves tonen over die periode een duidelijke opwaartse trend. De zeespiegelstijging bedraagt iets meer dan 3 millimeter per jaar.

Ongelijkmatig
'Dé zeespiegelstijging?', zegt Bert Vermeersen. 'Heb je wel eens gezien hoe die grafieken tot stand komen?' De Delftse onderzoeker aardobservatie en ruimtesystemen haalt er een wereldkaart bij, waarop overal op aarde de zeeniveaus van 2008 zijn vergeleken met die van 1993 (figuur 3). De weergave vormt een kleurrijk geheel met een grillig patroon. Wit, rood, geel, groen en lichtblauw geven de mate van zeespiegelstijging aan. Maar er zijn ook gebieden met een donkerblauwe of paarse tint; daar gingen de zeewaterstanden naar beneden. 'Er ís geen uniforme zeespiegelstijging', concludeert Vermeersen dan ook. 'Die 3 millimeter over de afgelopen 15 jaar klopt wel, maar het is niet meer dan een gemiddelde. Regionale afwijkingen ervan kunnen aanzienlijk zijn; er zijn zelfs plaatsen waar de zeespiegel daalt. Ook als we de veranderingen in oceaanstromingen en de uitzetting van opwarmend oceaanwater even vergeten, zal het smeltwater zich niet gelijkmatig verdelen over de wereldzeeën.'

Gravitatie-effect
Nog steeds zien veel mensen de oceaan als een badkuip. Je gooit er een emmer water in, en overal langs de rand klimt het water evenveel omhoog. Zo redenerend kom je uit op een zeespiegelstijging van 7 meter voor het volledig afsmelten van de Groenlandse ijskap en van 60 meter voor het verdwijnen van alle ijs op Antarctica. Maar in de praktijk gaat dit badkuipmodel niet op. 'Als landijs smelt, verandert ook het zwaartekrachtsveld van de aarde', legt Vermeersen uit. 'Dat komt doordat met het afsmelten tegelijkertijd de verdeling van ijs en water, en dus van massa, over de aarde anders wordt'.
Een ijskap trekt het oceaanwater aan, net als de zon en de aarde elkaar aantrekken of de aarde en de maan. Door dit gravitatie-effect staat de zeespiegel rond Groenland hoger dan bijvoorbeeld langs de Nederlandse en Vlaamse kust (figuur 4). Als de ijskap is weggesmolten, is de oorzaak van de hogere zeewaterstanden bij Groenland verdwenen. 'Je kunt met de gravitatiewet van Newton en simpele goniometrie uitrekenen dat de zeespiegel gaat dalen tot op een afstand van 2200 kilometer van de ijsmassa's', aldus Vermeersen. 'Daarna treedt er tot 6700 kilometer afstand een zeespiegelstijging op, maar minder dan je op grond van het badkuipmodel zou verwachten. Het grappige is dat het niet uitmaakt hoeveel ijs er smelt. Die getallen 2200 en 6700 gelden zowel voor 1 kg ijs als voor 100 gigaton. Voor de uiteindelijke zeespiegelstijging maakt de oorspronkelijke hoeveelheid ijs natuurlijk wél uit.'
Nederland, België en de Noordzee bevinden zich ten opzichte van Groenland in de zone tussen 2200 en 6700 kilometer. De zeespiegelstijging als gevolg van het smelten van de gehele Groenlandse ijskap blijft hier beperkt tot 2 meter, in plaats van de eerder veronderstelde 7 meter. Als gletsjers op het dichterbij gelegen IJsland zouden verdwijnen, geeft dat in onze streken zelfs een lichte daling van het zeeniveau; IJsland ligt namelijk minder dan 2200 kilometer ver weg.
'Voor afstanden van meer dan 6700 kilometer is de stijging groter dan berekend met het verouderde badkuipmodel', vult Vermeersen nog aan. 'Als alle ijs van Antarctica smelt, tikt dat in onze omgeving zo'n 10 procent zwaarder aan dan gemiddeld over de hele aardbol. Dit gravitatie-effect moeten de klimatologen dan ook in ieder geval meenemen bij hun zeespiegelvoorspellingen', concludeert hij.


