De invloed van de polaire vortex op de
ijsmassa van Antarctica.
Met onderscheid tussen de gebieden Oost- en West-Antarctica en
het Peninsula.
Abstract
Antarctica bevat 90 procent van de totale landijsmassa op aarde, het smelten hiervan kan zorgen voor een significante zeespiegelstijging. Uit dit literatuuronderzoek is gebleken dat de plaatselijke polaire vortex boven het continent een groot effect heeft op de temperaturen van de drie Antarctische delen.
Hoewel op Oost-Antarctica de temperatuur daalt en er ondanks de kleine hoeveelheid neerslag toch netto ijs geaccumuleerd wordt, staat daar tegenover dat op West-Antarctica en het Peninsula de massa van het landijs afneemt. De landijsmassa van West-Antarctica neemt vooral af door de invloed van de polaire vortex op de warme (2 °C) circumpolaire zeestromen die afkalving bevordert. De landijsmassa van het Peninsula wordt indirect door de polaire vortex beïnvloed die door het bergachtig gebied zorgt voor warme föhnwinden die het smelten van ijsplaten bevordert.
Weiyi Ding (10907777 - Natuurkunde)
Laura van Oosterom (10375619 - Natuurkunde) Nicole de Groot (1079053 - Scheikunde)
Danielle Gerritsma (10777172 - Aardwetenschappen)
Thema lll deel 2 Duurzaamheid #2
Junior docent: Lieke Mulder Senior docent: Moniek Tromp 3 februari 2017, Amsterdam Aantal woorden: 4042
2
Inhoudsopgave
1. Inleiding ... 3 2 Theoretisch Kader ... 4 2.1 Massabalans ... 4 2.2 Gebiedsbeschrijving ... 42.3 Verandering in de Polaire Vortex ... 6
2.4 Ozonlaag ... 6 3 Methoden ... 8 4 Resultaten ... 9 4.1 Massabalans ... 9 4.2 Oost-Antarctica ... 10 4.3 West-Antarctica ... 11 4.4 Peninsula ... 12 5 Discussie... 14 6 Conclusie ... 15 7 Literatuurlijst ... 16
3
1. Inleiding
“If Antarctica were music it would be Mozart. Art, and it would be Michelangelo. Literature, and it would be Shakespeare. And yet it is something even greater; the only place on earth that is still as it should be. May we never tame it.”
- David Denton
Weerstations in de poolgebieden hebben de grootste temperatuurstijgingen van de afgelopen jaren gemeten, deze temperatuurstijgingen zorgen op de polen voor het smelten van zeeijs en ijskappen. De ijsbedekking van Antarctica bestaat voornamelijk uit landijs, terwijl die in het Noordpoolgebied voornamelijk uit zeeijs bestaat. Het smelten van het landijs op Antarctica kan een significante zeespiegelstijging van 50 meter tot gevolg hebben (Cazenave, A., Cozannet, G. L., 2014).
Mondiale temperatuurstijging kan lokaal versterkt worden door de plaatselijke polaire vortex. De polaire vortex is en sterke luchtstroming rond een lagedrukgebied dat zich het hele jaar door boven beide polen bevindt. Een drukgradiënt tussen de polen en de gematigde breedten zorgt samen met de draaiing van de aarde voor een cirkelende band van wind rond de pool. Doordat Antarctica zo afgezonderd ligt en geen invloeden heeft van omliggend land, wordt deze vortex het hele jaar gestabiliseerd en valt deze niet uiteen zoals dat gebeurt op de Noordpool. (Schoeberl & Hartmann, 2008). Wel is die polaire vortex over de afgelopen decennia krachtiger geworden (Dinniman, Klinck & Hofmann, 2012; Orr et al., 2004). Door de toename in kracht is de vortex zonaler gaan lopen. Deze verandering van vorm zorgt er onder andere voor dat de luchtstroom kouder is. Omdat de veranderingen in de polaire vortex zorgt voor temperatuurverandering, kan het invloed hebben op het accumuleren en smelten van het landijs. Om deze effecten overzichtelijk weer te geven, wordt een massabalans van het landijs op Antarctica opgesteld.
Of er een zeespiegelstijging zal optreden hangt af of er netto meer ijs smelt dan accumuleert. Om het netto-effect te bepalen is het opstellen van een massabalans van het ijs over het gehele continent zeer van belang. In voorgaande onderzoeken zijn er al massabalansen voor het ijs op Antarctica opgesteld, er zijn echter veel discussies gaande welke parameters hierbij wel en niet meegenomen moeten worden en welke parameters het belangrijkst zijn. Een van de redenen hiervan is gebrek aan data over Antarctica, door de extreme weersomstandigheden (Velicogna, Sutterley, Van Den Broeke, 2014; Gusain, 2009 ; Schrama, Wouters, Rietbroek, 2014).
