Polynya: het gat in het pakijs dat de oceaan laat ademen
Stel je een enorm meer voor, midden in een bevroren woestenij van zeeijs, dat maar niet dichtvriest — soms zo groot als Nederland, soms zelfs als heel West-Europa. Dat is een polynya: een gebied open water dat het hele jaar door, of in elk geval een groot deel van de winter, omringd blijft door pakijs zonder zelf te bevriezen. De term komt uit het Russisch (полынья, polynja) en betekende oorspronkelijk simpelweg een wak, het soort opening dat je kent van een dichtgevroren sloot. Op poolschaal is een polynya echter geen toevallige scheur, maar een terugkerend of zelfs vast fenomeen met een eigen oorzaak.
Waarom besteedt een site over toekomsttechnologie hier aandacht aan? Omdat polynya's, hoe natuurlijk ook, cruciaal zijn voor het begrijpen van de wereldwijde oceaancirculatie en het klimaatsysteem — en omdat het opsporen en verklaren ervan alleen mogelijk is dankzij satelliettechnologie, autonome onderbewaterdrijvers en steeds verfijndere klimaatmodellen. Een polynya is dus een plek waar geavanceerde technologie en fundamentele aardwetenschap elkaar raken.
Wat is het precies?
Wetenschappers onderscheiden twee hoofdtypen polynya's, met elk een andere oorzaak. Het eerste type is de latent-heat polynya. Die ontstaat door aanhoudende, sterke aflandige winden — vaak katabatische winden, koude luchtstromen die vanaf het hoge ijskoude binnenland van Antarctica met grote kracht naar de kust razen. Deze wind blaast nieuw gevormd ijs voortdurend weg van de kust of van een ijsplaat, zodat er steeds weer open water overblijft waar opnieuw ijs kan vormen, dat vervolgens ook weer wegwaait. Het is dus geen plek zonder ijsvorming, maar juist een plek met razendsnelle, continue ijsproductie.
Het tweede type is de sensible-heat polynya. Hierbij houdt niet de wind, maar warmte het ijs weg: relatief warm dieper oceaanwater welt op naar het oppervlak en voorkomt dat er ijs vormt, zoals bij de beroemde Maud Rise-polynya in de Weddellzee, waar een onderzeese berg (seamount) het opwellen van water in de hand werkt.
Bij latent-heat polynya's speelt een proces genaamd pekelafstoting (brine rejection) een sleutelrol. Wanneer zeewater bevriest, wordt het zout grotendeels uitgestoten uit de ijskristallen. Dat zoute, koude water is extra zwaar en zinkt daardoor snel naar de diepte. In polynya's, waar voortdurend nieuw ijs wordt gevormd en weer weggeblazen, gebeurt dit proces op een schaal die nergens anders voorkomt. Dit maakt polynya's tot een van de belangrijkste plekken op aarde waar diep, zeer dicht oceaanwater ontstaat — met name het zogeheten Antarctisch Bodemwater, dat vervolgens over de hele wereld door de diepzee stroomt en zo een motor vormt van de mondiale oceaancirculatie.
Polynya's opsporen is niet triviaal. Het is er vaak maandenlang aardedonker (poolnacht) en bewolkt, waardoor gewone camerasatellieten niets zien. Daarom gebruiken onderzoekers al sinds de jaren zeventig passieve microwave-satellieten, die de eigen straling van het oppervlak meten en onderscheid kunnen maken tussen ijs en open water, dag en nacht, door wolken heen. Tegenwoordig komt daar radar bij: satellieten als Sentinel-1 gebruiken synthetic aperture radar (SAR), dat een scherp beeld van het ijsoppervlak geeft ongeacht licht of bewolking. Onder het ijs zelf meten autonome drijvers en gliders temperatuur, zoutgehalte en chemische samenstelling van het water, iets wat schepen in bevroren zeeën simpelweg niet kunnen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderzoek naar polynya's dient meerdere doelen tegelijk. Ten eerste willen klimaatwetenschappers beter begrijpen hoe de oceaan warmte en koolstof uitwisselt met de atmosfeer: in de winter kan een polynya duizenden watt aan warmte per vierkante meter afgeven aan de ijskoude lucht erboven, veel meer dan een met ijs bedekte zee ooit zou doen. Dat beïnvloedt weer- en klimaatpatronen tot ver buiten de poolgebieden.
Ten tweede zijn polynya's onmisbaar voor het testen en verbeteren van klimaatmodellen. Omdat ze zo'n grote rol spelen bij diepwatervorming, kan een model dat polynya's verkeerd simuleert ook de wereldwijde oceaancirculatie verkeerd voorspellen — met gevolgen voor voorspellingen over zeespiegelstijging en klimaatverandering op de lange termijn.
Ten derde zijn polynya's ecologisch van groot belang. Omdat ze open water bieden te midden van eindeloos ijs, zijn het toevluchtsoorden voor zeezoogdieren, vogels en vis, en broedplaatsen voor het fytoplankton dat de basis van de voedselketen vormt. Voor gemeenschappen die van deze wateren afhankelijk zijn, zoals Inuit-gemeenschappen in het noordpoolgebied, is het beschermen van deze gebieden dan ook niet alleen een wetenschappelijk, maar ook een cultureel en bestaansbelang.
