home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Usenet 1994 October / usenetsourcesnewsgroupsinfomagicoctober1994disk1.iso / answers / sea-level-faq < prev    next >
Text File  |  1993-12-16  |  19KB  |  346 lines

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!nic.hookup.net!swrinde!emory!europa.eng.gtefsd.com!uunet!digex.net!digex.net!not-for-mail
  2. From: rmg3@access.digex.net (Robert Grumbine)
  3. Newsgroups: sci.environment,sci.geo.meteorology,sci.geo.geology,news.answers,sci.answers
  4. Subject: Sea Level, Ice, and Greenhouses -- FAQ
  5. Followup-To: sci.environment
  6. Date: 15 Dec 1993 12:12:24 -0500
  7. Organization: Under construction
  8. Lines: 329
  9. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  10. Expires: Mon, 31 January 1994 00:00:00 GMT
  11. Message-ID: <2engho$6vd@access.digex.net>
  12. Reply-To: rmg3@access.digex.net (FAQ author)
  13. NNTP-Posting-Host: access.digex.net
  14. Summary: Survey of physical processes affecting sea level.
  15. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.environment:38380 sci.geo.meteorology:7450 sci.geo.geology:7740 news.answers:15849 sci.answers:733
  16.  
  17. Archive-name: sea-level-faq
  18. Version: Sea Level FAQ v 5.0 1993/11/21 20:25:00 rmg3 
  19.  
  20.   Last Revision: 11/93  
  21.   Extension of conclusion section
  22.   
  23.   Please e-mail me corrections (with citation preferably) if you find an
  24. error.  This FAQ does not contain everything relevant to the problem of
  25. sea level change.  Consequently, you should not use this FAQ as the end
  26. of investigation on sea level.  The basic principles are outlined, no
  27. more.  This note has been cross-posted with the default followup set to
  28. sci.environment.  Please edit your followup line accordingly.
  29.  
  30. Bob Grumbine rmg3@access.digex.net
  31.  
  32.   There are two ways of changing sea level on the human time scale.  We
  33. can change the amount of water in the oceans, or we can make the water
  34. there is occupy more or less volume.  The first corresponds to changing
  35. the mass of ice on land.  The second can be done by warming or cooling 
  36. the ocean.  Colder water is denser, so the same mass of water occupies 
  37. less space.  In considering sea level changes, an important 
  38. consideration is the rate at which they occur.  1 meter in 1 day is
  39. quite disastrous.  1 meter in a million years would be irrelevant on
  40. the human scale.
  41.  
  42.   Water has a small but nonzero expansion as it warms.  The expansion is
  43. approximately 2E-4 per degree of warming, at the temperatures of the
  44. upper ocean.  To convert that into a sea level change, we need to 
  45. multiply by the amount of warming and the thickness of the ocean that
  46. gets warmed.  The amount of warming is the subject of the climate
  47. modelling.  Let's consider a warming of 1 K for simplicity.  The central
  48. question for the oceanographers is then how deep a layer of the ocean
  49. gets warmed.  
  50.  
  51.   This is a difficult question.  The challenge lies in the fact that 
  52. the atmosphere heats the ocean at the top.  Obvious.  Not obvious is
  53. that this impedes warming much of the ocean.  Warm water is less dense,
  54. so tends to stay at the surface of the ocean.  If this were all that
  55. happened, only the layer of ocean directly warmed by the sun would be
  56. affected, about the top 100 meters.  There is mixing within the ocean,
  57. which tends to force some of this heat further down.  Balancing that
  58. effect is the fact that water from the deep ocean (which is cold)
  59. generally rises through most of the ocean basin.  So mixing brings down
  60. warm water, and upwelling brings up colder water.  Let's assume that the
  61. thickness that gets warmed is approximately the same as that which is
  62. already warm.  That is approximately 500 meters.  For the 1 degree
  63. warming, we then have 500*2E-4*1 meters of rise, or 0.10 meters.  The
  64. time scale over which this occurs is the length of time it takes to mix
  65. the upper ocean, and is on the order of decades.
  66.  
