home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / sci / environm / 12768 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-11-20  |  17.1 KB

  1. Xref: sparky sci.environment:12768 sci.geo.meteorology:3377
  2. Newsgroups: sci.environment,sci.geo.meteorology
  3. Path: sparky!uunet!grebyn!daily!rmg3
  4. From: rmg3@grebyn.com (Robert Grumbine)
  5. Subject: FAQ Sea Level, Ice, and Greenhouses 
  6. Message-ID: <1992Nov16.211800.18628@grebyn.com>
  7. Organization: Grebyn Timesharing
  8. Date: Mon, 16 Nov 1992 21:18:00 GMT
  9. Lines: 313
  10.  
  11.   Last Revision: 7/92
  12.  
  13.   Please e-mail me corrections (with citation preferably) if you 
  14. find one.  Sea level directly, rather than the role 
  15. of ice in sea level solely is now the subject of the FAQ.  There is a 
  16. factual revision (melting sea ice _can_, slightly, change sea level), 
  17. and new material.  This FAQ does not contain everything relevant to the 
  18. question of sea level.  Consequently, you should not use this FAQ as the 
  19. end of investigation on sea level.  The basic principles are outlined, no
  20. more.  This note has been cross-posted to sci.geo.meteorology
  21. and sci.environment.  Please edit your follow-up line 
  22. accordingly.  Sorry for the long preamble.
  23.  
  24. Bob Grumbine
  25. rmg3@grebyn.com
  26.  
  27.   There are two ways of changing sea level on the human time scale.
  28. We can change the amount of water in the oceans, or we can make the
  29. water there is occupy more or less volume.  The first corresponds
  30. to changing the mass of ice on land.  The second can be done by warm-
  31. ing or cooling the ocean.  Colder water is denser, so the same mass
  32. of water occupies less space.  In considering sea level changes, an
  33. important consideration is the rate at which they occur.  1 meter in
  34. 1 day is quite disastrous.  1 meter in a million years would be 
  35. irrelevant on the human scale.
  36.  
  37.   Water has a small, but nonzero expansion as it warms.  The expansion
  38. is approximately 2E-4 per degree of warming, at the temperatures of the
  39. upper ocean.  To convert that into a sea level change, we need to 
  40. multiply by the amount of warming, and the thickness of the ocean that
  41. gets warmed.  The amount of warming is the subject of the climate modelling.
  42. Let's consider a warming of 1 K for simplicity.  The central question
  43. for the oceanographers is then how deep a layer of the ocean gets
  44. warmed.  
  45.  
  46.   This is a difficult question.  The challenge lies in the fact that 
  47. the atmosphere heats the ocean at the top.  Obvious.  Not obvious is
  48. that this impedes warming much of the ocean.  Warm water is less dense,
  49. so tends to want to stay at the surface of the ocean.  If this were
  50. all that happened, only the layer of ocean directly warmed by the sun
  51. would be affected, about the top 100 meters.  There is mixing within
  52. the ocean, which tends to force some of this heat further down.  Balancing
  53. that effect is the fact that water from the deep ocean (which is
  54. cold) generally rises through most of the ocean basin.  So mixing
  55. brings down warm water, and upwelling brings up colder water.  Let's
  56. assume that the thickness that gets warmed is approximately the same
  57. as that which is already warm.  That is approximately 500 meters.  For
  58. the 1 degree warming, we then have 500*2E-4*1 meters of rise, or 0.10
  59. meters.  The time scale over which this occurs is the length of time
  60. it takes to mix the upper ocean, and is on the order of decades.
  61.  
  62.   In terms of the ice, there are five identifiable reservoirs, only 
  63. one of which can have catastrophic effects on sea level.  They 
  64. are sea ice, mountain glaciers, the Greenland ice sheet, the East 
  65. Antarctic ice sheet, and the West Antarctic ice sheet.  The one that 
  66. matters is West Antarctica.
  67.  
  68.   First, why can the other four be catastrophic?  Sea ice cannot change 
  69. sea level much.  That is can do so at all is because sea ice is not 
  70. made of quite the same material as the ocean.  Sea ice is much fresher 
  71. than sea water (5 parts per thousand instead of about 35).  When the 
  72. ice melts (pretend for the moment that it does so instantly and retains
  73. its shape), the resultant melt water is still slightly less dense than
  74. the original sea water.  So the meltwater still 'stands' a little
  75. higher than the local sea level.  The amount of extra height depends 
  76. on the salinity difference between ice and ocean, and corresponds to 
  77. about 2% of the thickness of the original ice floe.  For 30 million
  78. square kilometers of ice (maximum extent) and average thickness of
  79. 2 meters (the Arctic ice is about 3 meters, the Antarctic is about 1),
  80. the corresponding change in global sea level would be 2 (meters) *
  81. 0.02 (salinity effect) * 0.10 (fraction of ocean covered by ice), or
  82. 4 mm.  Not a large figure, but not zero either.  My thanks to  
  83. chappell@stat.wisc.edu (Rick Chappell) for making me work this out.
