Kees Floor, Zenit, november 2009.
De omvang van het zee-ijs in het noordpoolgebied was de afgelopen zomer minder dan normaal. Het record van 2007 werd echter niet overtroffen en ook vorig jaar was het gebied met zee-ijs kleiner. Wel blijft er over de jaren heen sprake van een afnemende tendens. Maar …, hoe weten we dat eigenlijk? Hoeveel ijs moet er drijven om van een zee-ijsbedekking te spreken. En wat is normaal?
Zee-ijs is bevroren zeewater dat drijft
op het onderliggende oceaanwater. De omvang van het gebied dat met zee-ijs bedekt
is, varieert met het seizoen.'s Winters groeit het zee-ijs aan en bereikt in het
noordpoolgebied vervolgens zijn maximale omvang in februari of maart. In de daaropvolgende
zomermaanden smelt het ijs gedeeltelijk weer weg, om in de tweede helft van september
een voor dat kalenderjaar minimale omvang te bereiken.
Het meeste zee-ijs
van het noordelijk halfrond drijft op de Noordelijke IJszee (Arctic Ocean in figuur1),
de kleinste en ondiepste van de vier oceanen. Doordat deze grotendeels omringd
is door land, kan het ijs slechts bij een beperkt aantal windrichtingen wegdrijven
naar zuidelijker breedtes om daar geleidelijk weg te smelten. In de winter vormt
zich ook zee-ijs in gebieden buiten de Noordelijke IJszee, zoals de Groenlandzee,
de Labradorzee, de Beringzee, de Hudsonbaai, de Baffinbaai en de Zee van Ochotsk.
 |  |  |
| 1. Satellietbeeld van de Noordelijke IJszee (Arctic Ocean) en het aangrenzende land van Groenland (Greenland), Canada en Rusland (bovenin het beeld). Het zichtbaarlichtbeeld in natuurlijke kleuren dateert van 29 mei 2009. IJs en bewolking zijn wit, open water is donker. Het ijs in de Barentszee (tussen Rusland, Nova Zembla (Nova Zemlya) en Spitsbergen) begint in stukken te breken. Ook zit er al water in de Baffinbaai ten westen van Groenland en in de Beaufortzee uit de kust van Canada en Alaska. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: National Snow and Ice Data Center (NSIDC) en NASA/GSFC MODIS Rapid Response Team. |
| 3. IJsbedekking op 10 augustus vorig jaar (2008) in het gebied rond de noordwestpassage, gebaseerd op microgolfmetingen van de Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E) op de Amerikaanse Terra-satelliet. De gele lijn geeft de moeilijk bevaarbare zuidelijke variant van de noordwestpassage, die in 1903 werd bevaren door Noorse ontdekkingsreiziger Amundsen. Bron: NSIDC en Universiteit van Bremen. |
Satellietmetingen
van zee-ijs
Sinds 1979 leveren satellieten meetgegevens die een onafgebroken
en samenhangend beeld geven van de hoeveelheid zee-ijs in het Noordpoolgebied.
De meetreeks met betrouwbare metingen is dus betrekkelijk kort, eigenlijk te kort
om van klimatologie te kunnen spreken. Om eventuele trends in de zee-ijsbedekking
te bepalen, vergelijkt men actuele waarnemingen met de mediaan over de periode
1979 tot 2000. De helft van de in die periode waargenomen ijsbedekkingen is kleiner,
de andere helft groter dan de mediaan.
Voor het satelliettijdperk begon, was
men aangewezen op poolexpedities, een dure, tijdrovende en gevaarlijke onderneming.
De meeste oudere waarnemingen komen uit Rusland, dat vanaf 1928 bases inrichtte
in het Russische deel van het Noordpoolgebied. Daarvoor waren er eind negentiende
eeuw waarnemingen van walvisvaarders.
Voor de periode 1954-1993 is een onafgebroken
meetreeks beschikbaar van Russische ijswaarnemingen. Met het uiteenvallen van
de Sovjet Unie in 1993 kwam er ook een eind aan de routinematige waarnemingen.