  67.   In terms of the ice, there are five identifiable reservoirs, only one
  68. of which is expected to be able to have catastrophic effects on sea
  69. level.  They are sea ice, mountain glaciers, the Greenland ice sheet,
  70. the East Antarctic ice sheet, and the West Antarctic ice sheet.  The one
  71. expected to be potentially catastrophic is West Antarctica. 
  72. Catastrophic is taken to mean meters of sea level in a few hundred years
  73. or less.
  74.  
  75.   First, why can't the other four be catastrophic?  Sea ice cannot
  76. change sea level much.  That is can do so at all is because sea ice is
  77. not made of quite the same material as the ocean.  Sea ice is much
  78. fresher than sea water (5 parts per thousand instead of about 35).  When
  79. the ice melts (pretend for the moment that it does so instantly and
  80. retains its shape), the resultant melt water is still slightly less
  81. dense than the original sea water.  So the meltwater still 'stands' a
  82. little higher than the local sea level.  The amount of extra height
  83. depends on the salinity difference ben ice and ocean, and
  84. corresponds to about 2% of the thickness of the original ice floe.  For
  85. 30 million square kilometers of ice (global maximum extent) and average
  86. thickness of 2 meters (the Arctic ice is about 3 meters, the Antarctic
  87. is about 1), the corresponding change in global sea level would be 2
  88. (meters) * 0.02 (salinity effect) * 0.10 (fraction of ocean covered by
  89. ice), or 4 mm.  Not a large figure, but not zero either.  My thanks to 
  90. chappell@stat.wisc.edu (Rick Chappell) for making me work this out.
  91.  
  92.   Mountain glaciers appear to have already made their contribution.  
  93. Further collapse of them seems unlikely, and they are too small to be 
  94. major elements in sea level change (even should they double their size).
  95.  
  96.   The three ice sheets can change sea level significantly, depending on
  97. whether they grow or decay.  Unlike the sea ice, they are _not_ 
  98. floating on the ocean.  They are grounded on land.  Sometimes, which 
  99. will be important in a minute, that land is far below sea level.  So 
  100. what makes the ice sheet grow or decay?  As with bank accounts, it is 
  101. income minus outgo.  The income is from snow fall -- accumulation. The
  102. outgo (ablation) is primarily melting and the calving of icebergs.  
  103.  
  104.   It is believed that in a warmer climate, the amount of precipitation 
  105. would increase.  This is not inarguable as precipitation depends on 
  106. more than temperature.  The mechanism for the increase is that warmer
  107. temperatures put more water into the atmosphere (inarguable) so that 
  108. snow clouds could drop more snow on the ice sheets (arguable).
  109.  
  110.   But, Greenland is already quite snowy and quite warm.  A warming is 
  111. likely to increase the melting far more rapidly than the accumulation. 
  112. A small bit of graphics would help here.  Draw an arc that opens 
  113. downward.  This is the Greenland ice sheet.  About three quarters of 
  114. the way to the peak of the arc, draw a horizontal line through the 
  115. sheet.  This is the 'snow line'.  Above this line, there is net 
  116. accumulation through the year.  Below the line, there is net ablation 
  117. through the year.  In a warming, the snow line moves upwards.  Three 
  118. things happen then.  First, in the area that is melting increases.  
  119. Second, the melting rate increases.  Third, the area of accumulation 
  120. decreases.  The possible fourth is that the rate of accumulation may 
  121. increase in the area that does have net accumulation.  But we have 
  122. definitely increased both the area that is melting, and the melt rate. 
  123. Outgo definitely increases, and income probably decreases or at best 
  124. holds even.  
  125.  
  126.   These mechanisms set up the possibility for an accelerating collapse 
  127. of the ice sheet.  Namely, this excess ablation lowers the ice sheet in
  128. that region.  Since the lower elevations are even warmer, the ablation
  129. rate increases further.  In the mean time, the ice sheet tries to flow
  130. so as to fill in the depression (ice is a fluid).  This lowers the top
  131. of the ice sheet and decreases the accumulation.  Together, the
  132. accumulation is decreased and the ablation is increased.  This is the
  133. elevation-ablation feedback.  It is believed to be operating in
  134. Greenland already.  Under present climatic conditions, the Greenland
  135. ice cap could not be regrown.  It is simply too warm there.  (Odd
  136. thought for Greenland, I know, but glaciologists have unusual
  137. standards).