In dit onderzoek is er gekeken naar de invloed van de polaire vortex op de massabalans van het ijs op Antarctica. Er zijn drie verschillende massabalansen opgesteld, één van West-Antarctica, Oost-Antarctica en Peninsula. Dit omdat deze gebieden verschillende omstandigheden bevatten die meegenomen zijn bij het opstellen van de massabalans. Uit literatuur blijkt dat de polaire vortex een belangrijke rol speelt bij de temperatuur op Antarctica. Ook blijkt uit literatuur dat Antarctica opwarmt, dus wordt er verwacht dat de polaire vortex in alle drie de gebieden zorgt voor een netto negatieve massabalans. Dit onderzoek is gedaan vanuit de disciplines scheikunde, natuurkunde en aardwetenschappen. Binnen de discipline natuurkunde is er gekeken naar de thermodynamica en stralingsleer. De disciplines scheikunde en stralingsleer vullen elkaar
4 goed aan, omdat er voor dit onderzoek een chemische reactie belangrijk is die plaatsvindt met behulp van UV straling. De aardwetenschappen en thermodynamica vullen elkaar goed aan omdat aardwetenschappen zich bezighoudt met zee- en luchtstromingen en thermodynamica zich bezighoudt met energiestromingen. Deze energiestromingen gaan in dit geval vooral aan de hand van zee- en luchtstromingen. En omdat de natuur- en scheikunde beiden onder de aardwetenschappen vallen, heeft de aardwetenschappen een overkoepelende kijk kunnen bieden op het eindresultaat.
2 Theoretisch Kader
2.1 Massabalans
Met behulp van een massabalans van het ijs kunnen er mogelijke indirecte en directe verbanden gelegd worden tussen de polaire vortex en de invloeden daarvan op Antarctica. Om een massabalans op te stellen voor het landijs op Antarctica, wordt gekeken naar processen die massa toevoegen of wegnemen. Als de ingaande stroom gelijk is aan de uitgaande stroom, is de balans in evenwicht. Echter als een van de stromen groter is dan de ander, zorgt dat voor een krimpende of groeiende ijskap. De verstoring van het evenwicht geeft inzicht in de effecten van verandering in het klimaat van Antarctica en kan de gevolgen voorspellen. Daarom is een massabalans een goede manier om te kijken naar veranderingen, omdat de effecten van veranderingen in het klimaat direct invloed hebben op deze massabalans.
2.2 Gebiedsbeschrijving
Volgens de Britisch Antarctic Survey (BAS) is Antarctica is het zuidelijkste continent (80oS, 90’E) met 20,000,000 km2
aan oppervlakte. Het ligt geïsoleerd van de rest van de wereld en is omsloten door de Zuidelijke Atlantische, Pacifische en Indische Oceanen. 70 procent van het zoete water op de wereld is opgeslagen in gletsjers, waarvan 90 procent zich op Antarctica bevindt. Smelten van al het ijs op Antarctica kan een zeespiegelstijging van 70 meter tot gevolg hebben. De temperatuur komt nauwelijks boven nul, slechts het noordelijke deel van het Peninsula kan net boven het vriespunt komen. De hoger gelegen delen van Antarctica kunnen in de wintermaanden een temperatuur van
-90 °C bereiken.
Antarctica bestaat dus voornamelijk uit ijs, maar de sneeuw valt niet overal op het continent even vaak. Aan de kust valt jaarlijks enkele meters, terwijl het binnenland slechts enkele centimeters sneeuw krijgt.
5
Figuur 1. Oppervlakte kaart Antarctica ("Map of Antarctica and Southern Ocean", z.j.). Het
Peninsula (Antarctic Peninsula) is het uitstekende bergachtige gebied boven West-Antarctica. West-Antarctica en Oost-Antarctica (East Antarctica) wordt gescheiden door het Transantarctische gebergte (Transantarctic mountains).
Het landoppervlak van Antarctica is op te delen in twee gebieden; West- en Oost-Antarctica, gescheiden door het Trans-Antarctische Gebergte tussen de Ross en de Weddell Zee (zie
figuur 1). West-Antarctica bevat nog een schiereiland dat apart beschouwd wordt wegens de
klimaatomstandigheden, het Antarctische Peninsula.
West-Antarctica is het kleinere gedeelte en kenmerkt zich door de ijsplaten. Dit zijn stukken landijs die door verschuiving over het zeewater reiken, maar nog steeds vastzitten aan het landijs. Daardoor wordt dit ijs ook meegerekend als landijs, maar heeft dit geen invloed meer op de zeespiegel.
Het Peninsula is een bergachtig gebied en heeft een milder klimaat, doordat het noordelijker ligt ten opzichte van de rest van Antarctica. Door dit mildere klimaat is er begroeiing als korstmossen mogelijk, ook doordat er ijs vrije rotsen zijn (zie figuur 1).
6 Oost-Antarctica is het grotere gebied van Antarctica en is permanent bedekt met ijs. Door het extreem koude en het droge klimaat door weinig neerslag, wordt Oost-Antarctica ook wel eens beschreven als de Antarctische ijswoestijn.
