home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / nasa / sealevel / sealevel.faq < prev   
Text File  |  1995-05-02  |  18KB  |  321 lines

  1. Archive-name: sea-level-faq
  2. Version: $Id: Sea Level FAQ,v 5.0 1993/06/27 17:25:00 rmg3 Exp $
  3.  
  4.   Last Revision: 6/93
  5.   Minor changes in writing.
  6.   Reformatting for inclusion in answers archive.
  7.  
  8.   Please e-mail me corrections (with citation preferably) if you find an
  9. error.  This FAQ does not contain everything relevant to the problem of
  10. sea level change.  Consequently, you should not use this FAQ as the end
  11. of investigation on sea level.  The basic principles are outlined, no
  12. more.  This note has been cross-posted with the default followup set to
  13. sci.environment.  Please edit your followup line accordingly.
  14.  
  15. Bob Grumbine rmg3@grebyn.com
  16.  
  17.   There are two ways of changing sea level on the human time scale.  We
  18. can change the amount of water in the oceans, or we can make the water
  19. there is occupy more or less volume.  The first corresponds to changing
  20. the mass of ice on land.  The second can be done by warming or cooling
  21. the ocean.  Colder water is denser, so the same mass of water occupies
  22. less space.  In considering sea level changes, an important
  23. consideration is the rate at which they occur.  1 meter in 1 day is
  24. quite disastrous.  1 meter in a million years would be irrelevant on
  25. the human scale.
  26.  
  27.   Water has a small but nonzero expansion as it warms.  The expansion is
  28. approximately 2E-4 per degree of warming, at the temperatures of the
  29. upper ocean.  To convert that into a sea level change, we need to
  30. multiply by the amount of warming and the thickness of the ocean that
  31. gets warmed.  The amount of warming is the subject of the climate
  32. modelling.  Let's consider a warming of 1 K for simplicity.  The central
  33. question for the oceanographers is then how deep a layer of the ocean
  34. gets warmed.
  35.  
  36.   This is a difficult question.  The challenge lies in the fact that
  37. the atmosphere heats the ocean at the top.  Obvious.  Not obvious is
  38. that this impedes warming much of the ocean.  Warm water is less dense,
  39. so tends to stay at the surface of the ocean.  If this were all that
  40. happened, only the layer of ocean directly warmed by the sun would be
  41. affected, about the top 100 meters.  There is mixing within the ocean,
  42. which tends to force some of this heat further down.  Balancing that
  43. effect is the fact that water from the deep ocean (which is cold)
  44. generally rises through most of the ocean basin.  So mixing brings down
  45. warm water, and upwelling brings up colder water.  Let's assume that the
  46. thickness that gets warmed is approximately the same as that which is
  47. already warm.  That is approximately 500 meters.  For the 1 degree
  48. warming, we then have 500*2E-4*1 meters of rise, or 0.10 meters.  The
  49. time scale over which this occurs is the length of time it takes to mix
  50. the upper ocean, and is on the order of decades.
  51.  
  52.   In terms of the ice, there are five identifiable reservoirs, only one
  53. of which is expected to be able to have catastrophic effects on sea
  54. level.  They are sea ice, mountain glaciers, the Greenland ice sheet,
  55. the East Antarctic ice sheet, and the West Antarctic ice sheet.  The one
  56. expected to be potentially catastrophic is West Antarctica.
  57. Catastrophic is taken to mean meters of sea level in a few hundred years
  58. or less.
  59.  
  60.   First, why can't the other four be catastrophic?  Sea ice cannot
  61. change sea level much.  That is can do so at all is because sea ice is
  62. not made of quite the same material as the ocean.  Sea ice is much
  63. fresher than sea water (5 parts per thousand instead of about 35).  When
  64. the ice melts (pretend for the moment that it does so instantly and
  65. retains its shape), the resultant melt water is still slightly less
  66. dense than the original sea water.  So the meltwater still 'stands' a
  67. little higher than the local sea level.  The amount of extra height
  68. depends on the salinity difference between ice and ocean, and
  69. corresponds to about 2% of the thickness of the original ice floe.  For
  70. 30 million square kilometers of ice (global maximum extent) and average
  71. thickness of 2 meters (the Arctic ice is about 3 meters, the Antarctic
  72. is about 1), the corresponding change in global sea level would be 2
  73. (meters) * 0.02 (salinity effect) * 0.10 (fraction of ocean covered by
  74. ice), or 4 mm.  Not a large figure, but not zero either.  My thanks to
  75. chappell@stat.wisc.edu (Rick Chappell) for making me work this out.
  76.  
  77.   Mountain glaciers appear to have already made their contribution.
  78. Further collapse of them seems unlikely, and they are too small to be
  79. major elements in sea level change (even should they double their size).