  138.  
  139.   But, how fast would it melt away?  This is our major question for 
  140. human and ecosystem response.  It turns out, not terribly fast.  The
  141. Greenland ice cap is surrounded by mountains.  These have the general
  142. effect of damming up the ice sheet (which is part of the reason it
  143. still exists for us to worry about).  So, according to simulations, the
  144. collapse would take on the order of several hundred years.  The sheet
  145. represents 5 meters of sea level, so the rate of sea level rise would be
  146. several (10 if 500 year collapse) millimeters per year.  This is well
  147. under the rates of sea level rise experienced during the end of the
  148. last ice age (around 20 mm/year), so is not ecologically unprecedented.
  149.  Such rises have occurred several times in the last 2 million years.
  150.  
  151.   What about East Antarctica?  The ice sheet there is extremely large, 
  152. about 70 meters of sea level.  Get a map for a minute.  East Antarctica
  153. is the part of Antarctica that lies between 15 W and 165 E as you move
  154. clockwise.  It is the vast majority of the Antarctic ice and land mass. 
  155. It also has no decent means of losing mass.  Nor of gaining mass.  East
  156. Antarctica is so cold already that a slight warming will not raise the
  157. snow line enough to put much if any of the region into the melting
  158. zone.  East Antarctica is also ringed by mountains, so that the ice
  159. sheet has little opportunity to calve bergs.  The only sizeable
  160. mechanism of mass loss is for ice to flow through passes in the
  161. transantarctic mountains over to west Antarctica.
  162.  
  163.   Having little means to lose mass, East Antarctica would seem to be a 
  164. good place to increase accumulation and lower sea level.  A nice idea, 
  165. but it runs into the problem that precipitation is also highly 
  166. inefficient over the East Antarctic plateau (arguably the driest desert
  167. in the world).  The best estimates place the rate of increased 
  168. accumulation over East Antarctica at right about the same as the 
  169. increased ablation on Greenland.  That would be a wash for sea level.  
  170. Some redistribution of water from north to south, but no net effect.  
  171.  
  172.   West Antarctica is the joker in the deck.  Sea ice we can ignore (for
  173. sea level that is).  Greenland and East Antarctica seem to be inclined
  174. to balance each other's effects.  But West Antarctica represents 6
  175. meters of sea level that _can_ collapse rapidly (as glaciologists
  176. measure things).
  177.  
  178.   The collapse mechanisms rely on the peculiar geometry of the West 
  179. Antarctic ice sheet.  The first major feature of West Antarctica is 
  180. that it includes two large ice _shelves_.  These are masses of ice 
  181. approximately the size of France, approximately 500 meters thick.  They
  182. float on the ocean, so cannot directly change sea level if they were
  183. lost.  The peculiarity of having ice shelves is that ice shelves are
  184. dynamically unstable.  The stable configurations are for the ice sheet
  185. to advance all the way to the edge of the continental shelf, or to
  186. collapse to include no ice shelf.
  187.  
  188.   Why should we worry about the presence or absence of the ice shelves?
  189. They can't change sea level if they disappeared.  But the ice shelves
  190. serve another role in West Antarctica.  The Filchner-Ronne (in the
  191. Weddell Sea) and the Ross Ice shelf (in the Ross Sea) act as buttresses
  192. to the West Antarctic ice sheet.  Without these buttresses, the West
  193. Antarctic ice sheet will collapse into the ocean on a time scale of
  194. several decades to a few centuries.
  195.  
  196.   The ice shelves contribute to ablation both through melting (at their
  197. bases more than the surface) and through iceberg calving.  Some notably
  198. large bergs have calved in the last few years, including a couple
  199. larger than the state of Rhode Island.  So through either a warmer
  200. ocean providing more ablation or through an increase in calving 
  201. (arguably observed), the West Antarctic ice shelves could collapse.
  202.  