2.3 Verandering in de Polaire Vortex
Ondanks de opwarming van de aarde, blijken sommige gebieden van Antarctica juist langzaam af te koelen (Thompson & Solomon, 2002). Dit is het gevolg van de verandering in de polaire vortex. Een normale vortex volgt een meanderend patroon, deze meanders worden Rossby waves genoemd. Deze Rossby waves nemen warme lucht uit het noorden mee naar het continent. Een zonaal lopende vortex neemt minder warme lucht uit het noorden mee en zorgt zo voor afkoeling. De reden dat de vortex zonaal gaat lopen, is dat de vortex sterker wordt waardoor het meanderen wordt bemoeilijkt. De vortex is sterker geworden door afkoeling van de atmosfeer, wat op zijn beurt het gevolg is van het gat in de ozonlaag boven Antarctica (Thompson & Solomon, 2002).
Figuur 2. In het linker figuur is de gemiddelde temperatuur in de hogere atmosfeer weergeven,
gecombineerd met de windsnelheid van de polaire vortex. In het rechter figuur is de hoeveelheid ozon in de hogere atmosfeer weergeven, gecombineerd met de windsnelheid. Deze afbeeldingen laten een zekere correlatie zien tussen deze factoren (Uherek, 2003).
2.4 Ozonlaag
De belangrijkste parameter bij het opstellen van een massabalans voor ijs is de temperatuur, deze grootheid heeft directe invloed op het smelten en vormen van ijs. Indirect wordt de temperatuur weer beïnvloed door andere parameters. De dikte van de ozonlaag heeft effect op de lokale temperatuur en dus het afsmelten van landijs op Antarctica (Thompson & Solomon, 2002).
7 Dit heeft te maken met een proces dat in de winter plaatsvindt. ‘s Winters daalt de temperatuur onder -78 °C waardoor polaire stratosferische wolken (PSC’s) kunnen ontstaan (zie figuur 3). Deze ontstaan door HCO3 en water dat gecondenseerd wordt tot een vaste en
vloeibare, reactieve stof, dat kan reageren met broeikasgassen en deze kan omzetten in reactieve stoffen die de afbraak van de ozonlaag bevordert (Fahey & Hegglin, 2011).
Figuur 3. Luchttemperatuur in polare stratosfeer. De scheidingslijn van -78°C geeft aan vanaf
wanneer polaire stratosferische wolken kunnen ontstaan (Fahey & Hegglin, 2011).
Deze broeikasgassen zijn voornamelijk cfk’s (chloorfluorkoolstofverbindingen). De gassen komen in de ozonlaag terecht en onder invloed van UV-straling desintegreren zij daar. De ontstane chloorradicalen zorgen voor de volgende reactie(Molina & Rowland, 1974):
Twee chloormonoxideradicaliën zullen het stabielere chloorperoxide vormen, zie reactie 2:
Vervolgens vindt er een proces dat fotolyse wordt genoemd plaats; aan de hand van UV-straling valt chloorperoxide weer uiteen in vrije radicalen volgens reactie 3:
8
De reden dat de ozonlaag juist in de lente dunner is, is dat de afbraak van ozon aan de hand van UV-straling optreedt (Fahey & Hegglin, 2011). In de Antarctische lente is de poolnacht net afgelopen en ontvangt het continent voor het eerst weer zonlicht en daarmee uv-straling. Door de ophoping van chloorperoxide dat niet afgebroken is in de winter, is er een versterkte afbraak van ozon in de lente. De opbouw en afbraak van ozon volgt daarmee een seizoen dynamiek (zie figuur 4).
Figuur 4. Dikte van de ozonlaag door het jaar heen (seizoen dynamiek). Hierbij wordt
weergeven dat de hoeveelheid in het begin van de lente extreem afneemt. (Fahey & Hegglin, 2011).
Het albedo effect heeft indirect ook effect op het opbouwen en afbreken van de ozonlaag. Het albedo effect is het reflecteren van straling op het aardoppervlak en wordt gegeven in percentages. Oppervlakte met een witte kleur hebben een hoog albedo effect, de sneeuw op Oost-Antarctica zorgt daarom voor een hoog albedo effect van 95 procent (Cordero, 2014). Dit zorgt voor een 50 procent hogere aanwezigheid van uv-straling in de atmosfeer boven Antarctica in vergelijking met oppervlakte waar geen sneeuw ligt. Deze extra hoeveelheid uv-straling die niet geabsorbeerd wordt kan bijdragen aan de afbraak van de ozonlaag.
3 Methoden
Om een goed overzicht te geven van het effect van de polaire vortex en het gat in de ozonlaag op het landijs van Antarctica, is er een massabalans van dit landijs opgesteld. Deze massabalans is universeel voor al het landijs. Met deze massabalans, en de bijbehorende factoren, is gekeken naar de invloed van de polaire vortex en het gat in de ozonlaag op deze factoren. Antarctica is op te delen in drie gebieden; West-Antarctica,
Oost-9 Antarctica en het Peninsula. Omdat verwacht werd dat deze gebieden verschillend reageren op de veranderingen in de polaire vortex, zijn deze apart behandeld. Voor elk gebied is apart een massabalans van het ijs opgesteld, waarbij de factoren die invloed hebben op de massabalans in dit gebied zijn belicht.
