Het ijs breken: een kennismaking met cryoseismologie

Cryoseismologie is een vrij jonge tak van de aardwetenschappen die zich met het bestuderen van ijsbevingen bezighoudt. Deze bevingen treden op bij uiteenlopende processen zoals het afkalven van ijsbergen, schokkerige bewegingen van de gletsjer of het openen van een gletsjerspleet. Het bestuderen van de seismische golven die hierbij vrijkomen stelt ons in staat het gedrag van deze ijsmassa’s beter te begrijpen, zodat hun bijdrage aan zeespiegelstijging en gevaarlijke ijslawines goed voorspeld kunnen worden.

Met oorverdovend geraas maakt een groot brok ijs zich los van de ijskap van Antarctica en stort in zee. Het blok ijs gaat kopje onder en veroorzaakt een kleine vloedgolf, waarna het weer opduikt en als een ijsberg wegdrijft, de horizon tegemoet. Hoewel de gedachte aan klimaatverandering meteen opkomt bij het afkalven van ijsbergen, is dit een heel gangbaar onderdeel van het gedrag van ijskappen. Het is niet lastig voor te stellen dat al dit natuurgeweld flinke trillingen veroorzaakt. Dit is niet het enige proces dat trillingen van het ijs veroorzaakt. Van het opengaan van gletsjerspleten tot schokkerige verschuivingen over de ondergrond waar de gletsjer op rust (het bed), al deze  fenomenen  produceren seismische golven en allemaal hebben ze hun eigen unieke eigenschappen die door experts herkend kunnen worden.

Cryoseismologie of  gletsjer seismologie is de tak van de aardwetenschappen die zich met het bestuderen van deze ijsbevingen bezighoudt. Terwijl aardbevingen al zo’n 100 jaar worden bestudeerd door seismologen, is cryoseismologie een relatief jonge wetenschap: de meeste grote ontdekkingen zijn pas in de laatste twintig jaar gemaakt. Belangrijke reden hiervoor zijn de extreme condities op ijskappen en de moeilijke bereikbaarheid: pas recentelijk is de benodigde meetapparatuur sterk en vooral draagbaar genoeg geworden om deze hindernissen te overkomen.

Ingesneeuwde meters

Net als bij aardbevingen wordt de seismische activiteit van gletsjers gemeten door middel van seismometers of geophones, die de kleinste trillingen nauwkeurig registreren. Deze apparatuur op de juiste plaats krijgen is een hele operatie op zich: vaak gebeurt dit per helikopter. Afhankelijk van wat er bestudeerd wordt, worden deze sensoren op het oppervlak geplaatst of een paar meter in het ijs geboord. In de winter raken de seismometers, die hun energie gedeeltelijk via een zonnepaneel krijgen, gemakkelijk ingesneeuwd en in de zomer zorgt smelt ervoor dat de sensoren uit het ijs tevoorschijn komen. Een onderzoeker moet vaak een paar keer per jaar de stations bezoeken.

De geregistreerde trillingen stellen seismische golven voor die vrijkomen bij verschillende processen. Seismische golven ontstaan door het elastische gedrag van ijs. Als ijsdeeltjes uit hun evenwichtspositie worden gebracht, zullen deze proberen weer terug te gaan naar hun oorspronkelijke positie. Hierbij trekken ze de omliggende deeltjes met zich mee en op deze manier plant de golf zich door het ijs voort. Deze seismische golven kunnen gigantische snelheden bereiken tot bijna 4000 meter per seconde.



De vorm van de geregistreerde trilling geeft informatie over de locatie van de bron, hoe diep deze zich in het ijs bevindt en wat voor proces het is. Vanwege de grote snelheden van de seismische golven is het van groot belang dat de tijd waarop deze aankomen bij verschillende seismometers heel nauwkeurig gemeten wordt. Daarom wordt de klok van verschillende seismometers exact gelijk gesteld met behulp van satellieten. Door deze processen langdurig te bestuderen kan men veel leren over hoe deze processen zich vervolgens door de tijd heen ontwikkelen.

Meten zonder boren

Cryoseismologie maakt het mogelijk processen te bestuderen waar dat vroeger onmogelijk was: zo kan de interactie tussen het ijs en rots gemeten worden, zonder dat daar boringen voor hoeven worden gezet. De ontdekking van schokkerige bewegingen (stick-slip genaamd) zorgde bijvoorbeeld voor bewijs dat wrijving met het bed een belangrijke rol kan spelen bij gletsjerbewegingen, iets wat voorheen niet goed opgenomen was in modellen die de beweging van gletsjers beschrijven. En deze schokkende bewegingen zijn niet onbelangrijk: de bijdrage hiervan aan de beweging van de Whillans Icestream, een gletsjer op Antarctica, blijkt ongeveer de helft van de totale dagelijkse beweging te zijn.  Een interessante ontdekking was dat deze ijsbevingen op Antarctica lijken samen te hangen met de getijden.

