Op expeditie om veranderingen watermassa’s te begrijpen

In de Antarctische Weddellzee verhindert een ijsbarrière dat gletsjers terugstromen in de oceaan. Maar hoelang houdt die het nog uit?

Hoe onderzoek je zeestromingen op plekken waar de oceaan meestal bedekt is met zulke dikke ijsschotsen dat het zelfs voor ijsbrekers moeilijk wordt? Horst Bornemann, een dierenarts aan het Alfred Wegener Instituut voor polair en zeeonderzoek (AWI) in Bremerhaven, heeft daarvoor een blaaspijp nodig met een verdovingspijl, een minisensor van slechts 600 gram met een satellietzender en een beetje tweecomponentenlijm. Én een geschikte zeehond. 

In de ochtend hebben hij en zijn collega Mia Wege van de Universiteit van Pretoria aan de hand van satellietbeelden een gebied met ijsschotsen uitgekozen dat ze nu vanuit de lucht verkennen. ‘Robben op drie uur!’ zegt Bornemann, die vooraan naast de piloot het beste uitzicht heeft op de Weddellzee. De helikopter vliegt een flauwe bocht naar rechts en kantelt licht. Op de achterbank kijkt Wege door een verrekijker om de dieren die op het ijs dutten te determineren. ‘Twee krabbeneters,’ zegt ze met een wegwerpgebaar. De meest voorkomende robbensoort van Antarctica is te klein voor de zender en blijft meestal dicht bij het wateroppervlak. De piloot draait weg en vliegt naar de volgende ijsschol.

Ze moeten een weddellrob zien te vinden – die soort is groter en jaagt tot op vele honderden meters diepte op vissen

Ze moeten een weddellrob zien te vinden – die soort is groter en jaagt tot op vele honderden meters diepte op vissen. Met hulp van dat dier willen de onderzoekers belangrijke oceanografische data verzamelen in een onderzeese kloof die het continentaal plat in de Weddellzee doorsnijdt. Achter op de kop van het dier moet een sensor geplaatst worden die tijdens de duik het zoutgehalte en de temperatuur meet en de waarden via een satelliet doorgeeft wanneer het dier bovenkomt om adem te halen. Maar vandaag is hun zoektocht niet succesvol. Na drie dozijn krabbeneters maar geen weddellrob moet de helikopter terugkeren naar het schip omdat de brandstof begint op te raken.

Kwetsbaar

Beide robbenexperts maken deel uit van een expeditie van het AWI, die in de late Antarctische zomer van 2021 met de ijsbreker Polarstern tot in de Weddellzee is doorgedrongen, de grootste zee aan de rand van de zuidelijke oceaan die Antarctica omgeeft. De centrale vraag bij deze expeditie is: hoe kwetsbaar is het zogeheten Filchner-Ronne-ijsplateau, een enorme drijvende ijsplaat in het zuiden van de Weddellzee, als gevolg van de klimaatverandering? De honderden meters dikke ijsplaat bedekt bijna 450.000 vierkante kilometer, ongeveer de oppervlakte van Zweden, en wordt gevoed door gletsjers uit Oost- en West-Antarctica.

© Tim Kalvelage

Tot op heden leek deze bevroren vesting onaantastbaar, dankzij zware koude watermassa’s die op het vlakke continentale plat in de Weddellzee circuleren. Die plaat is de onderzeese verlenging van de Antarctische landmassa. ‘De koude watermassa’s verhinderen dat warmer water uit de diepte van de open oceaan onder het Filchner-Ronne-ijsplateau stroomt,’ legt Hartmut Hellmer uit tijdens de vaart naar het onderzoeksgebied. Hij is fysisch oceanograaf bij het AWI en expeditieleider.

De koudwaterbarrière beschermt het ijs van de plaat voor wegsmelten en verhindert tegelijkertijd het afglijden van de aangrenzende gletsjers in de oceaan. Metingen in de regio laten echter zien dat warmer water uit de diepzee af en toe door een scheur in de diepzeebodem, de Filchner-sleuf, op het continentale plat plenst. Het warme water heeft een hoger zoutgehalte dan het oppervlaktewater en is daardoor compacter. Via die sleuf vloeit het vlak bij de bodem naar de rand van de ijsplaat toe.