  80.  
  81.   The three ice sheets can change sea level significantly, depending on
  82. whether they grow or decay.  Unlike the sea ice, they are _not_
  83. floating on the ocean.  They are grounded on land.  Sometimes, which
  84. will be important in a minute, that land is far below sea level.  So
  85. what makes the ice sheet grow or decay?  As with bank accounts, it is
  86. income minus outgo.  The income is from snow fall -- accumulation. The
  87. outgo (ablation) is primarily melting and the calving of icebergs.
  88.  
  89.   It is believed that in a warmer climate, the amount of precipitation
  90. would increase.  This is not inarguable as precipitation depends on
  91. more than temperature.  The mechanism for the increase is that warmer
  92. temperatures put more water into the atmosphere (inarguable) so that
  93. snow clouds could drop more snow on the ice sheets (arguable).
  94.  
  95.   But, Greenland is already quite snowy and quite warm.  A warming is
  96. likely to increase the melting far more rapidly than the accumulation.
  97. A small bit of graphics would help here.  Draw an arc that opens
  98. downward.  This is the Greenland ice sheet.  About three quarters of
  99. the way to the peak of the arc, draw a horizontal line through the
  100. sheet.  This is the 'snow line'.  Above this line, there is net
  101. accumulation through the year.  Below the line, there is net ablation
  102. through the year.  In a warming, the snow line moves upwards.  Three
  103. things happen then.  First, in the area that is melting increases.
  104. Second, the melting rate increases.  Third, the area of accumulation
  105. decreases.  The possible fourth is that the rate of accumulation may
  106. increase in the area that does have net accumulation.  But we have
  107. definitely increased both the area that is melting, and the melt rate.
  108. Outgo definitely increases, and income probably decreases or at best
  109. holds even.
  110.  
  111.   These mechanisms set up the possibility for an accelerating collapse
  112. of the ice sheet.  Namely, this excess ablation lowers the ice sheet in
  113. that region.  Since the lower elevations are even warmer, the ablation
  114. rate increases further.  In the mean time, the ice sheet tries to flow
  115. so as to fill in the depression (ice is a fluid).  This lowers the top
  116. of the ice sheet and decreases the accumulation.  Together, the
  117. accumulation is decreased and the ablation is increased.  This is the
  118. elevation-ablation feedback.  It is believed to be operating in
  119. Greenland already.  Under present climatic conditions, the Greenland
  120. ice cap could not be regrown.  It is simply too warm there.  (Odd
  121. thought for Greenland, I know, but glaciologists have unusual
  122. standards).
  123.  
  124.   But, how fast would it melt away?  This is our major question for
  125. human and ecosystem response.  It turns out, not terribly fast.  The
  126. Greenland ice cap is surrounded by mountains.  These have the general
  127. effect of damming up the ice sheet (which is part of the reason it
  128. still exists for us to worry about).  So, according to simulations, the
  129. collapse would take on the order of several hundred years.  The sheet
  130. represents 5 meters of sea level, so the rate of sea level rise would be
  131. several (10 if 500 year collapse) millimeters per year.  This is well
  132. under the rates of sea level rise experienced during the end of the
  133. last ice age (around 20 mm/year), so is not ecologically unprecedented.
  134.  Such rises have occurred several times in the last 2 million years.
  135.  
  136.   What about East Antarctica?  The ice sheet there is extremely large,
  137. about 70 meters of sea level.  Get a map for a minute.  East Antarctica
  138. is the part of Antarctica that lies between 15 W and 165 E as you move
  139. clockwise.  It is the vast majority of the Antarctic ice and land mass.
  140. It also has no decent means of losing mass.  Nor of gaining mass.  East
  141. Antarctica is so cold already that a slight warming will not raise the
  142. snow line enough to put much if any of the region into the melting
  143. zone.  East Antarctica is also ringed by mountains, so that the ice
  144. sheet has little opportunity to calve bergs.  The only sizeable
  145. mechanism of mass loss is for ice to flow through passes in the
  146. transantarctic mountains over to west Antarctica.
  147.  
  148.   Having little means to lose mass, East Antarctica would seem to be a
  149. good place to increase accumulation and lower sea level.  A nice idea,
  150. but it runs into the problem that precipitation is also highly
  151. inefficient over the East Antarctic plateau (arguably the driest desert
  152. in the world).  The best estimates place the rate of increased
  153. accumulation over East Antarctica at right about the same as the
  154. increased ablation on Greenland.  That would be a wash for sea level.
  155. Some redistribution of water from north to south, but no net effect.
  156.  
