Ijskapmodel: hoe computers voorspellen wat het ijs op aarde gaat doen
Een ijskapmodel is een computerprogramma dat nabootst hoe een grote ijsmassa zoals de ijskap van Groenland of Antarctica zich door de tijd heen gedraagt. Zulke modellen berekenen hoe ijs smelt, hoe het langzaam stroomt onder zijn eigen gewicht, en hoe stukken ervan afbreken in zee. Op basis daarvan kunnen wetenschappers voorspellen hoeveel de zeespiegel de komende decennia zal stijgen.
Denk aan een ijskapmodel als een zeer gedetailleerde digitale tweeling van een ijskap. Net zoals een weerapp de atmosfeer nabootst met duizenden rekenpunten, verdeelt een ijskapmodel Groenland of Antarctica in een raster van cellen, elk met eigen waarden voor ijsdikte, temperatuur en stroomsnelheid. Door natuurkundige wetten op elke cel los te laten en de tijd in kleine stapjes vooruit te draaien, ontstaat een simulatie van hoe de ijskap er over vijftig of honderd jaar uit zou kunnen zien.
Wat is het precies?
Een ijskap is een enorme, aaneengesloten laag landijs die duizenden meters dik kan zijn. Groenland en Antarctica samen bevatten zoveel water dat volledige afsmelting de zeespiegel wereldwijd met tientallen meters zou laten stijgen. Een ijskapmodel probeert te berekenen hoe snel en in welke mate dat proces zich voltrekt.
De kern van zo'n model is de natuurkunde van ijsstroming. IJs gedraagt zich onder grote druk niet als een vaste stof, maar als een extreem stroperige vloeistof: het vervormt langzaam en stroomt van het hoge binnenland naar de randen van de ijskap, ongeveer zoals koude honing over een bord kruipt. Modellen gebruiken vergelijkingen die beschrijven hoe deze stroming afhangt van ijsdikte, temperatuur en de helling van het landschap eronder.
Daarnaast moet een model rekening houden met wat er onder het ijs gebeurt. Sommige ijskappen liggen op een bed dat plaatselijk smelt door wrijving of warmte uit de aarde, waardoor het ijs erbovenop sneller kan glijden. Dit heet basaal glijden, en het is een van de grootste bronnen van onzekerheid, omdat je onder kilometers ijs niet zomaar kunt kijken wat er precies gebeurt.
Ten slotte simuleren de modellen de randen van de ijskap, waar ijs de zee in stroomt en afbreekt in ijsbergen, een proces dat 'calving' heet. Bij ijskappen die eindigen in de oceaan speelt ook de temperatuur van het zeewater een grote rol: warmer water onder drijvende ijsplaten (ijsplatforms) kan het ijs van onderaf uithollen. Moderne ijskapmodellen koppelen daarom vaak aan aparte modellen voor de oceaan en de atmosfeer, zodat deze processen op elkaar inwerken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is een betrouwbaardere schatting van toekomstige zeespiegelstijging. Miljoenen mensen wonen in kustgebieden, en overheden moeten beslissen hoe hoog dijken moeten zijn of waar wel en niet gebouwd mag worden. Die beslissingen hangen sterk af van de vraag of de zeespiegel in 2100 twintig centimeter of anderhalve meter hoger ligt dan nu.
Ijskapmodellen helpen ook om te begrijpen welke fysische processen het meest bepalend zijn. Door verschillende scenario's door te rekenen, zoals meer of minder CO2-uitstoot, kunnen onderzoekers laten zien welk deel van de toekomstige zeespiegelstijging nog te beïnvloeden is door klimaatbeleid en welk deel al vastligt door ijs dat nu al aan het reageren is op eerdere opwarming.
Een derde doel is het opsporen van zogeheten kantelpunten: situaties waarin een ijskap in een proces terechtkomt dat zichzelf versterkt en moeilijk te stoppen is, zelfs als de opwarming zou stoppen. Voorbeelden zijn de 'marine ice sheet instability', waarbij een ijskap die op zeebodem onder de zeespiegel rust steeds sneller kan terugtrekken zodra die terugtrekking eenmaal begonnen is. Ijskapmodellen zijn een van de weinige manieren om dit soort scenario's vooraf te verkennen, omdat ze in de praktijk nog niet volledig zijn waargenomen.