Voor afname van massa zorgt het smelten van ijs en het afbreken van ijs (Shepherd, et. al, 2012; Hanna, et. al, 2013). Wanneer de temperatuur stijgt, zal er meer ijs afsmelten en dit zal een negatief effect hebben op de massabalans. Andersom, wanneer de temperatuur daalt, zal dus minder ijs afsmelten. De voornaamste bron van toename ofwel accumulatie van massa is sneeuwval (Shepherd, et. al, 2012; Hanna, et. al, 2013). Dit heeft vooral aan de randen van Antarctica een positieve invloed op de massabalans, omdat er verder in het binnenland nauwelijks neerslag valt. Toename van de temperatuur kan zorgen voor een toename in neerslag, omdat warme lucht meer vocht kan bevatten (pers. com., De Boer).
Aan de hand van literatuuronderzoek en door interviews af te nemen met experts, is er een voorspelling gedaan voor de invloed van de polaire vortex op de massabalans van de ijskap van Antarctica. Tijdens dit onderzoek is er gekeken naar het directe effect van de polaire vortex op de massabalans, maar er is ook gekeken naar indirecte effecten van de polaire vortex. Deze indirecte effecten zijn te vinden in de parameters temperatuur en neerslag, maar een ander belangrijke parameter is de ozonlaag. Deze laatste parameter is in dit onderzoek het meest uitgebreid onderzocht.
In dit onderzoek is slechts gekeken naar de polaire vortex en het effect hiervan op het gat in de ozonlaag en vice versa. Overige factoren zijn verwaarloosd om er een haalbaar onderzoek van te maken. Dit is in de discussie benoemd en kort besproken.
4 Resultaten
Voor een overzichtelijke weergave van de resultaten is er gekozen voor het opstellen van een massabalans. Zowel indirecte als directe invloeden van de polaire vortex op het ijs van de drie verschillende delen van Antarctica zijn apart verwerkt in de massabalans.
4.1 Massabalans
De totale massabalans van het landijs op het gehele continent Antarctica is negatief en zorgt dus voor een zeespiegelstijging. Gemiddeld smelt er ongeveer 100 Gigaton meer landijs per jaar dan dat er accumuleert. Dit negatieve effect zorgt jaarlijks voor een gemiddelde zeespiegelstijging van 0.3 mm (pers. comm., Van den Broeke). De verschillende gebieden Oost- en West-Antarctica en Peninsula hebben allemaal een andere bijdrage op deze zeespiegelstijging en worden hier apart beschreven.
In figuur 5 is een massabalans opgesteld voor het landijs van Antarctica. Hoewel de massabalans universeel is voor alle gebieden, zal blijken uit de volgende paragrafen dat het voor elk gebied verschilt hoe deze factoren worden beïnvloed door de polaire vortex. In het oranje kader staan processen die in het theoretisch kader beschreven zijn. Het groene, paarse en gele kader slaat respectievelijk op het Peninsula, West-Antarctica en Oost-Antarctica, en in het blauwe kader worden de zeestromen benoemd. In de volgende alinea’s
10 worden de dominante processen op deze gebieden besproken. Deze processen zijn in het figuur weergegeven met dikke pijlen.
Figuur 5. Massabalans van het landijs van Antarctica, met als meest belangrijke factor de
polaire vortex. De dikgedrukte pijlen geven aan welke factoren het meeste worden beïnvloed door de polaire vortex in de verschillende gebieden.
4.2 Oost-Antarctica
Ondanks een netto negatieve massabalans van het landijs op Antarctica, is op Oost-Antarctica de ijsmassa aan het groeien. Door het versterkte broeikaseffect is de gemiddelde temperatuur op Antarctica toegenomen, deze temperatuurstijging is echter op veel plekken op Oost-Antarctica niet sterk genoeg om de temperaturen tot boven het vriespunt te doen komen. Op sommige delen van Oost-Antarctica is de temperatuur zelfs afgenomen (Doran et al., 2002). Deze temperatuursverandering vertoont een sterke negatieve correlatie met de toegenomen kracht van de polaire vortex (zie de dikke pijl in figuur 5 naar stratosferische wolken). Deze correlatie is te verklaren aan de hand van twee mechanismen: ten eerste zal een sterke polaire vortex minder gaan meanderen, dus er zijn minder van de zogenaamde Rossby waves. Deze waves nemen warme lucht van hogere breedtegraden mee, en zorgen voor hogere temperaturen op Antarctica. De afname hiervan zorgt voor een afname in temperatuur van 1 tot 3 °C. Ten tweede zorgt een sterke vortex voor een dikkere laag koude lucht boven het zee-ijs langs de kust, waardoor de koude lucht van het continent nergens
11 naartoe kan. Dit zorgt voor minder verticale menging van luchtlagen, waardoor warmere lucht niet meer tot het oppervlak kan komen. De oppervlakte lucht blijft dus koud door het ijs wat eronder ligt (Van den Broeke & Van Lipzig, 2002).