  157.   West Antarctica is the joker in the deck.  Sea ice we can ignore (for
  158. sea level that is).  Greenland and East Antarctica seem to be inclined
  159. to balance each other's effects.  But West Antarctica represents 6
  160. meters of sea level that _can_ collapse rapidly (as glaciologists
  161. measure things).
  162.  
  163.   The collapse mechanisms rely on the peculiar geometry of the West
  164. Antarctic ice sheet.  The first major feature of West Antarctica is
  165. that it includes two large ice _shelves_.  These are masses of ice
  166. approximately the size of France, approximately 500 meters thick.  They
  167. float on the ocean, so cannot directly change sea level if they were
  168. lost.  The peculiarity of having ice shelves is that ice shelves are
  169. dynamically unstable.  The stable configurations are for the ice sheet
  170. to advance all the way to the edge of the continental shelf, or to
  171. collapse to include no ice shelf.
  172.  
  173.   Why should we worry about the presence or absence of the ice shelves?
  174.  They can't change sea level if they disappeared.  But the ice shelves
  175. serve another role in West Antarctica.  The Filchner-Ronne (in the
  176. Weddell Sea) and the Ross Ice shelf (in the Ross Sea) act as buttresses
  177. to the West Antarctic ice sheet.  Without these buttresses, the West
  178. Antarctic ice sheet will collapse into the ocean on a time scale of
  179. several decades to a few centuries.
  180.  
  181.   The ice shelves contribute to ablation both through melting (at their
  182. bases more than the surface) and through iceberg calving.  Some notably
  183. large bergs have calved in the last few years, including a couple
  184. larger than the state of Rhode Island.  So through either a warmer
  185. ocean providing more ablation or through an increase in calving
  186. (arguably observed), the West Antarctic ice shelves could collapse.
  187.  
  188.   That West Antarctica can collapse much faster than Greenland relies
  189. on another oddity of the West Antarctic geometry.  Most of the ice
  190. sheet base rests well below (500 - 1000 meters) sea level.  The
  191. important oddity is that as you move further inward, the land is
  192. further below sea level.  So, consider a point near the grounding line
  193. (the point where the ice shelf meets the ice sheet).  Ice flows from the
  194. grounded part into the floating part.  The rate of flow increases as the
  195. slope (elevation difference) between the two sections increases.  Extra
  196. mass loss in the ice shelf means that the shelf becomes thinner (and
  197. lower) so more ice flows in from the ice sheet.  This makes the ice
  198. sheet just a little thinner.  _But_ at the grounding line, the ice
  199. sheet had just enough mass to displace sufficient water to reach the sea
  200. floor.  Without that mass, what used to be ice sheet begins to float.
  201. Since the sea floor slopes down inland of the grounding line, the area
  202. of ice sheet that turns into ice shelf increases rapidly.  More ice
  203. shelf means more chance for ice to be melted by the ocean.
  204.  
  205.   The collapse mechanism has a mirror-image advance mechanism.  Should
  206. there be net accumulation, the ice sheet/shelf can ground out to the
  207. continental shelf edge.  Go back to near the grounding point.  This
  208. time add some excess mass to the ice sheet/shelf.  This thickens the
  209. system to ground ice shelf.  The grounded ice shelf takes area away
  210. from the ocean ablation zone, which makes the mass balance even more in
  211. favor of accumulation.  So the advance can also be a self- acclerating
  212. process.
  213.  
  214.   The big question in all this is whether accumulation will go up
  215. faster than ablation.  The problem is, we don't know how either of them
  216. occurs in West Antarctica at present to satisfactory detail.  From
  217. experience in other polar regions, we would expect the ice shelves and
  218. central West Antarctica to have a fairly high accumulation rate.  They
  219. are almost as dry as East Antarctica.  The ablation from the base of
  220. the ice shelves relies on the mechanisms that get 'warm' water (the
  221. water is in fact near the freezing point, some subtleties are involved
  222. in the melting) from the open ocean to the ice shelf base.  We don't
  223. know enough about how the transfer occurs to be able to say confidently
  224. whether this ablation would increase or decrease under a warmer
  225. climate.  Iceberg calving, the other major ablation source, is also not
  226. terribly well understood.
  227.  
  228.   So, the proper answer to the question "Will sea level rise or fall in
  229. a greenhouse world" is yes.  Warming the ocean will cause a sea level
  230. rise.  Ice will act either to raise or lower the sea level.  The major
  231. player for catastrophic change is West Antarctica, which is currently
  232. in an unstable configuration.  It _will_ either advance or retreat.
  233. Current glaciological opinion favors a collapse.  Effects can be locally
  234. serious even without catastrophic sea level rise (which I've taken to
  235. be meters of sea level in under 500 years).
  236.  