Gelukkig waren er tegen die tijd voldoende satellieten in bedrijf om de waarnemingsreeksen
te kunnen voortzetten. Ze worden aangevuld met de resultaten van incidentele veldwerk,
de meetgegevens van boeien en de weerwaarnemingen van automatische stations.
De
grens tussen gebieden met en die zonder zee-ijs legt men bij 15%, omdat de recente
satellietwaarnemingen en de oudere visuele waarnemingen dan het best op elkaar
aansluiten.
Satellietbeelden
Satellietbeelden van het noordpoolgebied
wekken vaak de indruk dat de omvang van het gebied dat bedekt is met zee-ijs eenvoudig
is vast te stellen. De bruikbaarheid van de 'klassieke' beelden in het zichtbaar
licht (zoals figuren 1 en 2) en in het infrarood (niet afgebeeld) is echter beperkt.
In beide golflengtegebieden belemmert bewolking het zicht op het wateroppervlak,
het eventueel aanwezig land en, waar het in dit geval om gaat, het zee-ijs. In
het Noordpoolgebied is het namelijk 70 tot 90 procent van de tijd bewolkt. Bij
de zichtbaarlichtbeelden is bovendien zonlicht vereist, en dat is in het winterhalfjaar
niet of nauwelijks voorhanden. In de zomer, als het ijs smelt, is er vrijwel geen
temperatuurverschil tussen het natte ijs en het oceaanwater; infraroodmetingen
moeten het juist van temperatuurverschillen hebben om verschillende objecten uit
elkaar te houden. Het ligt dus voor te hand te zoeken naar andere manieren om
de hoeveelheid zee-ijs vanuit de ruimte te bepalen.
Microgolven
Om
minder afhankelijk te zijn van bewolking en belichting, werkt men daarom liever
met microgolven. Voorwerpen zenden niet alleen warmtestraling uit, maar ook straling
in het golfgebied van de microgolven. De straling is zwak, maar ze wordt wel dag
en nacht uitgezonden en ondervindt weinig hinder van bewolking. De hoeveelheid
straling die in dit golflengtegebied wordt uitgezonden, hangt af van de natuurkundige
eigenschappen van de stof. IJs met zijn kristallijne structuur zendt meer straling
uit dan water. Doordat het signaal zwak is, meet men over een groter gebied, om
zo toch een detecteerbaar signaal te krijgen,. De resolutie van deze metingen
is dan ook niet zo hoog. Toch speelt deze techniek de belangrijkste rol bij het
monitoren van het ijs in de Noordelijke IJszee. Op dit moment zijn het vooral
de Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E) op de Amerikaanse Terra-satelliet
en de Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS) op de Amerikaanse militaire
satelliet DMSP-F17, die de gegevens leveren. Zo is figuur 3 gebaseerd op AMSR-E-gegevens
en zijn de figuren 4 en 5 gebaseerd op SSMIS-data.
Ook de Quick Scatterometer
(QuikSCAT) satelliet werkt met microgolven, die ze echter zelf uitzendt. Daarmee
tast ze het aardoppervlak af. Water en ijs zijn weer makkelijk uit elkaar te houden,
doordat verstrooiing door ijs anders is dan door water. Qua resolutie wordt echter
nauwelijks winst geboekt.