Tijdelijk fenomeen

‘Wij willen uitzoeken of het een tijdelijk fenomeen is of dat er zich een trend aftekent,’ zegt Hellmer. Computersimulaties wijzen erop dat de koudwaterbarrière als gevolg van klimaatverandering op de lange termijn wel eens zou kunnen instorten en een smeltproces onder het ijs op gang zou kunnen brengen dat niet meer te stoppen zou zijn. Daardoor zou het continentale ijs van de gletsjers sneller wegvloeien en de zeespiegel verder stijgen. Bovendien zouden hierdoor een van de motoren van de mondiale circulatie in de oceanen en de opname van koolstof in de diepzee – belangrijk voor de daling van CO2 in de atmosfeer – worden afgeremd.

IJsplaten steken als platte uitlopers van de Antarctische ijsmassa, die van het binnenland naar de kust schuift, op sommige plekken honderden kilometers de zee in. Steeds weer breken daar reusachtige platte ijsbergen van af. Driekwart van het continent van Antarctica is omgeven door ijsplaten; ze maken 12 procent uit van de door gletsjers bedekte vlakte van Antarctica. Hun massa bevindt zich grotendeels onder water. Contact met de zeebodem hebben ze alleen op plekken waar de bodem zich verheft.

In de afgelopen dertig jaar heeft Antarctica ongeveer 3 biljoen ton ijs verloren

IJsplaten remmen de gletsjers af en daarmee het ijsverlies van de Antarctische ijskap. Tegelijkertijd zijn ze de achilleshiel ervan: als ze smelten of breken, komt er meer continentaal ijs in de oceaan. In de afgelopen dertig jaar heeft Antarctica ongeveer 3 biljoen ton ijs verloren, vooral aan de westelijke kant. De jaarlijkse verliescijfers zijn in dezelfde periode verdrievoudigd.

© Tim Kalvelage

Door het verdwijnen van de ijsplaten verliest Antarctica steeds meer massa en draagt op die manier meer bij aan de stijging van de zeespiegel. Prominente voorbeelden zijn het verval van de naast elkaar gelegen Larsen-ijsplaten A (1995) en B (2002) in het oosten van het Antarctische schiereiland, evenals de aanhoudende terugtrekking van twee gletsjers die in het Amundsenmeer in West-Antarctica uitmonden: Pine Island en Thwaites. Deze zijn verantwoordelijk voor 8 procent van de zeespiegelstijging. De gletsjers worden teruggedrongen door relatief warm diepzeewater uit de Antarctische circumpolaire stroom, dat steeds vaker op het continentale plat komt. Bovendien stroomt er ook steeds warmer water onder de ijsplaten, omdat de temperaturen in de circumpolaire stroom toenemen, zoals bijna overal in de oceaan.

Kantelpunt

Wetenschappers vrezen dat delen van de ijskap van West-Antarctica in de nabije toekomst een kantelpunt kunnen bereiken en op den duur volledig wegsmelten. Een actueel onderzoek naar de stabiliteit van de ijsplaten in het vakblad The Cryosphere ziet weliswaar nog geen tekenen dat het al zover is. Maar een onomkeerbare terugtrekking van de ijskap zou al bij actuele klimaatcondities mogelijk zijn, schrijven de onderzoekers. Want het ijs ligt in West-Antarctica grotendeels onder de zeespiegel.

Bovendien loopt de ondergrond van de kust waarop veel gletsjers rusten landinwaarts af. Dat maakt ze bijzonder kwetsbaar voor warmere watermassa’s. Als die onder de ijsplaten doordringen tot waar ze contact maken met de zeebodem, dan vreten ze zich geleidelijk steeds dieper onder de gletsjers, zodat steeds meer ijs blootgesteld wordt aan warmte.

Vervolgens trekken de gletsjers zich terug van de kust en glijden tegelijk sneller naar de oceaan.  Zoals de Pine Island- en de Thwaites-gletsjer. Alleen al deze twee gletsjers zouden de wereldzeeën in de komende eeuwen meer dan een meter kunnen laten stijgen. Een soortgelijk lot zou de gletsjers achter het Filchner-Ronne-ijsplateau kunnen bedreigen, ook daar loopt de ondergrond op veel plekken landinwaarts af. Tot nu toe behoedt de koudwaterbarrière op de Weddellzeeplaat het ijs voor smelten. Maar zal deze het in de toekomst houden? Meetinstrumenten die poolonderzoekers uit Duitsland, Frankrijk en Noorwegen op de zeebodem verankerd hebben, moeten deze vragen beantwoorden. 