  84.  
  85.   Mountain glaciers appear to have already made their contribution.  
  86. Further collapse of them seems unlikely, and they are too small to be 
  87. major elements in sea level (even should they double their size).
  88.  
  89.   The three ice sheets can change sea level significantly, depending 
  90. on whether they grow or decay.  Unlike the sea ice, they are _not_ 
  91. floating on the ocean.  They are grounded on land.  Sometimes, which 
  92. will be important in a minute, that land is far below sea level.  So 
  93. what makes the ice sheet grow or decay?  As with bank accounts, it is 
  94. income minus outgo.  The income is from snow fall -- accumulation.
  95. The outgo (ablation) is primarily melting and the calving of icebergs.  
  96.  
  97.   It is believed that in a warmer climate, the amount of precipitation 
  98. would increase.  This is not inarguable as precipitation depends on 
  99. more than temperature.  The mechanism for the increase is that warmer
  100. temperatures put more water into the atmosphere (inarguable) so that 
  101. snow clouds could drop more snow on the ice sheets (arguable).
  102.  
  103.   But, Greenland is already quite snowy and quite warm.  A warming is 
  104. likely to increase the melting far more rapidly than the accumulation.  
  105. A small bit of graphics would help here.  Draw an arc that opens 
  106. downward.  This is the Greenland ice sheet.  About three quarters of 
  107. the way to the peak of the arc, draw a horizontal line through the 
  108. sheet.  This is the 'snow line'.  Above this line, there is net 
  109. accumulation through the year.  Below the line, there is net ablation 
  110. through the year.  In a warming, the snow line moves upwards.  Three 
  111. things happen then.  First, in the area that is melting increases.  
  112. Second, the melting rate increases.  Third, the area of accumulation 
  113. decreases.  The possible fourth is that the rate of accumulation may 
  114. increase in the area that does have net accumulation.  But we have 
  115. definitely increased both the area that is melting, and the melt rate.  
  116. Outgo definitely increases, and income probably decreases or at best 
  117. holds even.  
  118.  
  119.   These mechanisms set up the possibility for an accelerating collapse 
  120. of the ice sheet.  Namely, this excess ablation lowers the ice sheet 
  121. in that region.  Since the lower elevations are even warmer, the 
  122. ablation rate increases further.  In the mean time, the ice sheet tries 
  123. to flow so as to fill in the depression (ice is a fluid).  This 
  124. lowers the top of the ice sheet and decreases the accumulation.  
  125. Together, the accumulation is decreased and the ablation is increased.  
  126. This is the elevation-ablation feedback.  It is believed to be 
  127. operating in Greenland already.  Under present climatic conditions, 
  128. the Greenland ice cap could not be regrown.  It is simply too warm 
  129. there.  (Odd thought for Greenland, I know, but glaciologists have 
  130. unusual standards).
  131.  
  132.   But, how fast would it melt away?  This is our major question for 
  133. human and ecosystem response.  Well, it turns out, not terribly fast.  
  134. The Greenland ice cap is surrounded by mountains.  These have the 
  135. general effect of damming up the ice sheet (which is part of the 
  136. reason it still exists for us to worry about).  So, according to 
  137. simulations, the collapse would take on the order of several hundred 
  138. years.  The sheet represents 5 meters of sea level, so the rate of sea 
  139. level rise would be several (10 if 500 year collapse) millimeters per 
  140. year.  This is well under the rates of sea level rise experienced 
  141. during the end of the last ice age (around 20 mm/year), so is not 
  142. ecologically unprecedented.  Such rises have occurred several times in 
  143. the last 2 million years.
  144.  
  145.   What about East Antarctica?  The ice sheet there is extremely large, 
  146. about 70 meters of sea level.  Get a map for a minute.  East 
  147. Antarctica is the part of antarctica that lies between 15 W and 165 E 
  148. as you move clockwise.  It is the vast majority of the antarctic ice
  149. and land mass.  It also has no decent means of losing mass.  Nor of 
  150. gaining mass.  East Antarctica is so cold already that a slight 
  151. warming will not raise the snow line enough to put much if any of the 
  152. region into the melting zone.  East Antarctica is also ringed by 
  153. mountains, so that the ice sheet has little opportunity to calve 
  154. bergs.  The only sizeable mechanism of mass loss is for ice to flow
  155. through passes in the transantarctic mountains over to west 
  156. antarctica.
  157.  