 |  |  |
| 6 (boven). Mozaïek van radarbeelden van een deel van het noordpoolgebied, midden augustus 2008, dus kort voor het zee-ijsminimum van vorig jaar. De stroken waaruit het beeld is opgebouwd, zijn in de afbeelding terug te vinden. De dekking rond de noordpool is onvoldoende, zodat daar geen waarnemingen beschikbaar zijn (grijze cirkel). IJs is blauw weergegeven; open water is donker, land is lichter van tint. De oranje lijn geeft de route door de zogeheten noordwestpassage, van de Labradorzee langs Canada en Alaska naar de Beringstraat; de route is vrijwel ijsvrij. De oranje stippellijn geeft een alternatieve route, de zogenoemde Amundsen noordwestpassage, die op dat tijdstip al bijna een maand geheel ijsvrij was. Instrument: Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR). Satelliet: Envisat. Bron: ESA. 7.(rechts) . De leeftijd van het zee-ijs aan het eind van de zomer. IJs van twee jaar of ouder is groen, ijs jonger dan 1 jaar paars, open water donkerblauw en land grijs. Het tweedejaarsijs (lichtblauw) is de afgelopen zomer toegenomen ten opzicht van vorig jaar. De omvang van het oudere ijs is echter zorgelijk en ligt ver onder het niveau van de periode 1981-2000. Bron: NSIDC, NASA/Earth Observatory en C. Fowler en J. Maslanik, University of Colorado. |
Radar
De
aanwezigheid van bewolking en de afwezigheid van zonlicht vormen ook geen probleem
bij radarmetingen. Zee-ijs reflecteert meer van de door een synthetic aperture
radar (SAR) op een satelliet uitgezonden radarstraling dan zeewater, zodat het
onderscheid goed kan worden gemaakt. De resolutie van de SAR-beelden is zelfs
zo goed dat ook smalle watergeulen in het ijs zichtbaar zijn (zie ook figuur 6).
Op
de radarbeelden ziet ouder ijs er ook anders uit dan jonger ijs. Het jonge ijs
bevat nog zeewater; in het oudere ijs zitten meer luchtbelletjes; deze verschillen
leiden tot verschillen op het radarbeeld.
De leeftijd en de daarmee samenhangende
dikte van het ijs zijn van belang om een inschatting te maken van de kwetsbaarheid
van het zee-ijs gedurende de zomerperiode. Vooral ijs dat in de winter nieuw is
ontstaan, loopt een groot risico gedurende de daarop volgende zomer weer te verdwijnen.
IJs dat meer dan twee jaar oud is, komt de zomer doorgaans wél ongeschonden
door. Dunner ijs heeft minder energie nodig om te smelten. Ook breekt het sneller,
waarbij er meer stukken open water komen. Gebieden die ijsvrij zijn, nemen meer
zonnewarmte op dan gebieden waar ijs aanwezig is, wat verder smelten van ijs bevordert.
Radarhoogtemetingen
Er
draaien ook satellieten in een baan om de aarde, die beschikken over radarhoogtemeters
(zie ook Zenit september 2009). De metingen zijn nauwkeurig genoeg om de hoogte
van het zee-ijs boven het wateroppervlak te kunnen meten. Daaruit kunnen onderzoekers
de dikte en de leeftijd van de ijslaag afleiden. Helaas hadden de satellieten
tot nog toe een baan die niet over het Noordpoolgebied voerde. Met de lancering
van de Cryosat-2 van ESA in februari of maart volgend jaar, komt er een satelliet
die wél specifiek gericht is op het waarnemen van zee-ijs tot vlak bij
de polen.
Meetresultaten
De jaarlijkse cyclus van aangroei in
het winterhalfjaar en afsmelten in het zomerhalfjaar is in satellietwaarnemingen
goed terug te vinden. In figuur 4 zijn dergelijke metingen in kaart gebracht voor
het meest recente zee-ijsminimum, dus dat van 12 september 2009. De gebruikte
waarnemingen zijn in dit geval afkomstig van de Special Sensor Microwave Imager/Sounder
(SSMIS) op de Amerikaanse militaire satelliet DMSP-F17. De omvang van het zee-ijs
bedroeg tijdens het minimum 5,1 miljoen vierkante kilometer; alleen in 2007 en
2008 was er na de zomer nog minder zee-ijs overgebleven.
Aan het eind van
deze zomer was bijna de helft van het zee-ijs minder dan een jaar oud (figuur
7). Het aandeel van het tweedejaarsijs nam toe, maar nog geen vijfde deel van
het gebied met ijsbedekking bevatte ijs van meer dan twee jaar oud. De hoeveelheid
ouder ijs bereikte een diepterecord, wat een slechte uitgangspositie oplevert
voor de omvang van het zee-ijs in komende jaren.