De watertemperatuur bedraagt -1,8 graden Celsius, het punt waarop zeewater bevriest

Tijdens de expeditie met de Polarstern willen ze de instrumenten bergen om de batterijen te verwisselen en de data veilig te stellen. Maar ze moeten zich haasten: in de zuidoostelijke Weddellzee wordt tegen het einde van de zomer al nieuw zee-ijs gevormd. Binnenkort zullen de instrumenten en de schat aan gegevens door het ijs ingesloten worden. 

‘De schotsen zijn hier dik, die moeten we eerst verpulveren zodat de drijflichamen aan de oppervlakte komen,’ zegt kapitein Stefan Schwarz op de brug. Waar de verankering drie jaar geleden werd aangebracht, drijft dicht pannenkoekenijs – zo noemen ze pas gevormd zee-ijs dat uit min of meer ronde schotsen bestaat. De watertemperatuur bedraagt -1,8 graden Celsius, het punt waarop zeewater bevriest.

© Tim Kalvelage

Nadat de Polarstern meerdere rondjes heeft gevaren, stuurt een hydrofoon een akoestisch signaal naar de verankering en maakt de kabel met de instrumenten en de drijflichamen los van het ankergewicht. De onderzoekers wachten in spanning af. Maar aan de oppervlakte is niets te zien, de verankering lijkt vast te blijven zitten onder het ijs. Schwarz neemt het roer over en schuift met het schip de brokstukken opzij. De manoeuvre slaagt, even later duiken vier rode ballen van kunststof naast het schip op.

Meer dan een dozijn verankeringen staan er intussen op de zeebodem van de Weddellzeeplaat en op de helling van het continent. Op verschillende dieptes registreren ze het hele jaar door het zoutgehalte en de temperatuur, en ook stroomsnelheid en stroomrichting. De eerste werden door het AWI in 2013 geïnstalleerd in de Filchner-sleuf. De onderzoekers waren opgeschrikt door een studie die expeditieleider Hartmut Hellmer in 2012 met collega’s in het vakblad Nature had gepubliceerd: ‘We hebben toen het eerste computermodel voor heel Antarctica ontwikkeld waarin ook ijsplaten waren meegenomen,’ zegt hij. ‘In onze modelstudie schoot in een pessimistisch klimaatscenario in het jaar 2070 de smeltsnelheid onder het Filchner-Ronne-ijsplateau plotseling omhoog.’

De resultaten van die studie waren een wake-upcall, zegt Hellmer. In de computersimulaties stroomde in de tweede helft van de 21e eeuw warmer water uit de diepte door de Filchner-sleuf onder de ijsplaat. Toen in 2016 de eerste data van de verankerde instrumenten werden uitgelezen, pasten de meetwaarden bij de voorspellingen van het model: in de zomer en herfst stroomde er soms warmer water op de Weddellzeeplaat. Maar het drong slechts door op het noordelijk deel van het continentale plat, dat vrij is van plaatijs. In 2017 stroomde het warme water zelfs het hele jaar door daarheen, zoals de volgende registraties van de verankeringen lieten zien.

Weddellgyre

Het warmere water uit de diepte van de Weddellzee komt uit de Antarctische circumpolaire stroom, die Antarctica omgeeft. Die voedt de Weddellgyre, en de zuidelijke arm daarvan vormt een kuststroming langs de continentale helling. Boven de warmwaterlaag in het diepe Weddellbekken bevindt zich een dikke laag van honderden meters koud, zoutarm water die ook het continentale plat bedekt. Daarom komt het zwaardere water uit de diepte maar moeilijk over de vlakke rand van de plaat heen. Maar de Filchner-sleuf, die tot ver onder de ijsplaat loopt, biedt het water uit de diepte een toegang. De stroming vergemakkelijkt bovendien de opwarming van de oceaan, ze verschuift de grens tussen het warme en het koude water naar boven.