  158.   Having little means to lose mass, East Antarctica would seem to be a 
  159. good place to increase accumulation and lower sea level.  A nice idea, 
  160. but it runs into the problem that precipitation is also highly 
  161. inefficient over the East Antarctic plateau (arguably the driest 
  162. desert in the world).  The best estimates place the rate of increased 
  163. accumulation over East Antarctica at right about the same as the 
  164. increased ablation on Greenland.  That would be a wash for sea level.  
  165. Some redistribution of water from north to south, but no net effect.  
  166.  
  167.   West Antarctica is the joker in the deck.  Sea ice we can ignore 
  168. (for sea level that is).  Greenland and East Antarctica seem to be 
  169. inclined to balance each other's effects.  But West Antarctica 
  170. represents 6 meters of sea level that _can_ collapse rapidly (as 
  171. glaciologists measure things).
  172.  
  173.   The collapse mechanisms rely on the peculiar geometry of the West 
  174. antarctic ice sheet.  The first major feature of West Antarctica is 
  175. that it includes two large ice _shelves_.  These are masses of ice 
  176. approximately the size of France, approximately 500 meters thick.  
  177. They float on the ocean, so cannot directly change sea level if they 
  178. were lost.  The peculiarity of having ice shelves is that ice shelves 
  179. are dynamically unstable.  The stable configurations are for the ice 
  180. sheet to advance all the way to the edge of the continental shelf, or 
  181. to collapse to include no ice shelf.
  182.  
  183.   Why should we worry about the presence or absence of the ice 
  184. shelves?  They can't change sea level if they disappeared.  True, they 
  185. can't.  But the ice shelves serve another role in West antarctica.  
  186. The Filchner-Ronne (in the Weddell Sea) and the Ross Ice shelf (in the 
  187. Ross Sea) act as buttresses to the West Antarctic ice sheet.  Without 
  188. these buttresses, the West Antarctic ice sheet will collapse into the 
  189. ocean on a time scale of several decades to a few centuries.
  190.  
  191.   The ice shelves contribute to ablation both through melting (at 
  192. their bases more than the surface) and through iceberg calving.  Some 
  193. notably large bergs have calved in the last few years, including a 
  194. couple larger than the state of Rhode Island.  So through either a 
  195. warmer ocean providing more ablation or through an increase in calving 
  196. (arguably observed), the West Antarctic ice shelves could collapse.
  197.  
  198.   That West Antarctica can collapse much faster than Greenland relies 
  199. on another oddity of the West Antarctic geometry.  Most of the ice 
  200. sheet base rests well below (500 - 1000 meters) sea level.  The 
  201. important oddity is that as you move further inward, the land is 
  202. further below sea level.  So, consider a point near the grounding line 
  203. (the point where the ice shelf meets the ice sheet).  Ice flows
  204. from the grounded part into the floating part.  The rate of flow
  205. increases as the slope (elevation difference) between the two sections
  206. increases.  Extra mass loss in the ice shelf means that the shelf 
  207. becomes thinner (and lower) so more ice flows in from the ice sheet.  
  208. This makes the ice sheet just a little thinner.  _But_ at the grounding 
  209. line, the ice sheet had just enough mass to displace sufficient water 
  210. to reach the sea floor.  Without that mass, what used to be ice sheet 
  211. begins to float.  Since the sea floor slopes down inland of the 
  212. grounding line, the area of ice sheet that turns into ice shelf 
  213. increases rapidly.  More ice shelf means more chance for ice to be 
  214. melted by the ocean.
  215.  
  216.   The collapse mechanism has a mirror-image advance mechanism.  Should 
  217. there be net accumulation, the ice sheet/shelf can ground out to the 
  218. continental shelf edge.  Go back to near the grounding point.  This 
  219. time add some excess mass to the ice sheet/shelf.  This thickens the 
  220. system to ground ice shelf.  The grounded ice shelf takes area away 
  221. from the ocean ablation zone, which makes the mass balance even more 
  222. in favor of accumulation.  So the advance can also be a self-
  223. acclerating process.
  224.  
  225.   The big question in all this is whether accumulation will go up 
  226. faster than ablation.  The problem is, we don't know how either of 
  227. them occurs in West Antarctica at present to satisfactory detail.  
  228. From experience in other polar regions, we would expect the ice 
  229. shelves and central west antarctica to have a fairly high accumulation 
  230. rate.  They are almost as dry as East Antarctica.  The ablation from 
  231. the base of the ice shelves relies on the mechanisms that get 'warm' 
  232. water (the water is in fact near the freezing point, some subtleties 
  233. are involved in the melting) from the open ocean to the ice shelf 
  234. base.  We don't know enough about how the transfer occurs to be able 
  235. to say confidently whether this ablation would increase or decrease 
  236. under a warmer climate.  Iceberg calving, the other major ablation 
  237. source, is also not terribly well understood.
  238.  