Voorbeelden uit de praktijk
ISMIP6 (2016-2020) was een internationaal project waarin tientallen ijskapmodellen van verschillende onderzoeksgroepen naast elkaar dezelfde scenario's doorrekenden. De resultaten vormden een belangrijke basis voor de zeespiegelhoofdstukken van het zesde IPCC-klimaatrapport uit 2021.
International Thwaites Glacier Collaboration, gestart in 2018 als samenwerking tussen Amerikaanse en Britse onderzoeksinstituten, combineert veldwerk op de Thwaites-gletsjer in West-Antarctica met modelberekeningen. Deze gletsjer, soms de 'doomsday glacier' genoemd vanwege haar omvang en kwetsbaarheid, kan bij verdere terugtrekking een keten van ijsverlies in de wijdere omgeving in gang zetten.
PISM (Parallel Ice Sheet Model), ontwikkeld door onder meer de University of Alaska Fairbanks en het Potsdam Institut für Klimafolgenforschung, is een van de meest gebruikte open-source ijskapmodellen wereldwijd en wordt zowel voor Groenland als Antarctica ingezet.
PROTECT, een Europees onderzoeksproject dat liep van 2020 tot 2024, bracht ijskapmodellen, zeespiegelmetingen en risicoanalyses samen om regionale zeespiegelprojecties te verbeteren voor Europese kustregio's.
In Nederland speelt het Institute for Marine and Atmospheric Research Utrecht (IMAU) van de Universiteit Utrecht al decennialang een rol bij het combineren van klimaatmodellen met ijskapmodellen, met bijzondere aandacht voor de massabalans van Groenland en Antarctica.
Hoe ver is de techniek?
Ijskapmodellen zijn de afgelopen twintig jaar sterk verbeterd, mede dankzij krachtiger rekencapaciteit en veel meer satellietwaarnemingen om de modellen te toetsen en bij te stellen. Missies zoals NASA's ICESat-2, die met laser de hoogte van het ijs meet, en de GRACE-satellieten, die veranderingen in massa via zwaartekracht meten, leveren cruciale controledata.
Toch blijven er grote onzekerheden. De grootste bron van twijfel zit niet in Groenland, waar het proces van oppervlaktesmelt relatief goed te modelleren is, maar in Antarctica, waar de interactie tussen oceaan en ijs en de stabiliteit van drijvende ijsplaten veel lastiger te vangen zijn in vergelijkingen. Verschillende modellen die exact dezelfde input krijgen, kunnen nog altijd uiteenlopende uitkomsten geven voor hetzelfde scenario, precies wat projecten als ISMIP6 juist proberen bloot te leggen en te verkleinen.
Een concreet obstakel is dat processen als calving en het instorten van ijskliffen zich afspelen op een schaal van meters tot honderden meters, terwijl modellen van hele continenten vaak rekenen met cellen van kilometers groot. Onderzoekers werken aan zogeheten 'lokale verfijning', waarbij een model op kritieke plekken, zoals de rand van een gletsjer, veel fijnmaziger rekent dan in het rustige binnenland.
Wie werken eraan?
Het veld is internationaal en sterk samenwerkend. In de Verenigde Staten zijn NASA en de University of Alaska Fairbanks belangrijke spelers, net als diverse universiteiten die samenwerken binnen het Thwaites-project. Het Verenigd Koninkrijk brengt via de British Antarctic Survey veel expertise en veldwerk in.
In Europa dragen het Alfred Wegener Institute in Duitsland, verschillende Franse en Finse onderzoeksgroepen achter het model Elmer/Ice, en het Potsdam Institut für Klimafolgenforschung sterk bij. Nederland is vertegenwoordigd via het IMAU van de Universiteit Utrecht en het KNMI, die zowel eigen modelontwikkeling doen als meewerken aan internationale vergelijkingsprojecten.
Op wereldschaal wordt het onderzoek samengebracht door het IPCC, dat geen eigen modellen bouwt maar de resultaten van al deze groepen beoordeelt en samenvat voor beleidsmakers. Ook de Europese Unie financiert via haar Horizon-programma's grote samenwerkingsverbanden zoals PROTECT, waarin tientallen instituten hun ijskapmodellen op elkaar afstemmen.