  237. The players        Size (approx)   Speed (approx)
  238. Sea Ice             0.4 cm         years
  239. Mountain Glaciers  10's cm         decades
  240. Thermal Expansion  20   cm per degree warming, per km of ocean warmed
  241.                                    decades
  242. West Antarctica   500   cm         a few centuries
  243. Greenland         500   cm         several centuries
  244. East Antarctica  7000   cm         several centuries to millenia
  245.  
  246.   My thanks to chappell@stat.wisc.edu (Rick Chappell), Ilana Stern,
  247. Jan Schloerer, neilson%skat.usc.edu@usc.edu (D. Alex Neilson), Kyle
  248. Swanson, and all others, whose comments (if not addresses) have
  249. helped improve this note.
  250.  
  251. Bob Grumbine
  252. rmg3@grebyn.com
  253.  
  254. Further Reading:
  255.  
  256. Climate Change  -  The IPCC Scientific Assessment
  257. Report Prepared for IPCC by Working Group I
  258. Houghton, J.T.,  G.J. Jenkins,  J.J. Ephraums  (eds.)
  259. Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK 1990
  260. ISBN 0-521-40720-6  paperback  (approx.  US$35)
  261.  
  262. A look at thermal expansion and sea level:
  263.   Wigley, T. M. L. and S. C. B. Raper  Thermal expansion of sea water
  264. associated with global warming.  Nature, 330, 127-131, 1987.
  265.  
  266. The Role of glaciers
  267. Oerlemans, J.  and  J.P.F. Fortuin,  Sensitivity of glaciers
  268.    and small ice caps to greenhouse warming,
  269.    Science 258, 115-117 , 1992
  270.  
  271. The mass balance of Antarctica:
  272.   Jacobs, S. S..  Is the Antarctic Ice Sheet Growing?  Nature, 360,
  273. 29-33, 1992.
  274.  
  275. Sea level during the last 17,000 years:
  276.   Fairbanks, R. G.  A 17,000 year glacio-eustatic sea level record:
  277. influence of glacial melting rates on the Younger Dryas event and
  278. deep-ocean circulation.  Nature 342, 637-642, 1989.
  279.  
  280. Classic text on glaciology:
  281.   Paterson, W. S. B. _The Physics of Glaciers_ 2nd ed, Pergamon Press,
  282. Oxford, New York, Toronto, Sydney, Paris, Frankfurt.  380 pp., 1981.
  283. ISBN 0-08-024005-4 (hardcover), 0-08-024004-6 (flexicover).
  284.  
  285. Precipitation in Antarctica:
  286.   Bromwich, D. H.  Snowfall in High Southern Latitudes  Reviews of
  287. Geophysics, 26, pp. 149-168, 1988.  (This issue contains many
  288. Antarctic Science papers.)
  289.  
  290. Proposed research plan for the West Antarctic Ice Sheet Initiative.
  291. "West Antarctic Ice Sheet Initiative Science and Implementation Plan"
  292. ed. by R. A. Bindschadler, NASA Conference Publication Preprint.  1991.
  293. NASA.
  294.  
  295. Conference on the West Antarctic ice sheet, including an introduction
  296. to why West Antarctica is the focus:
  297.   Van Der Veen, C. J. and J. Oerlemans, eds.  _Dynamics of the West
  298. Antarctic Ice Sheet_  D. Reidel, Dordrecht, Boston, Lancaster, Tokyo.
  299. 365 pp., 1987.  ISBM 90-277-2370-2.
  300.  
  301. Greenland in a Greenhouse world: (also general reference)
  302.   Bindschadler, R. A.  Contribution of the Greenland Ice Cap to
  303. changing sea level: present and future.  IN: Glaciers, Ice Sheets, and
  304. Sea Level: Effect of a CO2-induced Climatic Change.  US Dept. of
  305. Energy Report DOE/EV/60235-1, pp. 258-266, 1985.
  306.  
  307. Antarctica in a Greenhouse:
  308.   Oerlemans, J.  Response of the Antarctic Ice Sheet to a climatic
  309. warming: a model study  Journ. climat. 2, 1-11, 1982.
  310.  
  311. Instability of ice shelves:
  312.   Weertman, J.  Stability of the junction of an ice sheet and an ice
  313. shelf.  Journ. Glaciol., 13, 3-11, 1974.
  314.  
  315. An example of the elevation-ablation feedback, triggered by geology.
  316.   Birchfield, G. E. and R. W. Grumbine "'Slow Physics of Large
  317. Continental Ice Sheets and Underlying Bedrock and Its Relation to the
  318. Pleistocene Ice Ages" J. Geophysical Research, 90, 11,294-11,302,
  319. 1985.  -- Also my first paper, which is really the only reason it's
  320. mentioned.
  321.