Er is ook een toename in neerslag aan de kustgebieden waargenomen, wat zorgt voor versterkte accumulatie. Deze toename is te verklaren doordat de lucht opwarmt door het versterkte broeikaseffect, en warme lucht kan meer water bevatten en zorgt daarom voor meer neerslag (pers. comm., De Boer). Omdat deze toename geen verband heeft met de polaire vortex, is deze niet in figuur 5 weergegeven.
4.3 West-Antarctica
De twee grootste ijsplaten bevinden zich op West-Antarctica; de Ross ijsplaat (472.960 km2) en de Filchner-Ronner ijsplaat (422.420 km2). Deze platen liggen al in het water, maar zijn nog steeds onderdeel van de ijsmassa van Antarctica. Het verlies van ijsmassa op het land wordt grotendeels bepaald door het wegsmelten en afkalven van ijsplaten (Pritchard, et. al, 2012). Het reduceren van de ijsdikte van de ijsplaten wordt veroorzaakt door atmosferische en oceanische effecten.
Een sterkere polaire vortex zorgt voor een poolwaartse verplaatsing van de circumpolaire zeestroom, in figuur 5 aangegeven met een dikke pijl van de polaire vortex naar de zeestromen. Deze diep waterstromen zijn relatief warm (1 °C tot 4 °C), zout en hebben een hogere dichtheid. Deze verplaatsing heeft tot gevolg dat er op bepaalde plekken ijsplaten afsmelten, wat in figuur 5 is weergegeven met de dikke pijl van zeestromen naar afkalven. Dit zijn plekken die liggen aan diepe bathymetrische troggen, waardoor deze diepe stroming bij de platen terechtkomt. De verplaatsing van deze stroming heeft tot gevolg dat er opwelling plaatsvindt, dus dat het warme water aan het oppervlak terechtkomt, als het eenmaal tegen een plaat of land aan stroomt. Ook zorgt de vortex dat er verticale mixing plaatsvindt op plaatsen verder van de kust af, waardoor het water warmer wordt en de formatie van zee-ijs steeds meer landwaarts plaatsvindt (Pritchard et al., 2012). Deze processen lijken zich vooral af te spelen bij West-Antarctica, omdat het water bij Oost-Antarctica koeler is (Pritchard et al., 2012). Door het versterkte afsmelten van de ijsplaten van West-Antarctica, versnelt de ijsstroom van het land af. Dit zorgt voor meer verlies van landijs (Bromwich et al., 2012). De ijsplaten fungeren namelijk als een rem op de ijsstroom. In figuur 5 is dit aangegeven met de dikke pijl bij afkalven.
De temperatuur in het binnenland van West-Antarctica lijkt afgelopen jaren ook gestegen te zijn, hoewel dit moeilijker te zeggen is omdat er weinig metingen worden gedaan (Bromwich et al., 2012). Dit terwijl de versterkte polaire vortex juist voor afkoeling zou moeten zorgen, zoals op Oost-Antarctica ook gebeurt. De sterkste opwarming lijkt ook niet plaats te vinden in de Antarctische zomer en herfst, wat wel te verwachten is als het een gevolg zou zijn van een versterkte polaire vortex. Er zijn echter andere mechanismen die voor deze opwarming zorgen. Ding et al. (2011) stellen voor dat opwarming van het Pacifische tropische oceaan een Rossby wave forceert boven de Amundsen zee bij West-Antarctica, wat zorgt voor een warme luchtstroom richting het land.
Wind, van de polaire vortex, en deze zeestromen hebben ook invloed op de horizontale en verticale ‘grounding lines’ (Hanna, et. al, 2013). Deze bepalen de stabiliteit van het ijs en de
12 gevoeligheid voor gletsjers om af te breken (zie figuur 6). Warme zee- en windstromen bevorderen het afsmelten van landijs en maken de dikke ijsplaten instabiel (Shepherd, et. al, 2013).
Figuur 6. Stabiliteit en afbraak ijs. De linker figuur laat het afkalvingsproces zien in een vroeg
stadium. Doordat de grounding line op een top van het land ligt, geeft dit een zekere stabiliteit. Wanneer deze grounding line zich door afkalving terugtrekt, ontstaat instabiliteit dat het afkalvingsproces bevordert en kan dit uiteindelijk leiden tot volledige afbraak van een ijsplaat (Hanna, et. al, 2013).
