Zwart ijs: waarom gletsjers en ijskappen donkerder worden
Wie aan ijs denkt, denkt aan wit: een verblindend, spiegelend oppervlak dat zonlicht terugkaatst. Maar op steeds grotere delen van bijvoorbeeld de Groenlandse ijskap kleurt het oppervlak in de zomer grijs tot bijna zwart. Onderzoekers noemen dit "zwart ijs" of "donker ijs": ijs dat door algen, roet en stof zoveel minder licht weerkaatst dat het sterk begint op te lijken op een grijze snelweg in plaats van een gletsjer.
Het is geen op zichzelf staand schoonheidsprobleem. Donker ijs absorbeert meer zonnewarmte en smelt daardoor sneller dan schoon, wit ijs — vergelijkbaar met een zwarte auto die op een zomerdag veel heter wordt dan een witte. Omdat dat versnelde smelten weer meer donker materiaal blootlegt, kan er een zichzelf versterkend proces ontstaan. Wetenschappers proberen daarom te begrijpen hoe groot dit effect is, hoeveel het bijdraagt aan zeespiegelstijging, en of er iets tegen te doen valt.
Wat is het precies?
De sleutel tot "zwart ijs" is een begrip uit de natuurkunde: albedo. Albedo is het percentage zonlicht dat een oppervlak terugkaatst in plaats van absorbeert. Vers gevallen sneeuw heeft een albedo van rond de 80 tot 90 procent: bijna al het licht wordt weerkaatst. Kaal, verontreinigd gletsjerijs kan zakken naar een albedo van 20 tot 40 procent, wat betekent dat het merendeel van de zonnewarmte wordt opgenomen in plaats van teruggekaatst.
Die daling in albedo heeft meerdere oorzaken, die vaak samen optreden. Ten eerste is er roet, ook wel "zwarte koolstof" (black carbon) genoemd: microscopisch kleine, donkere deeltjes afkomstig van bosbranden, houtstook en de verbranding van fossiele brandstoffen, die via de lucht op het ijs terechtkomen. Ten tweede is er stof, waaronder mineraal stof dat door de wind wordt aangevoerd, en cryoconiet: klontjes van stof, roet en micro-organismen die zich in ondiepe smeltkuiltjes op het ijs verzamelen en die kuiltjes zelf weer dieper laten smelten.
Ten derde, en dit is de ontdekking die de afgelopen tien tot vijftien jaar veel aandacht kreeg, spelen gletsjeralgen een grote rol. Op de Groenlandse ijskap groeit in de zomer een paarsbruine tot zwarte alg (onder meer de soort Ancylonema nordenskiöldii) die een pigment aanmaakt om zichzelf te beschermen tegen fel zonlicht en straling. Datzelfde pigment maakt het ijs eromheen donkerder. Op plekken waar deze algen massaal "bloeien", kan de albedo van het ijsoppervlak sterk dalen, met meetbaar meer smelt tot gevolg.
Het geheel wordt ook wel het bio-albedo-effect genoemd: de manier waarop levende organismen (bio-) de reflectie-eigenschappen (albedo) van een oppervlak beïnvloeden. Onderzoekers combineren satellietbeelden, veldmetingen op de ijskap zelf en laboratoriumstudies om te achterhalen hoeveel van de donkerkleuring door algen komt, hoeveel door roet en stof, en hoe die factoren elkaar versterken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van onderzoek naar zwart ijs is simpel geformuleerd, maar lastig uit te voeren: beter voorspellen hoe snel de Groenlandse en andere ijskappen smelten, en dus hoe snel de zeespiegel stijgt. Klimaatmodellen hielden lange tijd vooral rekening met hogere luchttemperaturen als oorzaak van smelt, en veel minder met veranderingen in de kleur van het ijs zelf. Als donker wordend ijs een blijvend en groeiend effect heeft, kunnen bestaande modellen de smelt onderschatten.
Een tweede doel is fundamenteel-wetenschappelijk: begrijpen hoe leven (de algen) zich aanpast aan een extreem koud, hoog-stralings-milieu, en hoe dat leven op zijn beurt het klimaatsysteem beïnvloedt. Dat is relevant ver buiten de ijskap alleen, tot en met vragen over hoe microbieel leven zou kunnen bestaan onder vergelijkbare omstandigheden elders.
Een derde, veel omstredener doel is ingrijpen: als donker ijs sneller smelt, zou je in theorie het albedo-effect kunnen omkeren door het ijs kunstmatig lichter te maken. Dit soort ideeën valt onder geo-engineering — grootschalige technische ingrepen in het klimaatsysteem — en roept net zoveel vragen op als het beantwoordt, zoals hierna blijkt.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende concrete onderzoeksprojecten hebben zwart ijs de afgelopen jaren op de kaart gezet:
- Dark Snow Project — gestart in 2012 door de Amerikaanse glacioloog Jason Box, destijds verbonden aan GEUS (De Geologische Dienst van Denemarken en Groenland). Het project combineerde crowdfunding met veldexpedities naar Groenland om roet en stof op het ijs te bemonsteren en te koppelen aan bosbranden elders op het noordelijk halfrond.