4. Groenland (links) is bedekt door een ijskap en grenst aan de oceaan. Als de ijskap geen invloed zou hebben op de stand van de zeespiegel, zou kromme 3 het zeeniveau weergeven. Het ijs trekt echter het omliggende water aan, zodat de zeespiegel kromme 1 volgt; het water staat aan de kust bij de ijskap hoger dan niveau 3 en op grote afstand uit de kust lager.
Als al het ijs is gesmolten, stelt het oceaanoppervlak zich in op niveau 2. De verschillen die veroorzaakt werden door de aanwezigheid van het ijs, zijn verdwenen. Tussen de kust en het snijpunt van niveaus 1 en 2 daalt de zeespiegel. Men kan berekenen dat dit snijpunt ongeveer 2200 kilometer uit de kust ligt. Niveau 1 snijdt verder uit de kust ook nog niveau 3; dit snijpunt ligt op 6700 kilometer afstand van de ijsmassa's. Tussen beide snijpunten stijgt de zeespiegel van niveau 1 naar niveau 2. Dat is minder dan bij het 'badkuipmodel', dat suggereert dat alle water zich gelijkmatig over de oppervlakte van alle wereldzeeën zou verdelen. Volgens het badkuipmodel zou namelijk een stijging zijn opgetreden van niveau 3 naar niveau 2. Nederland bevindt zich ten opzichte van de Groenlandse ijskap tussen de beide snijpunten in; daardoor is de zeespiegelstijging die in Nederland optreedt ten gevolge van het afsmelten ervan niet 7 meter, maar minder, namelijk slechts 2 meter.
Rechts van het snijpunt tussen de niveaus 1 en 3 is de zeespiegelstijging groter dan volgens het badkuipmodel. In het geval van Groenlands ijskap gaat het dus om een stijging van meer dan 7 meter.
Voor Nederland en België is dit het goede nieuws. De medaille heeft echter ook een keerzijde. Smeltende en afkalvende ijskappen van Antarctica hebben langs onze kust grotere gevolgen dan we op grond van het verouderde badkuipmodel zouden verwachten.

Vingerafdrukken van smeltende ijskappen
Is de Delftse geofysicus de ontdekker van het gravitatie-effect? Zelf is hij de eerste om te benadrukken dat dit niet het geval is. 'Al in de negentiende eeuw zijn er wetenschappelijke artikelen verschenen, waarin het verschijnsel haarfijn uit de doeken werd gedaan', weet hij. 'In de vorige eeuw is die kennis echter in de vergetelheid geraakt. In de jaren zeventig was het verschijnsel weer goed bekend bij geofysici, maar pas nu begint het concept langzaam door te dringen tot de klimaatwetenschappers.'
Zelf publiceerde Vermeersen, samen met een Italiaanse collega, in 1999 een artikel over het gravitatie-effect en de gevolgen daarvan als de Groenlandse ijskap zou smelten. Verder wijst hij op werk van Jerry Mitrovica van de Universiteit van Toronto, die het gravitatie-effect rond de eeuwwisseling in een computermodel stopte. De Canadese hoogleraar geofysica publiceerde in 2001 de resultaten van berekeningen van de bijdrage ervan aan de zeespiegelstijging in het gerenommeerde natuurwetenschappelijk tijdschrift Nature (figuur 5). Volgens het badkuipmodel zou het water overal op aarde moeten stijgen van niveau 3 uit figuur 4 naar niveau 2. De plaatsen waar die stijging inderdaad optreedt, zijn in figuur 5 voor het geval van Groenland weergegeven met oranje tinten (waarde 1.0). Rodere tinten duiden op een grotere zeespiegelstijging; in het donkerblauwe gebied rond Groenland daalt het zeeniveau.
'Je kunt zo'n patroon opvatten als de vingerafdruk die het smelten van de Groenlandse ijskap zou achterlaten', licht Vermeersen figuur 5 toe. 'Door veranderingen in zeeniveau in kaart te brengen die in het verleden tegelijkertijd op verschillende locaties optraden, kun je achterhalen welke ijskap de oorzaak was. De omvang van de smeltende ijskap heeft geen invloed op het patroon'.


