Gå til hovedinnhold

The Bjerknes Centre is a collaboration on climate research, between the University of Bergen, Uni Research, the Institute of Marine Research, Nansen Environmental and Remote Sensing Centre.

Varmt Atlanterhavsvatn smelter is i Arktis

Forskingsskipet Lance, innefryst i havisen nord for Svalbard vinteren 2015. Skipet blei brukt som base for forsking på prosessar over, i og under isen gjennom eit halvt år, frå januar til juni. Foto: Algot Petersson 

Varmt Atlanterhavsvatn smelter is i Arktis 

Varmt vatn frå Atlanterhavet truar med å smelte havisen i Arktis. Det stadig minkande havisdekket slepp i aukande grad gjennom energien frå vinden, som dermed kan blande opp meir av det varme vatnet som finst i djupet nord for Svalbard, skriv Algot Petersson i tidsskriftet Naturen.

Artikkelen ble først publisert i tidsskriftet Naturen med temanummer om klimaforskning, mars 2016.

Den norske atlanterhavsstraumen, som er ei forlenging av Golfstraumen, strøymer nordover langs Norskekysten. Vidare går straumen langs vestkysten av Svalbard, der den er kjend under namnet Vestspitsbergenstraumen. Der når straumen endeleg Arktis og Polhavet (Figur 1). Langs vegen sin nordover mister vatnet gradvis varme til andre vassmassar og til atmosfæren, samt til smelting av havis. Utanfor vestkysten av Noreg er gjerne dette vatnet rundt 8–10 °C, men når det når nordspissen av Svalbard er temperaturen nede i 2–3 °C. 

Vest for Svalbard er Atlanterhavsvatnet 4–5 °C over frysepunktet. 

Havstrømmene i de nordiske hav. Naturen
Figur 1. Kartet viser Dei nordiske hav, med ei forenkla skisse av dei to viktigaste havstraumane; den varme norske Atlanterhavsstraumen svingar seg i raudt langs Norskekysten, og ein kald returstraum i blått går sørover aust for Grønland. Atlanterhavsstraumen deler seg i to greinar nord for Noreg, og det varme vatnet strekker seg både inn i Barentshavet i aust, og nordover gjennom Framstredet. Nord for Svalbard ser ein kor forskingsskipet Lance dreiv med isen i fire etappar over Yermakplatået vinteren 2015 (skildra i teksten). 

Sjølv med denne låge temperaturen utgjer Atlanterhavsvatnet eit massivt varmereservoar, og når heile 5 million kubikkmeter vatn straumar inn i Arktis kvart sekund (Walczowski mfl. 2005) fører vatnet med seg nok varme til å smelte all is i Arktis i løpet av berre nokre få år (Turner 2010). Dette er likevel berre eit tankeeksperiment som krev at all varmen er i kontakt med isen, noko som heldigvis ikkje er tilfelle. Nord for Svalbard er ikkje Atlanterhavsvatnet i direkte kontakt med overflata, men ligg mellom om lag 200–600 meters djup. Eit lag med kaldt, ferskt vatn skil isen frå den truande varmen under. 

For at denne varmekjelda skal smelte is, eller hindre at ny is blir danna, må varmen bli blanda opp til overflata. Det finst ulike prosessar som kan blande opp varmen frå Atlanterhavsvatnet. Varme spreier seg gjennom molekylær blanding (diffusjon), men dette er ein prosess som går svært sakte. For at det verkeleg skal monne, må vatnet ty til mekanisk blanding av vassmassane. Det kan samanliknast med å bruke ei skei for å røre ut sukker i ein kopp med te, framfor å vente til sukkeret løyser seg opp på eiga hand ved diffusjon. 

Liten endring i varmen frå havet kan bety mykje for isdekket. 

Foto: Algot Petersson
Figur 2. Iskald luft over varmt hav trekk varme frå vatnet i opne råker i Arktis, og ny is blir raskt danna. Foto: Algot Peterson. 

Havisen vert påverka av både havet under og av atmosfæren over, og det er ikkje tvil om at endringar i atmosfæren er hovudårsaka til den observerte nedgangen i isutbreiing og -tjukkleik i Arktis dei siste tiåra. Gjennomsnittstemperaturen har auka, og i Arktis har endringane vore større enn andre stader på kloden. Det store tapet av is blir forsterka av mellom anna endringar i skydekket og auka absorpsjon av solstråling i havet (is-albedo-effekten). Strålingsbalansen ved overflata er hårfin, og ein ser i stadig større grad kor viktig rolle varmen frå havet spelar i denne balansen. Det er store skilnadar mellom ulike delar av Arktis, og i området nord for Svalbard spelar varmen frå havet ei større rolle enn dei fleste andre stader (Onarheim mfl. 2014). Små endringar i energibalansen kan altså ha stor betyding for isdekket i Arktis. 

