Zowel waarnemingen als klimaatmodellen laten ondubbelzinnig zien dat de seizoenscyclus in het noordpoolgebied aan grote veranderingen onderhevig is.
Eén van de belangrijkste klimaatindicatoren, de atmosferische temperatuur nabij het oppervlak, neemt namelijk in de winter sterk toe terwijl de zomer nauwelijks opwarmt.
Dit betekent dat de seizoensamplitude in temperatuur sterk afneemt, en de modellen laten zien deze afname ook in de toekomst door zal gaan, met mogelijk grote gevolgen voor gevoelige Arctische ecosystemen enerzijds, en voor toekomstige socio-economische activiteiten in het Noordpoolgebied (zoals olieboringen, toerisme, e.d.) anderzijds. Dit artikel kwantificeert Arctische klimaatveranderingen op basis van de meest recente klimaatmodellen, en achterhaalt bovendien de oorzaken van de grote veranderingen in de seizoenscyclus.
Temperatuurwaarnemingen, heranalyse data en klimaatmodellen laten duidelijk zien dat het Arctische gebied de afgelopen decennia flink is opgewarmd, en dat deze opwarming voornamelijk in de wintermaanden plaatsvond. Volgens de meeste klimaatmodellen (in het kader van het Climate Model Intercomparison Project phase 5, CMIP5) zal deze asymmetrische opwarming zich ook in de toekomst voortzetten, waarbij Arctische winters gedurende de 21e eeuw gemiddeld 4 keer zo snel opwarmen als de zomers (Figuur 1). Tegelijkertijd laten de CMIP5 klimaatmodellen een ondubbelzinnige afname in zeeijs zien, waardoor het Noordpoolgebied rond het jaar 2070 's zomers geheel ijsvrij zal worden. Hierbij dient te worden aangetekend dat vrijwel alle klimaatmodellen de huidige, waargenomen zeeijsafname onderschatten. Als we aannemen dat diezelfde onderschatting ook voor de toekomstberekeningen opgaat is het waarschijnlijk dat de Noordpool 's zomers nog eerder ijsvrij zal worden. De modellen laten verder zien dat het Arctische gebied in het jaar 2100 gemiddeld zo'n 3 maanden ijsvrij zal zijn.
Een ander gevolg van het (gedeeltelijk) ijsvrij raken van de Arctische Oceaan is de toename van de warmtecapaciteit van het oceaan-atmosfeer systeem. In ijsvrije condities heeft de onderliggende oceaan met zijn enorme warmtecapaciteit namelijk een dempende en vertragende invloed op temperatuurveranderingen. Dit heeft tot gevolg dat de seizoenscyclus in Arctische temperatuur verder achter zal gaan lopen op de instraling(Figuur 2), zodat de minima en maxima steeds later in het jaar bereikt worden. Volgens de CMIP5 klimaatmodellen loopt deze faseverschuiving op tot wel 15 dagen in het jaar 2100 (ongeveer twee dagen per decade). Het Arctische dooiseizoen verdubbelt in lengte in het jaar 2100 (143 dagen in 2100, ten opzichte van 70 dagen vandaag de dag), maar door de faseverschuiving vindt de grootste toename aan het eind van de zomer plaats (55 dagen) en veel minder in het begin (18 dagen).
Het is duidelijk dat temperatuurveranderingen in het Noordpoolgebied nauw samenhangen met het steeds verder ijsvrij raken van de Arctische Oceaan. Maar waarom warmen Arctische winters eigenlijk zoveel harder op dan de zomers? Hiervoor zijn drie mogelijke oorzaken te bedenken: 1) de broeikasforcering is in de winter sterker dan in de zomer, 2) het smeltende zeeijs in de zomer houdt de zomertemperatuur nabij het smeltpunt, 3) klimaatterugkoppelingen zijn in de winter sterker dan in de zomer. Mogelijkheid 1 kunnen we meteen wegstrepen aangezien de directe broeikasforcering nauwelijks over het jaar varieert. Mogelijkheid 2 is ook geen belangrijke factor aangezien de temperatuur in de zomer helemaal geen sterke toename vertoont op het moment dat het zeeijs in de zomer verdwijnt (rond het jaar 2070), zie Figuur 3. Blijft over de seizoensafhankelijke terugkoppelingen. Een belangrijke aanwijzing dat terugkoppelingen inderdaad bepalend zijn en bovendien sterk met zeeijs te maken hebben vormt het gegeven dat de opwarming in de winter sterk afneemt zodra het zeeijs in de winter verdwenen is (Figuur 3). Dit suggereert dat de aanwezigheid van aan zeeijs-gerelateerde terugkoppelingen de Arctische winters versneld doen opwarmen. Een voorbeeld van zo'n terugkoppeling is de toename in de hoeveelheid verdamping als gevolg van de afname van zeeijs, waardoor er meer vocht in de atmosfeer komt en ook meer bewolking, wat allebei meer infrarode terugstraling veroorzaakt, wat het oppervlak verder opwarmt en zeeijs doet verdwijnen, etc.
Overigens kunnen paradoxaal genoeg terugkoppelingen in het zomerseizoen ook hun bijdrage aan de winteropwarming leveren, zolang ze maar van invloed zijn op de zeeijsbedekking in het winterseizoen. De ijs-albedo terugkoppeling (minder zeeijs, meer donker oceaanoppervlak, meer absorptie van zonnestraling, meer opwarming, minder zeeijs, etc) heeft derhalve ook een versterkend effect op de winteropwarming omdat daardoor minder ijs en warmer water 'doorgegeven wordt' aan het winterseizoen, maar Figuur 3 suggereert al dat dit waarschijnlijk een relatief klein effect is. Om de verschillende bijdragen aan de winteropwarming te kwantificeren hebben we de trends in de verschillende energiefluxen aan het oppervlak van de Arctische Oceaan berekend voor alle CMIP5 modellen over de periode 2000-2100. Hieruit blijkt dat de infrarode terugstraling in de winter enorm toeneemt, en dat dit inderdaad de dominante opwarmingsterm is (dit is in feite een lokaal versterkt broeikaseffect). Deze infrarode terugkoppelingen in de winter (samenhangend met toegenomen waterdamp en wolken, en afnemend zeeijs) verklaren driekwart van de atmosferische opwarming in de winter, terwijl de ijs-albedo terugkoppeling die alleen actief is als de zon schijnt (dus niet in de winter) slechts ruwweg een kwart bijdraagt.
De analyses van de CMIP5 klimaatmodel simulaties laten zien dat de seizoensafhankelijke opwarming van het Noordpoolgebied sterk samenhangt met een enorm versterkt broeikaseffect in de Arctische winter en dat veroorzaakt wordt door de terugkoppeling tussen terugtrekkend zeeijs en meer vocht/wolken. De sterke opwarming van het Arctisch gebied in de winter ten opzichte van de zomer is onafhankelijk van de sterkte van de opgelegde klimaatforcering (zie Figuur 1), hetgeen inhoudt dat de gesimuleerde seizoensafhankelijke Arctische opwarming een inherent onderdeel van het (gemodelleerde) klimaatsysteem is en derhalve nauw samenhangt met lokale en seizoensafhankelijke klimaatterugkoppelingen.
The changing seasonal cycle in de Arctic, R. Bintanja en E. C. van der Linden, Scientific Reports, 27 March 2013.