4.4 Peninsula
De kracht van de polaire vortex is in de periode van 1960 tot 2000 met 15 tot 20 procent toegenomen op lage hoogte (Orr et al., 2004). Met deze hoogte wordt de hoogte boven het Peninsula bedoeld. Deze toename in kracht leidt tot het blokkeren van de luchtstroom tegen het gebergte van het Peninsula. Hierdoor kunnen de noordelijke winden warmte naar het noordoosten van het Peninsula brengen (Orr et al., 2007). Er vindt opwarming plaats aan de lijzijde van het gebergte door een föhnwind, een van de verschijnselen die door de polaire vortex veroorzaakt wordt.
De vortex vervoert een warme vochtige luchtstroom (afkomstig van boven het zeewater) de berg op. De luchtstroom wordt gedwongen zeer hoog te stijgen de bergen op. De stijgende lucht zet uit en wordt daardoor kouder in een proces van adiabatische expansie. Koude lucht is niet staat om vocht vast te houden, er treedt dan condensatie op waarbij er energie vrijkomt in de vorm van latente warmte (Schroeder, 2000), dit zorgt voor condensatie en dus neerslag. De luchtstromingen die vervolgens aan de andere kant van de berg dalen ondergaan een adiabatische compressie (zie figuur 7) en worden daardoor warmer (King et al, 2014).
13 Figuur 7. Druk-volume-diagram van een adiabatisch proces van lucht. Bij een adiabatische
compressie gaat de lucht van punt B naar A. Het volume neemt af en de arbeid wordt omgezet in inwendige energie waardoor de temperatuur van de lucht (de inwendige energie) stijgt. Er wordt geen warmte uitgewisseld met de omgeving.
Deze luchtstromingen zijn dan ook veel warmer geworden dan de oorspronkelijke luchtstromingen. De condensatiewarmte is over de berg meegevoerd. De lucht is dan ook veel droger omdat het water hieruit is onttrokken en verloren is in de vorm van neerslag. Het ijs smelt hierdoor harder aan de andere zijde van de bergketen. Deze warme föhnwind warmt het gebied aan de achterzijde van het gebergte op (zie figuur 8) (Orr et al., 2007).
Figuur 8. Schematische weergave: effecten van de föhnwind op Peninsula.
Deze mechanismen zorgen recentelijk voor een opvallende verhoging van de temperatuur op Peninsula, van ongeveer 3 °C over de laatste 50 jaar (Vaughan et al, 2001). De
14 verhoging van de temperatuur heeft sterke afsmelting tot gevolg, waardoor onder andere recentelijk de Larsen ijsplaat gedeeltelijk is verdwenen. Dit proces is weergegeven in figuur
5 met de dikke pijl van polaire vortex naar temperatuur, en vanaf daar naar het afsmelten
van ijskappen.
Daarnaast beïnvloedt de polaire vortex ook de circumpolaire diep water stromen, die onder invloed van de vortex warme zeestromen naar het land brengen en daardoor smelten bevorderen (Dinniman, Klinck & Hofmann, 2012).
5 Discussie
De polaire vortex heeft voornamelijk een positief effect op het afsmelten van het landijs op Antarctica. Op West-Antarctica zorgt het ervoor dat er warme zeestromen onder de drijvende ijsplaten in het gebied komen. Deze warme zeestromen zorgen voor het dunner worden van ijsplaten, zodat landijs zich richting de zee beweegt om vervolgens ook weg te smelten.
Op Peninsula zorgt de polaire vortex voor warme föhnwinden, wat sterke afsmelting van ijs tot gevolg heeft.
Opvallend is dat de polaire vortex op zichzelf een koude luchtstroom is, op Oost-Antarctica heeft het dan ook geen positief effect op het afsmelten van landijs. Op Oost-Antarctica accumuleert het ijs zelfs sneller dan dat het afsmelt. Dit komt vooral omdat de hoeveelheid neerslag bij de kust is toegenomen door opwarming van het zeewater.
Er is geen verband gevonden tussen de polaire vortex en neerslag. Toch zou er een verband kunnen zijn, maar hier is meer onderzoek voor nodig. Omdat er geen duidelijkheid is over dit verband, zijn deze pijlen in figuur 5 met vraagtekens aangegeven.
De netto massabalans van Antarctica is negatief, dat betekent dat er meer ijs smelt dan accumuleert. De polaire vortex draagt hieraan bij. Op de delen West-Antarctica en Peninsula, zorgt het indirect voor het afsmelten van landijs en op Oost-Antarctica heeft het weinig tot geen effect. Dit is in tegenspraak met de verwachtingen, want er werd verwacht dat heel Antarctica zou opwarmen.
De resultaten uit dit onderzoek zijn helaas niet numeriek. Dit komt voornamelijk omdat er in veel literatuur gebruik is gemaakt van modellen en niet van numerieke resultaten. Ook is het een probleem dat er slechts een relatief klein aantal weerstations zijn op Antarctica. De extreme weersomstandigheden op het continent maken het heel moeilijk om metingen te doen. Door deze schaarste aan data kan er slechts een grof beeld geschetst worden van het regionale klimaat op delen van Antarctica. Voor dit onderzoek was dit grove beeld genoeg om de algemene trends te onderscheiden, maar voor meer nauwkeurigheid zijn meer metingen nodig.