Blandingsprosessar i Polhavet 

Kvar vinter frys vatnet på overflata i Arktis til is. Når hausten kjem i Polhavet, går varmetapet først til å kjøle ned vatnet. Når vatnet blir kaldare, aukar tettleiken, og det søkk. I tillegg til temperatur, er saltinnhald avgjerande for tettleiken. Dess meir salt, dess tyngre er vatnet. Vatnet søkk til det møter vatn med endå høgare tettleik, og på vegen ned blandast noko av det lettare vatnet opp, i ein prosess som kallast konveksjon. Dersom vatnet under er saltare enn ved overflata, treng ikkje nedkjølinga nå heilt til botn slik tilfellet er i ferskvatn. Når overflatelaget har nådd frysepunktet, som er om lag –1.9 °C for sjøvatn i Arktis (salt senker frysepunktet til vatn), går varmetapet med til å fryse is. Saltvatn som frys vil fortrenge mykje av saltet, og rett under den nye isen aukar derfor saltinnhaldet. Dermed blir det øvste vasslaget tyngre, og konveksjonen kan halde fram så lenge nytt salt blir tilført gjennom isfrysing.

Dersom konveksjonen når djupt nok, kan varmt Atlanterhavsvatn bli blanda opp til isen. Dette kan stoppe frysinga, eller til og med føre til at isen byrjar å smelte frå undersida. Dess meir vatn som frys til is, dess meir konveksjon får ein. Samtidig gir isen veldig god isolasjon, noko som fører til at isen veks raskast når det er lite eller ingen is der frå før. Denne konveksjonen er difor sterkast i iskantsonen, og i område nær land der frålandsvind heile tida skyver vekk nydanna is. 

Saltvatn frys til is ved om lag –1.9 °C. 

Vatnet kan òg blandast av vind, og ein kan sjå føre seg bølgjer som bryt når dei kjem inn mot land på ein vindfull dag. Når bølgjene bryt, vert vatnet blanda godt saman, og det er grunnen til at det øvste laget av sjøen for det meste er godt blanda. Likevel, denne prosessen når sjeldan djupt nok til å kunne blande opp Atlanterhavsvatnet til isen, til det ligg det for djupt, og når isen ligg som eit lokk over havet får ein lite av denne overflateblandinga. Men vinden har eit ess i ermet; energien kan nå djupare ned i havet i form av såkalla indre bølgjer. 

Indre bølgjer finst både i atmosfæren og havet. 

Det er ikkje berre på overflata av havet det kan oppstå bølgjer. Indre bølgjer kan oppstå på grenseflata mellom to vassmassar med ulik tettleik, eller faktisk kvar som helst i vatnet så lenge tettleiken aukar med djupet, og er på mange måtar lik overflatebølgjer. Slike bølgjer er også vanlege i atmosfæren, og ein ser ofte bølgjemønster i skyer. Ein viktig skilnad frå overflatebølgjer er at luft og vatn har veldig stor skilnad i tettleik, medan skilnaden på to lag i vatnet kan vere veldig liten. Indre bølgjer går derfor mykje seinare, og har typisk større utslag, enn slektningen på overflata. I havet har ein ikkje to, men mange vasslag der indre bølgjer kontinuerleg kan forplante seg vidare. Dette gjer at bølgjene ikkje berre kan forplante seg horisontalt, men dei kan, om enn sakte, bevege seg vertikalt i tillegg, og dermed nå djupt ned i havet. 

Indre bølgjer som bryt gir effektiv blanding av vassmassar. 

Skilnaden i hastigheit mellom det varme Atlanterhavsvatnet og det kalde overflatevatnet i Polhavet vil bidra til å endre bølgjene som kjem forbi. Dersom denne skilnaden er tilstrekkelig stor, kan tyngre vatn bli dradd over lettare vatn, og bølgjene vil bryte. Brytningen skjer på same måten som for bølgjer på overflata, der bølgjene kollapsar når vatn hamnar over luft. Når det er stor skilnad i tettleik mellom to lag, vil det verke stabiliserande, og sterkare skilnad i straum vil trengast for å bryte bølgjene. Bølgjene kan òg bryte på andre måtar, i møte med andre bølgjer kan dei bli brattare, ustabile og bryte. Topografien kan også verke inn ved å «fange» bølgjene og få dei til å bryte. Alt i alt kan dei indre bølgjene bidra til at blanding ikkje skjer berre ved overflata, men òg i det indre, som til dømes på grensa mellom det varme Atlanterhavsvatnet og det kalde vatnet over. 

blandingsprosessar om vinteren
Figur 3. Illustrasjon av blandingsprosessar om vinteren i det «gamle» Arktis, dominert av tjukk is som er fleire år gammal. Atlanterhavsvatnet kjem inn frå høgre i figuren, og raude fargar representerer varmare vatn. I iskantsonen har ein kraftig nedkjøling av overflata og konveksjon frå både nedkjøling av vatnet og frysing av is. I iskantsonen kan stormar blande overflatelaget, eller danne indre bølgjer. Tjukkare is reduserer påverknaden både frå vind og nedkjøling/frysing. 

