De Toekomst van het Antarctische IJs: Nieuwe Studie Onthult de Wiskunde van Smeltwatermeren

Onderzoek naar smeltwatermeren op Antarctica

Onderzoekers van Georgia Tech hebben een wiskundige formule ontwikkeld om de grootte van meren die ontstaan op smeltende ijskappen te voorspellen. Ze hebben ontdekt dat de diepte en het oppervlak van deze meren gerelateerd zijn aan de topografie van de ijskap zelf.

Het team maakte gebruik van natuurkunde, modelsimulaties en satellietbeelden om eenvoudige wiskundige vergelijkingen te ontwikkelen die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in bestaande klimaatsmodellen. Dit is een unieke tool die al bijdraagt aan de verbetering van klimaatmodellen.

“Smeltmeren spelen een belangrijke rol in de stabiliteit van ijskappen, maar eerder waren er geen beperkingen voor wat we zouden verwachten als maximale grootte in Antarctica,” zegt studieleider Danielle Grau, een Ph.D. student aan de School of Earth and Atmospheric Sciences. “Ik was gefascineerd door het idee om te kwantificeren hoeveel invloed we van deze meren zouden kunnen verwachten in de toekomst.”

De studie, getiteld “Voorspellen van gemiddelde diepte en oppervlaktefractie van supraglaciale smeltmeren in Antarctica met op fysica gebaseerde parameterisaties,” is gepubliceerd in Nature Communications.

Naast Grau bestaat het onderzoeksteam uit professor Alexander Robel, die Grau begeleidt, en Azeez Hussain (PHYS 2025). Hun voorspellingen tonen aan dat de meeste van deze meren minder dan een meter diep zullen zijn en tot 40% van het oppervlak van de ijskap beslaan.

“Veel modellen bevatten geen gegevens over meren op het oppervlak van ijskappen, terwijl andere simuleren dat deze smeltmeren groeien totdat het ijs instort,” zegt Robel. “Onze resultaten tonen aan dat de werkelijkheid ergens tussenin ligt, en dat de maximale grootte van deze meren kan worden voorspeld met behulp van deze nieuwe vergelijkingen. Dit geeft ons concrete cijfers die we kunnen gebruiken in klimaatmodellen.”

Van zomerproject naar satellietontdekking

Grau begon haar onderzoek als undergraduate student toen ze zich aanmeldde voor een programma voor zomeronderzoek voor studenten aan de School of Earth and Atmospheric Sciences. Geïnspireerd door onderzoek naar terrestrische meren, onderzochten Grau en Robel de “zelfaffiniteit” van de Antarctische ijskap — een eigenschap die samenhangt met de oppervlaktestructuur op verschillende schalen.

“Een eerdere studie had deze eigenschap gebruikt om de grootte van terrestrische meren en vijvers te voorspellen, en we vroegen ons af of we een vergelijkbare aanpak voor supraglaciale meren in Antarctica konden gebruiken,” zegt Grau. “Vaststellen dat de Antarctische ijskap ook deze eigenschap heeft, was de eerste stap in het verdiepen van dit onderzoek.”

De wiskunde van smelt

Grau zette het onderzoek voort als Ph.D. student in het laboratorium van Robel. Samen ontrafelden ze de natuurkunde van hoe smeltwater over het ijsoppervlak beweegt, en ontwierpen ze een ‘gletsjer in een computer’ die de accumulatie en beweging van smeltwater over verschillende topografieën nabootst.

“We hebben een algoritme ontworpen en geïntegreerd in een model dat de GT Ice & Climate Group in het verleden heeft gebruikt,” zegt Grau. “Daaruit konden we zien hoe meren zouden ontstaan op verschillende oppervlakken in duizenden scenario’s. Dit vormde de basis voor de wiskundige vergelijkingen die ik heb ontwikkeld, die de diepte en het oppervlak van de meren kunnen voorspellen op basis van de zelfaffiniteitseigenschap.”

Om hun resultaten te verifiëren, vroeg Grau de hulp van Hussain — destijds een undergraduate aan de School of Physics — om satellietgegevens van het Landsat-programma te onderzoeken (dat gedetailleerde foto’s van het aardoppervlak vanuit de ruimte vastlegt) om bestaande supraglaciale meren en oppervlakte topografie te meten.

“Het was spannend om te zien hoe onze voorspellingen overeenkwamen met wat we zagen in de satellietbeelden,” legt Robel uit. “Dit toont aan dat onze oplossing een concrete weg biedt voor klimaatmodellen om supraglaciale meren realistisch op te nemen.”

Grau is al bezig om de vergelijkingen van het team op te nemen in een atmosferisch model dat door NASA wordt gebruikt, naast een ijskapmodel ontwikkeld door het NASA Jet Propulsion Laboratory en Dartmouth College. “Door complexe modellen en satellietgegevens om te zetten in eenvoudige voorspellende vergelijkingen, geven we klimaatmodellen een nieuwe lens om de toekomst te bekijken,” zegt ze. “Het is een klein onderdeel van de puzzel, maar het helpt ons te begrijpen hoe ijskappen reageren op een opwarmende wereld.”