Dat de warmte tot op heden het Filchner-Ronne-ijsplateau in het zuiden nog niet bereikt heeft, heeft te maken met de vorming van het zee-ijs en de circulatie op het continentale plat. Samen scheppen ze een tot nu toe ondoordringbare barrière van zeer koude, zoutrijke en daardoor bijzonder zware watermassa’s vlak bij de bodem. Daar zoekt de expeditie naar. Regelmatig laten de onderzoekers op de Polarstern een meetsonde zakken in de diepte van de plaat. Op het beeldscherm kunnen ze volgen hoe de temperatuur in de onderste waterlagen afneemt en het zoutgehalte naar de bodem toe toeneemt. Soms worden ze bij hun werk vergezeld door keizerpinguins, die rond het schip jagen en uit de zee opschieten om op hun buik te landen op de ijsschotsen.

Robben 

Horst Bornemann en Mia Wege rekenen bij hun onderzoek op de medewerking van de bewoners van Antarctica. Terwijl vanaf het schip instrumenten in het water zakken, vliegen zij met de helikopter naar het zee-ijs om Weddellrobben uit te rusten met zendertjes. Die moeten veranderingen van de watermassa’s helpen begrijpen. Zojuist zijn de onderzoekers na een excursie op het ijs uitgeput weer geland op de Polarstern.

‘Vandaag hebben we twee Weddellrobben van zenders voorzien, een wijfje van meer dan 400 kilo en 3 meter lang en een kleiner mannetje,’ zegt Bornemann. De dieren lagen op een grote zee-ijsvlakte bij een ijsplaat in het oosten. Het was daar nogal onplezierig geweest, zegt hij, omdat er ijzige valwinden vanaf de randen van de ijsplaat over het ijs veegden.

Hij schiet de robben op het ijs van korte afstand een pijltje door het spek, om ze te verdoven. Zodra de verdoving werkt, ontvetten de onderzoekers de haren achter op de kop van de rob en plakken de sensor vast; bij de volgende verharing zal die eraf vallen. Tijdens de procedure houden ze de ademhaling en de lichaamstemperatuur van het dier in de gaten. Als het bijkomt is het nog een poosje suf, maar algauw waagt het zich in zee. Vandaag heeft de wijfjesrob al kort na terugkeer van de wetenschappers de eerste data over zoutgehalte en temperatuur geleverd.

Af en toe mochten we niet aan dek komen, om geen bevriezingen op te lopen

Data uit de met ijs bedekte gebieden van Antarctica zijn schaars. Maar in de laatste jaren is een steeds gedetailleerder beeld ontstaan van de processen op de Weddellzeeplaat. Zo hebben wetenschappers bijvoorbeeld met heet water door honderden meters dik ijs geboord en sensoren geïnstalleerd onder het Filchner-Ronne-ijsplateau. Bovendien hebben expedities met de Polarstern de regio verkend, voor het laatst in 2018.

© Tim Kalvelage

Daar was ook Markus Janout bij, fysisch oceanograaf van het AWI, die ook nu aan boord is. ‘In 2018 hadden we enorm veel geluk en konden we langs de hele ijsplaat varen,’ zegt hij. Gewoonlijk belemmert dik pakijs de toegang, maar een sterke zuidenwind had de schotsen weggeschoven. ‘We hadden een koude wind tot wel 50 graden onder nul. Af en toe mochten we niet aan dek komen, om geen bevriezingen op te lopen.’

Metingen

Metingen tonen aan dat er tegenwoordig een stabiele circulatie van zeer koude watermassa’s bestaat op de Weddellzeeplaat – in tegenstelling tot de situatie op andere ijsplaatgebieden van Antarctica, die al van een koude naar een warme toestand gekanteld zijn. De circulatie begint met de vorming van zee-ijs. Daarbij ontstaat heel zout water, omdat het zout niet meebevriest maar als pekel door minieme kanaaltjes in het ijs de zee in sijpelt. Door een hoger soortelijk gewicht zinkt dat extra zoute water dan naar de zeebodem. 