  203.   That West Antarctica can collapse much faster than Greenland relies 
  204. on another oddity of the West Antarctic geometry.  Most of the ice 
  205. sheet base rests well below (500 - 1000 meters) sea level.  The 
  206. important oddity is that as you move further inward, the land is 
  207. further below sea level.  So, consider a point near the grounding line 
  208. (the point where the ice shelf meets the ice sheet).  Ice flows from the
  209. grounded part into the floating part.  The rate of flow increases as the
  210. slope (elevation difference) between the two sections increases.  Extra
  211. mass loss in the ice shelf means that the shelf becomes thinner (and
  212. lower) so more ice flows in from the ice sheet.  This makes the ice
  213. sheet just a little thinner.  _But_ at the grounding line, the ice
  214. sheet had just enough mass to displace sufficient water to reach the sea
  215. floor.  Without that mass, what used to be ice sheet begins to float. 
  216. Since the sea floor slopes down inland of the grounding line, the area
  217. of ice sheet that turns into ice shelf increases rapidly.  More ice
  218. shelf means more chance for ice to be melted by the ocean.
  219.  
  220.   The collapse mechanism has a mirror-image advance mechanism.  Should 
  221. there be net accumulation, the ice sheet/shelf can ground out to the 
  222. continental shelf edge.  Go back to near the grounding point.  This 
  223. time add some excess mass to the ice sheet/shelf.  This thickens the 
  224. system to ground ice shelf.  The grounded ice shelf takes area away 
  225. from the ocean ablation zone, which makes the mass balance even more in
  226. favor of accumulation.  So the advance can also be a self- acclerating
  227. process.
  228.  
  229.   The big question in all this is whether accumulation will go up 
  230. faster than ablation.  The problem is, we don't know how either of them
  231. occurs in West Antarctica at present to satisfactory detail.  From
  232. experience in other polar regions, we would expect the ice shelves and
  233. central West Antarctica to have a fairly high accumulation rate.  They
  234. are almost as dry as East Antarctica.  The ablation from the base of
  235. the ice shelves relies on the mechanisms that get 'warm' water (the
  236. water is in fact near the freezing point, some subtleties are involved
  237. in the melting) from the open ocean to the ice shelf base.  We don't
  238. know enough about how the transfer occurs to be able to say confidently
  239. whether this ablation would increase or decrease under a warmer
  240. climate.  Iceberg calving, the other major ablation source, is also not
  241. terribly well understood.
  242.  
  243.   So, the proper answer to the question "Will sea level rise or fall in
  244. a greenhouse world" is yes.  Warming the ocean will cause a sea level
  245. rise.  Ice will act either to raise or lower the sea level.  The major 
  246. player for catastrophic change is West Antarctica, which is currently 
  247. in an unstable configuration.  It _will_ either advance or retreat. 
  248. Current glaciological opinion favors a collapse.  So far, observations
  249. of the major ice sheets (East and West Antarctica, Greenland) are 
  250. inconclusive as to whether the ice sheets are currently growing or
  251. shrinking.  It is true, though, that in the last century, sea level
  252. has risen.  Note too that effects can be locally serious even without 
  253. catastrophic sea level rise (which I've taken to be meters of sea level 
  254. in under 500 years).
  255.  
  256. The players        Size (approx)   Speed (approx)
  257. Sea Ice             0.4 cm         years
  258. Mountain Glaciers  10's cm         decades
  259. Thermal Expansion  20   cm per degree warming, per km of ocean warmed
  260.                                    decades
  261. West Antarctica   500   cm         a few centuries
  262. Greenland         500   cm         several centuries
  263. East Antarctica  7000   cm         several centuries to millenia
  264.  
  265.   My thanks to chappell@stat.wisc.edu (Rick Chappell), Ilana Stern,
  266. Jan Schloerer, neilson%skat.usc.edu@usc.edu (D. Alex Neilson), Kyle
  267. Swanson, and all others, whose comments (if not addresses) have 
  268. helped improve this note.
  269.  
  270. Bob Grumbine
  271. rmg3@access.digex.net
  272.  
  273. Further Reading:
  274.  