Wat wel uit de metingen blijkt, is dat West-Antarctica en het Peninsula sneller opwarmen dan het mondiale gemiddelde, dus er zijn meer factoren van belang dan alleen de verhoogde broeikasgas concentratie in de lucht. Hier kan de polaire vortex wel een grote
15 invloed spelen, omdat dat een verschijnsel is wat ook alleen op de polen voorkomt. De afkoeling van Oost-Antarctica lijkt op een tegenhanger van het afsmelten van West-Antarctica en het Peninsula, maar in dit onderzoek komt juist naar voren dat deze afkoeling het afsmelten bevordert.
Het gevolg van deze groeiende afbraak van ijs op Antarctica is een groot risico voor de rest van de wereld. Het verdwijnen van ijsplaten op West-Antarctica zorgt niet alleen voor het versterkte afsmelten van dat gebied, maar kan op langer termijn mogelijk ook zorgen voor versneld afsmelten van Oost-Antarctica. Gezien Oost-Antarctica landijs heeft met kilometers dikte, is instabiliteit in deze ijsmassa een groot gevaar voor de zeespiegel.
Voor vervolgonderzoek is het belangrijk om concrete data te verzamelen, zodat er berekeningen gemaakt kunnen worden van de daadwerkelijke toestand van het landijs van Antarctica. Ook zijn er andere factoren van belang bij het afsmelten van het ijs. Zo komt uit het onderzoek naar voren dat het ijs op West-Antarctica sterker afsmelt door de poolwaartse stroming van het zeewater. Door klimaatveranderingen is dit water warmer, wat zorgt voor versterkt afsmelten van de ijsplaten.
In dit onderzoek zijn andere factoren rondom luchtstromen buiten beschouwing gelaten, maar factoren zoals het El Niño effect zouden ook invloed kunnen hebben op de polaire vortex en de ijsmassa op Antarctica door de teleconnecties (pers. comm. P. Kuipers Munneke, 8 november 2016). Dit houdt in dat er correlaties zijn over zeer grote afstanden in de meteorologie, die patronen in de Rossby waves zouden beïnvloeden en dus ook verandering in de polaire vortex teweeg brengen.
6 Conclusie
De polaire vortex heeft invloed op het landijs van Antarctica. Het zorgt door föhnwinden voor een verwarmd klimaat op het peninsula en zorgt voor een pool-waardse stroom van warm zeewater op West-Antarctica, wat leidt tot meer afkalving onder de ijsplaten. Door het afkalvingsproces worden deze ijsplaten instabiel, wat zorgt voor afbraak van ijs.
De versterking van de polaire vortex wordt beïnvloed door de atmosfeer. Het gat in de ozonlaag zorgt ervoor dat een deel van Antarctica - Oost-Antarctica - afkoelt, doordat warmte van de zon dat wordt teruggekaatst door het albedo effect, niet meer wordt vastgehouden. Dit afkoelen zorgt ervoor dat er eerder en langer polaire stratosferische wolken worden gevormd, dat weer leidt tot meer ozon afbraak.
Het versterken van de polaire vortex, zorgt ook voor minder toevoer van warme windstromen vanuit het noorden, dat opnieuw leidt tot afkoeling van Oost-Antarctica, wat het proces hierboven benoemd weer versterkt.
Hoewel kwantitatief onderzoek nodig is, laat dit literatuuronderzoek zien dat er een correlatie is tussen de polaire vortex en het afnemen van de totale ijsmassa van Antarctica, en dat dit mogelijk desastreuze gevolgen kan hebben op de rest van de wereld.
16
Dankwoord
Graag willen we onze dank uiten voor de hulp die we hebben gehad bij ons onderzoek. We bedanken drs. Lieke Mulder, dr. Monique Tromp, prof. dr. Michiel van den Broeke, dr. Bas de Boer, dr. Peter Kuipers Munneke in het bijzonder.
7 Literatuurlijst
Boening, C., Lebsock, M., Landerer, F., & Stephens, G. (2012). Snowfall-driven mass change on the East Antarctic ice sheet. Geophysical research letters, vol. 39. 1-5.
Bromwich, D. H., Nicolas, J. P., Monaghan, A. J., Lazzara, M. A., Keller, L. M., Weidner, G. A., & Wilson, A. B. (2012). Central West Antarctica among the most rapidly warming regions on Earth. Nature Geoscience, 6(2), 139–145.
Cazenave, A., Cozannet, G. L. (2014). Sea level rise and its coastal impacts. Earth's Future, 2(2), 15-34.
Cordero, R. R., Damiani, A., Ferrer, J., Jorquera, J., Tobar, M., Labbe, F., Carrasco, J., Laroze, D. (2014). UV irradiance and albedo at Union Glacier Camp (Antarctica): a case study. PloS one, 9(3).