‘Dit koude, zware water stroomt op het zuidwestelijke continentale plat onder het Filchner-Ronne-ijsplateau, koelt daar verder af en wordt dan plaatijswater,’ legt Janout uit. Het plaatijswater is met minus 2,5 graden het koudste water in de oceaan. Een paar jaar later vloeit het via de Filchner-sleuf naar de rand van het plateau, waar het in de diepzee stroomt.

Maar de jongste metingen uit Antarctica zijn toch zorgelijk: in 2023 bereikte de zee-ijsbedekking een nieuw dieptepunt

Maar de jongste metingen uit Antarctica zijn toch zorgelijk: in 2023 bereikte de zee-ijsbedekking een nieuw dieptepunt. Eind februari, in de Antarctische zomer, bedroeg die nog maar net 1,8 miljoen vierkante kilometer, ruim een miljoen minder dan het langjarig gemiddelde.

Dat komt neer op een verlies van bijna drie keer de oppervlakte van Duitsland. Vooral aan de kust van West-Antarctica was de teruggang van het ijs dramatisch. Maar anders dan op de Noordpool, waar het zee-ijs in de zomer al tientallen jaren afneemt, bestaat er in Antarctica nog geen duidelijke trend. En de ijsbedekking in de winter is vooralsnog even groot, ook al heeft die zich dit jaar minder goed hersteld dan anders. Volgens actuele studies zou op de lange termijn ook het Antarctische zee-ijs kunnen verdwijnen, ook in de Weddellzee.

Warmer water

Een vermindering van het zee-ijs in de Weddellzee zou ernstige gevolgen kunnen hebben. Enerzijds zou er minder zwaar water ontstaan, water dat de koudwaterbarrière voor het Filchner-Ronneijsplateau in stand houdt. Warmer water uit de diepte zou dan makkelijker op het continentale plat kunnen komen en een zichzelf versterkend proces op gang brengen, waarbij steeds meer water uit de diepzee onder het plaatijs stroomt en het doet smelten.

Anderzijds zou de circulatie in de diepzee vertraagd kunnen worden. Want de zware, koude watermassa’s op de Weddellzeeplaat zijn een belangrijke bron voor het water van de Antarctische bodem, dat zich in alle grote oceanen verbreidt. Minder zee-ijs en tegelijk meer zoet smeltwater zouden tot gevolg hebben dat het soortelijk gewicht van het plaatwater afneemt. De aanvoer van bodemwater zou stilvallen – en daarmee een belangrijke aandrijver van de mondiale circulatie in de oceanen.

© Tim Kalvelage

De vorming van Antarctisch bodemwater speelt nog een andere rol: voor het klimaat. Rondom Antarctica lost vanwege de kou bijzonder veel CO2 uit de atmosfeer op in het oppervlaktewater, waarin het ten slotte naar de bodem zinkt. Bovendien komt koolstof in vruchtbare plaatgebieden met neerdwarrelende planktonresten in diepere waterlagen terecht. Op lange termijn zou de koolstofopname in de Weddellzee sterk afnemen, omdat er minder zwaar plaatwater in de diepzee stroomt.

Eentje heeft al 1700 kilometer afgelegd, met als diepste duik van 775 meter

Na zes weken op zee nadert de expeditie haar einde. De onderzoekers hebben alle verankeringen geborgen en de instrumenten, na deze te hebben nagekeken, weer uitgezet. Ook de van zenders voorziene robben verzamelen vlijtig gegevens; eentje heeft al 1700 kilometer afgelegd, met als diepste duik van 775 meter. Een eerste verwerking van de data uit de verankerde instrumenten laat geen buitengewone toestroom van warmer diepzeewater op het continentale plat zien. Begin 2025 zullen de onderzoekers terugkeren om te zien of de koudwaterbarrière voor het Filchner-Ronne-ijsplateau standhoudt.

Voor de thuisreis aanvangt, is de expeditie nog getuige van een natuurspektakel: van de naburige Brunt-ijsplaat in het noordoosten van de Weddellzeeplaat is een tafelijsberg van 56 bij 33 kilometer afgebroken, die langzaam wegdrijft van de rand van de ijsplaat. De onderzoekers varen met de Polarstern de ontstane opening in. Ze willen de eenmalige gelegenheid benutten om dit eerder ontoegankelijke deel van de oceaan te verkennen.