Stick-slip bewegingen zijn verder ook op alpiene gletsjers ontdekt. Daar lijken ze echter een totaal andere schaal te hebben: de individuele verschuivingen gaan vaak slechts over millimeters. Het precieze mechanisme hierachter is nog onduidelijk en wordt nog intensief onderzocht. Een interessante ontdekking was dat laboratoriumexperimenten hebben aangetoond dat alleen de interactie van het relatief warme ijs van alpiene gletsjers en het bed dit niet kan verklaren. Waarschijnlijk spelen sedimentlagen onder het ijs of rotsblokken in het ijs ook een belangrijke rol.

Een ander gebied waar cryoseismologie van grote waarde kan zijn is het bestuderen van het afkalven van ijsbergen. Het belang van dit proces is groot, want ongeveer de helft van het ijsverlies op Groenland en vrijwel al het ijsverlies op Antarctica komt door afkalven en een verandering in de snelheid door klimaatverandering kan een groot effect hebben op zeespiegelstijging. Directe metingen van afkalven zijn lastig en metingen worden nu veelal via satellieten gedaan.

Dit afkalven kan dus ook met behulp van seismometers worden bestudeerd. Dit levert belangrijke kennis op over de interne veranderingen van het ijs die tijdens dit proces optreden. Onder sommige condities kan dit afkalven zelfs leiden tot glacial earthquakes. Dit zijn relatief grote ijsbevingen die plaatsvinden in Groenland of Antarctica en die tot op duizenden kilometers afstand van de bron gedetecteerd kunnen worden. Het precieze mechanisme hierachter is nog altijd niet helemaal begrepen, maar het lijkt erop dat het kapseizen van een ijsberg zo’n 'aardbeving' initieert.

Veiligheid

Cryoseismologie kan ook nog een bijdrage leveren aan de veiligheid van de bewoners van verschillende bergdorpen. Gletsjers die op relatief steile hellingen te vinden zijn kunnen soms plotseling afbreken. Dit kan leiden tot verwoestende ijslawines. Ook kunnen grote hoeveelheden smeltwater leiden tot overstromingen. In Zwitserland worden deze gevaren tegenwoordig ook gemonitord met behulp van seismometers. Het blijkt dat deze processen soms voorafgegaan worden door een toename van seismische activiteit. Dit stelt onderzoekers in staat deze processen te zien aankomen, zodat op tijd evacuaties en andere maatregelen kunnen worden genomen die de schade beperken.

Tot slot zijn de ontwikkelingen in de cryoseismologie ook interessant voor seismologen die aardbevingen bestuderen. IJs gedraagt zich anders dan rots. Vergelijkbare processen vinden plaats op een andere schaal en daarom kunnen ontdekkingen uit de cryoseismologie een nieuw licht werpen op bestaande theorieën over aardbevingen. Voor de verdere ontwikkeling van cryoseismologie is het belangrijk dat er een goede dialoog blijft tussen de seismologen en de glaciologen, zodat nieuwe ontdekkingen maximaal kunnen worden benut.

Hoewel deze wetenschap dus nog in de kinderschoenen staat, lijkt cryoseismologie al met al een waardevolle aanvulling te zijn op de klassieke glaciologie. Deze nieuwe methode van bestuderen stelt ons in staat gletsjers uitgebreider te monitoren en helpt het gedrag van deze ijsmassa’s nog beter te begrijpen. Zeker in tijden van klimaatverandering is dit van meer belang dan ooit.

Voor wie meer te weten wil komen over dit onderwerp:

• http://www.vaw.ethz.ch/en/research/glaciology/glacier-seismology.html: website van de vakgroep Glacier Seismologie van de ETH Zürich in Zwitserland.
• Podolskiy, E.A., Walter, F. (2016). Cryoseismology: Een wetenschappelijke review van dit studiegebied.

Joren Janzing behaalde zijn Bachelor in Aardwetenschappen in 2018. Voor zijn afstudeeronderzoek nam hij deel aan een uniek cryoseismologisch veldwerk van vier weken op de Rhone gletsjer in Zwitserland, waar hij zogenaamde stick slip bewegingen bestudeerde.