Ding, Q., Steig, E. J., Battisti, D. S., & Küttel, M. (2011). Winter warming in West Antarctica caused by central tropical Pacific warming. Nature geoscience, vol. 4, 398- 403.
Dinniman, M. S., Klinck, J. M., & Hofmann, E. E. (2012). Sensitivity of circumpolar deep water transport and ice shelf basal melt along the west antarctic peninsula to changes in the winds. Journal of Climate, 25(14), 4799–4816.
Doran, P.T., Priscu, J.C., Lyons, W.B., Walsh, J.E., Fountaink, A.G., McKnight, D.M., Moorhead, D.L., VirginiaI, R.A., Wall, D.H., Clow, G.D, Fritsen, C.H., McKay, C.P. & Parsons, A.N. (2002). Antarctic climate cooling and terrestrial ecosystem response. Nature, 415, 517-520.
Fahey, D. W., & Hegglin, M. I. (2011). Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2010 Update, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2010.
Gusain, H.S., Singh, K.K., Mishra, V.D., Srivastava, P.K., Ganju, A. (2009). Study of surface energy and mass balance at the edge of the Antarctic ice sheet during summer in Dronning Maud Land, East Antarctica. Antarctic Science, 21(4), 401-409.
Hanna, E., Navarro, F. J., Pattyn, F., Domingues, C. M., Fettweis, X., Ivins, E. R., … Zwally, H. J. (2013). Ice-sheet mass balance and climate change. Nature, 498(7452), 51–59.
Hassler, B., Bodeker, G. E., Solomon, S., Young, P. J. (2011). Changes in the polar vortex: Effects on Antarctic total ozone observations at various stations. Geophysical Research Letters, 38(1)
Map of Antarctica and Southern Ocean [Foto]. (z.j.). Geraadpleegd van http://geology.com/world/antarctica-satellite-image.shtml
Marshak, S. (2011). Earth- Portrait of a planet. W.W. Norton & Company.
Molina, M. J..Rowland, F.S., (1974). Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: chlorine atomc-atalysed destruction of ozone. Nature, 249(5460), 810.
17
Orr, A., Cresswell, D., Marshall, G. J., Hunt, J. C. R., Sommeria, J., & Wang, C. G. (2004). A “low-level” explanation for the recent large warming trend over the western Antarctic Peninsula involving blocked winds and changes in zonal circulation, 31, 10–13.
Orr, A., Marshall, G. J., Hunt, J. C. R., Sommeria, C. W., Van Lipzig, N. P. M, Cresswell, D. & King, J. C. (2007). Characteristics of Summer Airflow over the Antarctic Peninsula in Response to Recent Strengthening of Westerly Circumpolar Winds, 1396–1413.
Pritchard, H. D., Ligtenberg, S. R. M., Fricker, H. a., Vaughan, D. G., van den Broeke, M. R., & Padman, L. (2012). Antarctic ice-sheet loss driven by basal melting of ice shelves. Nature, 484(7395), 502–505.
Schoeberl, M. R.; Hartmann, D. L. (2008). The Dynamics of the Stratospheric Polar Vortex and Its Relation to Springtime Ozone Depletions. Advancement Of Science, 251(4989), 46-52.
Schrama, E. J. O., Wouters, B., Rietbroek, R., (2014), A mascon approach to assess ice sheet and glacier mass balances and their uncertainties from GRACE data. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119(7), 6048-6066.
Shapiro, N. M., & Ritzwoller, M. H. (2014). Inferring surface heat flux distributions guided by a global seismic model: particular application to Antarctica, Earth and Planetary Science Letters, 223(2004), 213-224
Shepherd, A., Ivins, E. R., A, G., Barletta, V. R., Bentley, M. J., Bettadpur, S., … Zwally, H. J. (2012). A Reconciled Estimate of Ice-Sheet Mass Balance. Science, 338(6111), 1183-1189.
Thompson, D. W. J., & Solomon, S. (2002). Interpretation of Recent Southern Hemisphere Climate Change. Science, 296(5569), 895-899.
Uherek, E. (2003). Stratosfera [Foto]. Geraadpleegd van
http://klimat.czn.uj.edu.pl/enid/1__Procesy_i_lotnictwo/-_Procesy_3qs.html
Van den Broeke, M.R. & Van Lipzig, N.P.M., (2002). Impact of polar vortex variability on the wintertime low-level climate of East-Antarctica: results of a regional climate model. Tellus, 54A, 485-496.
Vaughan, D. G., G. J. Marshall, W. M. Connolley, J. C. King, and R. Mulvaney, 2001: Climate change: Devil in the detail. Science, 293, 1777-1779.
Velicogna, I., Sutterley, T. C., Van Den Broeke, M. R., (2014). Regional acceleration in ice mass loss from Greenland and Antarctica using GRACE time‐variable gravity data. Geophysical Research Letters, 2014, 41(22), 8130-8137.