5. Bijdrage van het gravitatie-effect aan de veranderingen van de zeespiegel na het volledig wegsmelten van de Groenlandse ijskap. Het vrijkomende water verdeelt zich niet gelijkmatig over de wereldzeeën. De grootste zeespiegelstijgingen zijn rood weergegeven. In het donkerblauw ingekleurde gebied rond Groenland daalt het zeeniveau. Bron: Mitrovica et al. (2001).

6. De aardkorst wordt door het gewicht van een ijskap weggedrukt en komt aan de randen weer omhoog. Na het smelten van het ijs herstelt de oorspronkelijke toestand zich langzaam. Het gebied onder het ijs komt dan omhoog, de uitstulpingen aan de randen zakken in.

Vervorming aardkorst
Naast het gravitatie-effect zijn er andere factoren waarmee je rekening moet houden als je toekomstige zeeniveaus wilt voorspellen. Zo is de aarde nog steeds niet volledig hersteld van de gevolgen van de laatste ijstijd. In die periode werd de aardkorst onder het ijs weggedrukt en kwam hij aan de randen van de ijskappen weer omhoog (figuur 6). Na het verdwijnen van het ijs, herstelt de oorspronkelijke situatie zich langzaam. Waar het ijs lag, komt de aardkorst weer omhoog; eromheen zakt hij terug naar zijn oorspronkelijke positie. Deze bewegingen hebben een grote invloed op het zeeniveau dat op een bepaalde locatie wordt gemeten.
Vermeersen noemt Scandinavië als voorbeeld van een gebied dat stijgt. 'De zeespiegel daalt rond de Botnische Golf een centimeter per jaar; de boothuizen uit de zeventiende eeuw liggen daar nu ver boven zeeniveau.'
Het smeltwater van de ijskappen stroomt uit over de oceanen. Daardoor moet de oceaanbodem meer gewicht dragen en zakt hij langzaam in. Dat geldt overigens ook voor de Noordzee. Onder meer om die reden zijn de bodemdalingen in het westen van Nederland het grootst. Tijdens het smeltproces verandert tegelijkertijd de massaverdeling van water en ijs over de aarde. Dat heeft gevolgen voor de aardrotatie, zoals het op drift slaan van de polen. Hoewel die zogenoemde poolvlucht slechts 10 centimeter per jaar bedraagt, beïnvloedt hij toch het wereldwijde patroon van zeespiegelstijging.

Geen voorspelling
'Zeespiegelstijging is een zeer ingewikkelde materie', vat Vermeersen de geofysische invalshoek van het probleem samen. 'Ík zou geen uitspraak durven doen over de zeespiegelstijging in Nederland en Vlaanderen aan het eind van deze eeuw. De wisselwerking tussen smeltende ijskappen, oceaanstromingen en veranderingen in de aardkorst is nog onvoldoende begrepen.'
Om daarover meer te weten te komen blijken naast hoogtemetingen van het oceaanoppervlak ook nauwkeurige zwaartekrachtsmetingen nodig. De Delftse geofysicus verwacht veel van de ESA-satelliet GOCE, die rond deze tijd vanaf de Russische lanceerbasis Pletesk wordt gelanceerd om dat soort metingen te gaan verrichten (zie ook Zenit december 2008, p549). 'Maar ook zonder de GOCE-resultaten af te wachten kan het badkuipmodel al de prullenbak in', aldus Vermeersen. 'Wisselingen in zeeniveau verschillen van plaatst tot plaats. Dé zeespiegelstijging bestaat niet'.

Literatuur:
Vermeersen, A.A.J., Effects of ice-melt induced gravity changes and solid earth deformation in the Netherlands, Netherlands Journal of Geosciences (Geologie en Mijnbouw), 87 (3), 215, September 2008.