  239.   So, the proper answer to the question "Will sea level rise or fall in
  240. a greenhouse world" is yes.  Warming the ocean will cause a sea level
  241. rise.  Ice will act either to raise or lower the sea level.  The major 
  242. player for catastrophic change is West Antarctica, which is currently 
  243. in an unstable configuration.  It _will_ either advance or retreat. 
  244. Current glaciological opinion favors a collapse.  Effects can be serious
  245. even without catastrophic sea level rise (which I've taken to be meters
  246. of sea level in under 500 years).
  247.  
  248. The players        Size (approx)   Speed (approx)
  249. Sea Ice             0.4 cm         years
  250. Thermal Expansion  10   cm per degree warming, per km of ocean warmed
  251.                                    decades
  252. Mountain Glaciers  10's cm         decades
  253. West Antarctica   500   cm         a few centuries
  254. Greenland         500   cm         several centuries
  255. East Antarctica  7000   cm         several centuries to millenia
  256.  
  257.   My thanks to chappell@stat.wisc.edu (Rick Chappell), Ilana Stern,
  258. Jan Schloerer, neilson%skat.usc.edu@usc.edu (D. Alex Neilson), Kyle
  259. Swanson, and all others, whose comments (if not addresses) have 
  260. helped improve this note.
  261.  
  262. Bob Grumbine
  263. rmg3@grebyn.com
  264.  
  265. Further Reading:
  266.  
  267.    Climate Change  -  The IPCC Scientific Assessment
  268.    Report Prepared for IPCC by Working Group I
  269.    Houghton, J.T.,  G.J. Jenkins,  J.J. Ephraums  (eds.)
  270.    Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK 1990
  271.    ISBN 0-521-40720-6  paperback  (approx.  US$35)
  272.    
  273. A look at thermal expansion and sea level:
  274.   Wigley, T. M. L. and S. C. B. Raper  Thermal expansion of sea water
  275. associated with global warming.  Nature, 330, 127-131, 1987.
  276.  
  277. Classic text on glaciology:
  278.   Paterson, W. S. B. _The Physics of Glaciers_ 2nd ed, Pergamon Press, 
  279. Oxford, New York, Toronto, Sydney, Paris, Frankfurt.  380 pp., 1981.
  280. ISBN 0-08-024005-4 (hardcover), 0-08-024004-6 (flexicover).
  281.  
  282. Precipitation in Antarctica:
  283.   Bromwich, D. H.  Snowfall in High Southern Latitudes  Reviews of
  284. Geophysics, 26, pp. 149-168, 1988.  (This issue contains many 
  285. Antarctic Science papers.)
  286.  
  287. Proposed research plan for the West Antarctic Ice Sheet Initiative.
  288. The Initiative was not funded.  "West Antarctic Ice Sheet Initiative 
  289. Science and Implementation Plan" ed. by R. A. Bindschadler, NASA 
  290. Conference Publication Preprint.  1991.  NASA.
  291.  
  292. Conference on the West Antarctic ice sheet, including an introduction 
  293. to why West Antarctica is the focus:
  294.   Van Der Veen, C. J. and J. Oerlemans, eds.  _Dynamics of the West 
  295. Antarctic Ice Sheet_  D. Reidel, Dordrecht, Boston, Lancaster, Tokyo.  
  296. 365 pp., 1987.  ISBM 90-277-2370-2.
  297.  
  298. Greenland in a Greenhouse world: (also general reference)
  299.   Bindschadler, R. A.  Contribution of the Greenland Ice Cap to 
  300. changing sea level: present and future.  IN: Glaciers, Ice Sheets, and 
  301. Sea Level: Effect of a CO2-induced Climatic Change.  US Dept. of 
  302. Energy Report DOE/EV/60235-1, pp. 258-266, 1985.
  303.  
  304. Antarctica in a Greenhouse:
  305.   Oerlemans, J.  Response of the Antarctic Ice Sheet to a climatic 
  306. warming: a model study  Journ. climat. 2, 1-11, 1982.
  307.  
  308. Instability of ice shelves:
  309.   Weertman, J.  Stability of the junction of an ice sheet and an ice 
  310. shelf.  Journ. Glaciol., 13, 3-11, 1974.
  311.  
  312. Sea level during the last 17,000 years:
  313.   Fairbanks, R. G.  A 17,000 year glacio-eustatic sea level record: 
  314. influence of glacial melting rates on the Younger Dryas event and 
  315. deep-ocean circulation.  Nature 342, 637-642, 1989.
  316.   
  317. An example of the elevation-ablation feedback, triggered by geology.
  318.   Birchfield, G. E. and R. W. Grumbine "'Slow Physics of Large 
  319. Continental Ice Sheets and Underlying Bedrock and Its Relation to the 
  320. Pleistocene Ice Ages" J. Geophysical Research, 90, 11,294-11,302, 
  321. 1985.  -- Also my first paper, which is really the only reason it's 
  322. mentioned.
  323.  
  324.