- Black and Bloom — een Brits onderzoeksconsortium (onder meer de universiteiten van Leeds, Bristol, Sheffield en Aberystwyth), actief van ongeveer 2016 tot 2019, dat specifiek de rol van gletsjeralgen op de Groenlandse ijskap in kaart bracht met veldkampen, drones en satellietdata.
- Satellietmonitoring door NASA en ESA — instrumenten als MODIS en missies zoals ICESat-2 en de Sentinel-satellieten van het Europese Copernicus-programma worden gebruikt om over grote oppervlakken en meerdere jaren veranderingen in albedo en ijsmassa te volgen, ook boven Groenland.
- Arctic Ice Project (voorheen Ice911) — een Amerikaans initiatief onder leiding van Leslie Field (verbonden aan Stanford University) dat experimenteerde met het verspreiden van kleine, reflecterende glazen bolletjes op zee-ijs in de Arctis, met als doel het albedo-effect kunstmatig te herstellen. Dit bleef beperkt tot kleinschalige veldproeven; grootschalige toepassing is (nog) niet gerealiseerd, mede door zorgen over ecologische bijwerkingen.
- Veldstations op de Groenlandse ijskap, zoals meetnetwerken die door Deense, Amerikaanse en andere onderzoeksteams worden onderhouden, leveren al jaren doorlopende metingen van albedo, temperatuur en smeltsnelheid die als ijkpunt dienen voor satellietdata.
Hoe ver is de techniek?
Het meten van zwart ijs staat inmiddels behoorlijk ver: satellieten volgen al decennia veranderingen in albedo, en de combinatie met veldwerk heeft de afgelopen tien tot vijftien jaar duidelijk gemaakt dat algen een aanzienlijke, en niet verwaarloosbare, rol spelen naast roet en stof. Toch blijft het lastig om de bijdrage van elke factor apart precies te kwantificeren, omdat ze regionaal sterk verschillen en van jaar tot jaar variëren met weersomstandigheden.
Het voorspellen is nog een stap lastiger. Klimaatmodellen nemen bio-albedo-effecten steeds vaker mee, maar de wisselwerking tussen opwarming, algengroei, sneeuwval en smeltwaterafvoer is complex genoeg dat onzekerheidsmarges relatief groot blijven. Er is nog geen consensus over hoeveel procent van de totale Groenlandse ijssmelt precies aan donker wordend ijs valt toe te schrijven; schattingen in de wetenschappelijke literatuur lopen uiteen, en dat cijfer verandert bovendien mee met nieuw onderzoek.
Het tegengaan van zwart ijs — de geo-engineeringkant — staat nog in de kinderschoenen. Projecten zoals Arctic Ice Project hebben laten zien dat lokaal albedo-herstel technisch mogelijk is op kleine schaal, maar opschalen naar een oppervlak zo groot als de Groenlandse ijskap of de Arctische zee is financieel, logistiek en ecologisch een compleet andere orde van grootte. Belangrijke open vragen zijn onder meer: wat doet het materiaal met het lokale ecosysteem, hoe lang blijft het effectief, en weegt de winst op tegen de kosten en risico's? Vooralsnog richt het meeste onderzoeksgeld zich daarom op beter begrijpen en monitoren, niet op grootschalig ingrijpen.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar zwart ijs is sterk internationaal en multidisciplinair, met glaciologen, microbiologen, atmosfeeronderzoekers en satellietdata-specialisten die samenwerken. Belangrijke spelers zijn onder meer GEUS (De Geologische Dienst van Denemarken en Groenland), dat als Deense instelling nauw betrokken is bij monitoring van de Groenlandse ijskap, en Britse universiteiten zoals Leeds, Bristol, Sheffield en Aberystwyth, die via consortia als Black and Bloom gletsjeralgen onderzoeken.
In de Verenigde Staten dragen instituten als Stanford University (via het Arctic Ice Project) en diverse universiteiten bij aan zowel meet- als interventieonderzoek. NASA en het Europese ruimtevaartagentschap ESA leveren via hun satellietprogramma's, waaronder Copernicus/Sentinel, de langjarige data die nodig zijn om trends te onderscheiden van jaar-op-jaar-schommelingen. Ook Nederlandse onderzoekers, onder meer verbonden aan de Universiteit Utrecht, doen al langer onderzoek naar de massabalans en smeltprocessen van de Groenlandse ijskap, al ligt hun nadruk vaker op klimaatmodellering dan op de biologische kant van donker ijs specifiek.
Financiering komt doorgaans van nationale onderzoeksraden (zoals het Britse NERC), ruimtevaartagentschappen en, in het geval van het Dark Snow Project, deels ook uit crowdfunding — een ongebruikelijke route voor klimaatwetenschap die destijds aandacht trok.