  275. Climate Change  -  The IPCC Scientific Assessment
  276. Report Prepared for IPCC by Working Group I
  277. Houghton, J.T.,  G.J. Jenkins,  J.J. Ephraums  (eds.)
  278. Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK 1990
  279. ISBN 0-521-40720-6  paperback  (approx.  US$35)
  280.    
  281. A look at thermal expansion and sea level:
  282.   Wigley, T. M. L. and S. C. B. Raper  Thermal expansion of sea water
  283. associated with global warming.  Nature, 330, 127-131, 1987.
  284.  
  285. The Role of glaciers
  286. Oerlemans, J.  and  J.P.F. Fortuin,  Sensitivity of glaciers
  287.    and small ice caps to greenhouse warming,  
  288.    Science 258, 115-117 , 1992  
  289.    
  290. The mass balance of Antarctica:
  291.   Jacobs, S. S..  Is the Antarctic Ice Sheet Growing?  Nature, 360,
  292. 29-33, 1992.
  293.  
  294. Sea level during the last 17,000 years:
  295.   Fairbanks, R. G.  A 17,000 year glacio-eustatic sea level record: 
  296. influence of glacial melting rates on the Younger Dryas event and 
  297. deep-ocean circulation.  Nature 342, 637-642, 1989.
  298.   
  299. Classic text on glaciology:
  300.   Paterson, W. S. B. _The Physics of Glaciers_ 2nd ed, Pergamon Press, 
  301. Oxford, New York, Toronto, Sydney, Paris, Frankfurt.  380 pp., 1981.
  302. ISBN 0-08-024005-4 (hardcover), 0-08-024004-6 (flexicover).
  303.  
  304. Precipitation in Antarctica:
  305.   Bromwich, D. H.  Snowfall in High Southern Latitudes  Reviews of
  306. Geophysics, 26, pp. 149-168, 1988.  (This issue contains many 
  307. Antarctic Science papers.)
  308.  
  309. Proposed research plan for the West Antarctic Ice Sheet Initiative.
  310. "West Antarctic Ice Sheet Initiative Science and Implementation Plan" 
  311. ed. by R. A. Bindschadler, NASA Conference Publication Preprint.  1991.  
  312. NASA.
  313.  
  314. Conference on the West Antarctic ice sheet, including an introduction 
  315. to why West Antarctica is the focus:
  316.   Van Der Veen, C. J. and J. Oerlemans, eds.  _Dynamics of the West 
  317. Antarctic Ice Sheet_  D. Reidel, Dordrecht, Boston, Lancaster, Tokyo.  
  318. 365 pp., 1987.  ISBM 90-277-2370-2.
  319.  
  320. Greenland in a Greenhouse world: (also general reference)
  321.   Bindschadler, R. A.  Contribution of the Greenland Ice Cap to 
  322. changing sea level: present and future.  IN: Glaciers, Ice Sheets, and 
  323. Sea Level: Effect of a CO2-induced Climatic Change.  US Dept. of 
  324. Energy Report DOE/EV/60235-1, pp. 258-266, 1985.
  325.  
  326. Antarctica in a Greenhouse:
  327.   Oerlemans, J.  Response of the Antarctic Ice Sheet to a climatic 
  328. warming: a model study  Journ. climat. 2, 1-11, 1982.
  329.  
  330. Instability of ice shelves:
  331.   Weertman, J.  Stability of the junction of an ice sheet and an ice 
  332. shelf.  Journ. Glaciol., 13, 3-11, 1974.
  333.  
  334. An example of the elevation-ablation feedback, triggered by geology.
  335.   Birchfield, G. E. and R. W. Grumbine "'Slow Physics of Large 
  336. Continental Ice Sheets and Underlying Bedrock and Its Relation to the 
  337. Pleistocene Ice Ages" J. Geophysical Research, 90, 11,294-11,302, 
  338. 1985.  -- Also my first paper, which is really the only reason it's 
  339. mentioned.
  340.  
  341. -- 
  342. Bob Grumbine rmg3@access.digex.net
  343. Sagredo (Galileo Galilei) "You present these recondite matters with too much 
  344. evidence and ease; this great facility makes them less appreciated than they 
  345. would be had they been presented in a more abstruse manner." Two New Sciences 
  346.