Observasjonar i sentrale delar av Arktis er sporadiske, men dei har vist at under havisen er den mekaniske energien i det indre bølgjefeltet mykje lågare (typisk 10–100 gonger mindre) enn i isfrie hav lengre sør. Eit tett isdekke hindrar vinden i å overføre energi til vatnet, og avgrensar dermed både direkte blanding i overflata, samt danning av indre bølgjer (Figur 3). I tillegg vil den ujamne gamle isen effektivt dempe små rørsler i vatnet. 

Det «nye» Arktis 

Etter at dei første satellittmålingane av utstrekninga til havisen kom i 1979, har ein vitna ei drastisk endring i isdekket. Når isdekket er på sitt minste i september, er det no 2,5 millionar kvadratkilometer mindre is enn det var i 1979. Det svarer til meir enn heile arealet til Grønland. Trenden viser ein nedgang på 13,4 % per tiår over trettiårsperioden 1981–2010. I tillegg til dette har isen blitt tynnare. Den gamle, deformerte og tjukke isen har i stor grad blitt erstatta av ny, tynn is. Når store delar av isdekket forsvinn kvar sommar, vil isen som er att typisk vera eittårig is, som er tynnare, glattare og meir mobil enn den gamle isen som plar vera i Arktis (Figur 4). Denne isen knekk og lettare opp når det kjem inn stormar. 

Isen i det «nye» Arktis er meir mobil enn før. 

Med dette nye, tynnare isdekket forventar ein å sjå meir av dei indre bølgjene som er danna av stormar. Observasjonar tyder på at dette er tilfelle (Fer 2014); energien frå desse bølgjene er monaleg høgare no samanlikna med det som er funne for nokre tiår sidan. Det er også observert at eit lausare samansett isdekke, der isflaka står fritt til å bevege seg meir, har større potensiale til å danne indre bølgjer. Trass i observasjonar som dette, og ei truverdig hypotese, er det usikkert i kor stor grad desse endringane har påverka blanding av vassmassar i djupet, og om dette vil vere viktig for oppblanding av varmt Atlanterhavsvatn. Ei studie som samanlikna målingar frå fleire stader i Arktis over fleire tiår fann ingen signifikant endring i blandinga (Guthrie mfl. 2013). Dette er likevel framleis eit heitt emne i polarforskinga, og fleire observasjonar trengs før ein kan seie noko sikkert. 

Andre prosessar er òg sentrale i eit endra Arktis. Tidevatn er nokre stader ei viktig kjelde til blanding av vassmassar, mellom anna ved Yermakplatået nord for Svalbard, men ein ser ikkje føre seg at det blir store endringar i dette sjølv om isdekket er redusert. Dei siste tiåra har ein sett at Atlanterhavsvatnet som når Arktis er stadig varmare, samtidig som overflatelaget har blitt ferskare frå auka smelting og avrenning frå elver. Dette kan medføre endringar i fleire prosessar, både på havstraumane i stor skala og heilt ned til effekten av småskala diffusjon. 

 

Vinter i det nye Arktis
Figur 4. Vinter i det nye Arktis. Atlanterhavsvatnet er varmare enn før, og den gamle isen er i stor grad erstatta av tynnare førsteårsis. Denne isen er meir mobil; den flyttar seg lettare med vinden, og isflak er i større grad frie til å bevege seg. Nedkjøling og frysing fører til konveksjon lengre inn i Arktis, og vindrelatert blanding kan skje i større delar av Arktis. 

Observasjonar i Arktis 

For å betre forstå og kartlegge bidraga frå dei ulike prosessane, trengs fleire observasjonar, spreidd over både tid og rom. Det er enklare å gjere målingar om sommaren, når det er lyst, mildt, og generelt trivelegare å drive feltarbeid. Difor er vinterobservasjonar eit sterkt tiltrengt bidrag. 

Vinteren 2015 deltok eg i eit prosjekt i regi av Norsk Polarinstitutt, der forskingsskipet Lance let seg fryse inn i isen nord for Svalbard (Figur 5). Lance følgde i alt fire ulike isflak gjennom vinteren og våren, frå januar til juni, frå isfrysing til issmelting. Observasjonar blei gjort i atmosfære, snø, is og hav, medan skipet dreiv sørvestover mot iskanten, frå det indre av det djupe Nansenbassenget til det mykje grunnare Yermakplatået, der meir av Atlanterhavsvatnet finst (Figur 1). Observasjonar av temperatur, salt, havstraumar og direkte målingar av vertikal varmetransport under isen kan bidra til at me lærer meir om viktige prosessar og korleis dei varierer gjennom årstider og mellom ulike stader. Eg er no i gang med å analysere desse og andre målingar, og håpar å kunne belyse viktige spørsmål om blandingsprosessar i Arktis.