Het al dan niet opengaan van
de zogeheten noordwestpassage of noordwestdoorgang bezit een belangrijke symboolfunctie
voor de toestand van het zee-ijs rond de noordpool. Deze vaarweg ten noordoosten
van Canada, die de Atlantische Oceaan moet verbinden met de Grote Oceaan, is slechts
zelden ijsvrij. De noordelijke hoofdroute loopt door Lancaster Sound, noord van
Victoria Island door Parry Channel en door McClure Strait (zie figuur 2 en de
getrokken oranje lijn in figuur 6). Een moeilijker te bevaren zuidelijker route,
zoals in 1903 werd gevolgd door de Noorse ontdekkingsreiziger Amundsen (gestippeld
in figuur 6), is vaker open. Dit jaar bleef de noordelijke en belangrijkste variant
van de noordwestpassage dicht. In de beide voorgaande jaren was ze nog open geweest.
De zuidelijker Amundsenvariant was dit jaar wel enige tijd open.
De afgelopen
winter bereikte het zee-ijs uiteindelijk een omvang van 15,2 miljoen vierkante
kilometer (figuur 5). Dat was meer dan tijdens het diepterecord van enkele jaren
geleden, maar nog steeds minder dan wat normaal was in de periode 1979-2000. Na
slechts vier winters was er minder ijs; de zes laagste waarden van de omvang van
het zee-ijs traden alle op in de laatste zes jaar (2004 tot en met 2009).
 |  |
| 9. Afname van het zee-ijsminimum, dat in september optreedt in het noordpoolgebied. De stippellijn geeft het gemiddelde van wat klimaatmodellen aangeven; de blauwe band toont de spreiding in de uitkomsten van verschillende modellen. De waarnemingen zijn rood ingetekend; vooral vanaf 1979, toen de eerste satellietwaarnemingen van de omvang van het zee-ijs in het noordpoolgebied beschikbaar kwamen, is het gedrag van het zee-ijs nauwkeurig te bepalen. Bron: KNMI. |
Trends
en klimaatverandering
Doordat er inmiddels ruim dertig jaar is gemeten,
zijn er ook trends aan te geven in de omvang van de ijsbedekking en de leeftijdsopbouw
van het ijs. De waarnemingen van het zee-ijs tonen een dalende tendens voor elke
maand, elk seizoen en elke regio in het noordpoolgebied. Voor het zomerminimum
bedraagt de tendens ongeveer 11 procent per decade (tijdvak van tien jaar). De
trend voor het zee-ijsmaximum in februari is aanzienlijk kleiner en bedraagt bijna
3 procent per decade. Verder is waargenomen dat het aandeel van het dunnere en
kwetsbaarder eenjarig ijs toeneemt.
De opwarming van de aarde als gevolg van
klimaatverandering levert een belangrijke bijdrage aan de afname in ijsbedekking
en het dunner worden van het zee-ijs in de gebieden rond de Noordpool. Volgens
het internationale klimaatpanel IPCC ging de opwarming er de afgelopen honderd
jaar twee keer zo snel als gemiddeld over de hele aarde. Wetenschappers zien wat
er in het Noordpoolgebied gebeurt als een belangrijke graadmeter voor de klimaatverandering
wereldwijd. Met klimaatmodellen proberen ze de toekomst van het zee-ijs te schetsen.
Figuur 8 geeft een voorbeeld van de resultaten van zo'n modelberekening, in dit
geval van het Community Climate System Model (CCSM) van het National Center for
Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, CO, USA.
Veel modellen geven aan dat
de Noordpool later deze eeuw in de nazomer nagenoeg ijsvrij zal zijn. Over het
precieze jaartal doen echter veel uiteenlopende waarden de ronde, die soms echter
lijken te worden ingehaald door de praktijk. Deze laat op dit moment namelijk
een snellere afsmelting zien dan de modellen aangeven (zie figuur 9).