Voorbeelden uit de praktijk
De Weddellzee- of Maud Rise-polynya is wellicht de bekendste. Ze werd voor het eerst waargenomen in de winters van 1974 tot 1976 door vroege passieve-microwavesatellieten (de Nimbus-serie van NASA) en verraste onderzoekers destijds enorm: niemand had verwacht dat er midden in de bevroren Weddellzee, ver van de kust, een gat van tienduizenden vierkante kilometers open water kon blijven bestaan. Daarna verdween het fenomeen decennialang, tot het rond 2016 en 2017 onverwacht terugkeerde. Deze herverschijning werd nauwkeurig gevolgd dankzij autonome drijvers van het Amerikaanse SOCCOM-project (Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling), die onder het ijs metingen doorseinden. Waarom de polynya soms wél en soms decennialang niet terugkeert, is nog altijd niet volledig verklaard; het blijft een actief onderzoeksveld.
De Ross Sea-polynya, aan de andere kant van Antarctica, is een van de meest productieve zeegebieden ter wereld qua fytoplankton en vormt een belangrijk gebied voor Adéliepinguïns en walvissen. De Terra Nova Bay-polynya, eveneens in de Rossee, is een klassiek voorbeeld van een door katabatische wind aangedreven latent-heat polynya en wordt al sinds de jaren tachtig intensief bestudeerd door onder meer Italiaanse en Amerikaanse onderzoeksstations in de buurt.
Aan de Arctische kant is de North Water Polynya, in het Inuktitut Pikialasorsuaq ('de grote opwelling') genoemd, tussen Groenland en het Canadese Ellesmere-eiland een van de belangrijkste. Dit gebied blijft grotendeels open door een combinatie van wind en stroming door de nauwe Naresstraat, en is een biodiversiteitshotspot voor narwals, ijsberen en zeevogels. Rond 2016-2017 riep de Pikialasorsuaq Commission, een door Inuit-gemeenschappen uit Groenland en Canada geïnitieerd overleg, op tot gezamenlijke bescherming van het gebied — een voorbeeld van hoe wetenschappelijk begrip en inheemse kennis samenkomen in beleid.
Hoe ver is de techniek?
De basale detectie van polynya's via satelliet is inmiddels volwassen technologie: al sinds de jaren zeventig worden ijs- en openwatergebieden vrij betrouwbaar in kaart gebracht, en moderne SAR-satellieten zoals Sentinel-1 (Europese Sentinel-missies) geven een steeds scherper beeld, ook in de poolnacht. De grootste uitdaging ligt niet zozeer in het waarnemen dát er een polynya is, maar in het voorspellen wannéér en waaróm er een ontstaat of juist verdwijnt.
Klimaatmodellen hebben hier nog aantoonbaar moeite mee: de onverwachte terugkeer van de Maud Rise-polynya in 2016-2017 werd door vrijwel geen enkel gangbaar klimaatmodel voorspeld, wat liet zien dat de onderliggende processen — met name de wisselwerking tussen wind, oceaanwerveling en warmteopwelling op kleine schaal — nog niet goed genoeg worden gesimuleerd. Onderzoekers werken aan hogere-resolutiemodellen en aan het combineren van satellietdata met metingen van autonome drijvers om deze processen beter te vangen. Er wordt ook geëxperimenteerd met machinelearningtechnieken om patronen in decennia aan satellietdata te herkennen die aan menselijke analisten ontsnappen, al staat dit onderzoek nog in een pril stadium en zijn resultaten vooralsnog niet doorslaggevend.
Een praktisch obstakel blijft de logistiek: metingen ín een polynya doen, met een schip of drijver, in een van de meest afgelegen en barre omgevingen op aarde, blijft kostbaar en risicovol, ook met moderne technologie.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar polynya's is internationaal en multidisciplinair. Het Alfred Wegener Institute in Duitsland behoort tot de belangrijkste centra voor Antarctisch zee-ijsonderzoek, onder meer met eigen expedities in de Weddellzee. De British Antarctic Survey (Verenigd Koninkrijk) en onderzoeksinstituten als Woods Hole Oceanographic Institution en Scripps Institution of Oceanography (Verenigde Staten) leveren zowel veldwerk als modelmatig onderzoek. Het eerdergenoemde SOCCOM-project, met financiering van de Amerikaanse National Science Foundation, heeft honderden autonome drijvers in de Zuidelijke Oceaan uitgezet en was essentieel bij het volgen van de Maud Rise-polynya in 2016-2017.
Op satellietgebied zijn NASA (Verenigde Staten) en ESA (Europese ruimtevaartorganisatie) de belangrijkste leveranciers van langlopende, vrij beschikbare data over zee-ijs en open water. Aan Arctische zijde zijn onderzoeksgroepen in Canada en Denemarken/Groenland, vaak in samenwerking met Inuit-gemeenschappen en organisaties zoals de Pikialasorsuaq Commission, actief rond de North Water Polynya. Australische instituten dragen bij aan onderzoek naar polynya's rond Oost-Antarctica.