home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / sea-level-faq < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1999-12-20  |  19.7 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!howland.erols.net!netnews.com!newspeer1.nac.net!news1.radix.net!saltmine.radix.net!not-for-mail
  2. From: bobg@Radix.Net (Robert Grumbine)
  3. Newsgroups: news.answers,sci.answers,sci.environment,sci.geo.meteorology,sci.geo.geology,sci.geo.oceanography
  4. Subject: Sea Level, Ice, and Greenhouses -- FAQ
  5. Followup-To: sci.environment
  6. Date: 19 Dec 1999 10:18:33 -0500
  7. Organization: RadixNet Internet Services
  8. Lines: 366
  9. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  10. Expires: 30 November 1999 00:00:00 GMT
  11. Message-ID: <83it09$bpp$1@saltmine.radix.net>
  12. Reply-To: bobg@radix.net (FAQ author)
  13. NNTP-Posting-Host: saltmine.radix.net
  14. Summary: Survey of physical processes affecting sea level.
  15. Xref: senator-bedfellow.mit.edu news.answers:173260 sci.answers:11002 sci.environment:223704 sci.geo.meteorology:55493 sci.geo.geology:74789 sci.geo.oceanography:10347
  16.  
  17. Archive-name: sea-level-faq
  18. Version: Sea Level FAQ v 7.1 1997/10/23 19:35:00 rmg3
  19.  
  20.   The relation between sea level, ice, and greenhouses (or more
  21. generally, climate change) is a recurring issue in these groups.
  22. Much of the underpinning, is alas misunderstood or garbled.  This
  23. FAQ tries to bring a little coherence to the discussion.  It does
  24. not address the matter of detailed predictions or attempts at
  25. predictions.  Nor does it survey the detailed processes involved
  26. in observing sea level change.  These are subjects for a different
  27. faq.
  28.  
  29.   What this FAQ _does_ address are the primary physical mechanisms
  30. which affect sea level.  It does so with particular reference to
  31. those mechanisms which are either commonly mentioned, or which
  32. have the most potential for driving sea level changes.  Since it is
  33. addressing relatively timeless issues, the references may appear a
  34. bit dated.  This is not the case.  The basic processes are well known,
  35. and haven't changed their spots in the years since I first issued the
  36. FAQ.
  37.  
  38.   This FAQ is archived and is available on the web at
  39. http://www.radix.net/~bobg/.  Also at that directory and web site
  40. are some of Jan Schloerer's articles, which I strongly recommend to all.
  41.  
  42.   This article is copyright protected.  Write me regarding further use
  43. of the material.
  44.  
  45. Robert Grumbine
  46. bobg@radix.net
  47.  
  48. Revision: October 1997
  49.   New introduction
  50.   Some wording changes in text
  51.  
  52. Revision: June 1994
  53.   Explicit copyright notice
  54.   Minor wording changes
  55.   Note of future modifications
  56.  
  57.   Please e-mail me corrections (with citation preferably) if you find an
  58. error.  This FAQ does not contain everything relevant to the problem of
  59. sea level change.  Consequently, you should not use this FAQ as the end
  60. of investigation on sea level.  The basic principles are outlined, no
  61. more.  This note has been cross-posted with the default followup set to
  62. sci.environment.  Please edit your followup line accordingly.
  63.  
  64.   This article is copyright 1993, 1994, 1997 by Robert W. Grumbine.  All
  65. rights are reserved.
  66.  
  67. Begin, at last, the article:
  68.  
  69.   There are two ways of changing sea level on the human time scale.  We
  70. can change the amount of water in the oceans, or we can make the water
  71. there is occupy more or less volume.  The first corresponds to changing
  72. the mass of ice on land.  The second can be done by warming or cooling
  73. the ocean.  Colder water is denser, so the same mass of water occupies
  74. less space.  In considering sea level changes, an important
  75. consideration is the rate at which they occur.  1 meter in 1 day is
  76. quite disastrous.  1 meter in a million years would be irrelevant on
  77. the human scale.
  78.  
  79.   Water has a small but nonzero expansion as it warms.  The expansion is
  80. approximately 2E-4 per degree of warming, at the temperatures of the
  81. upper ocean.  To convert that into a sea level change, we need to
  82. multiply by the amount of warming and the thickness of the ocean that
  83. gets warmed.  The amount of warming is the subject of the climate
  84. modelling.  Let's consider a warming of 1 K for simplicity.  The central
  85. question for the oceanographers is then how deep a layer of the ocean
  86. gets warmed.
  87.  
  88.   This is a difficult question.  The challenge lies in the fact that
  89. the atmosphere heats the ocean at the top.  Obvious.  Not obvious is
  90. that this impedes warming much of the ocean.  Warm water is less dense,
  91. so tends to stay at the surface of the ocean.  If this were all that
  92. happened, only the layer of ocean directly warmed by the sun would be
  93. affected, about the top 100 meters.  There is mixing within the ocean,
  94. which tends to force some of this heat further down.  Balancing that
  95. effect is the fact that water from the deep ocean (which is cold)
  96. generally rises through most of the ocean basin.  So mixing brings down
  97. warm water, and upwelling brings up colder water.  Let's assume that the
  98. thickness that gets warmed is approximately the same as that which is
  99. already warm.  That is approximately 500 meters.  For the 1 degree
  100. warming, we then have 500*2E-4*1 meters of rise, or 0.10 meters.  The
  101. time scale over which this occurs is the length of time it takes to mix
  102. the upper ocean, and is on the order of decades.
  103.  
  104.   In terms of the ice, there are five identifiable reservoirs, only one
  105. of which is expected to be able to have catastrophic effects on sea
  106. level.  They are sea ice, mountain glaciers, the Greenland ice sheet,
  107. the East Antarctic ice sheet, and the West Antarctic ice sheet.  The one
  108. expected to be potentially catastrophic is West Antarctica.
  109. Catastrophic is taken to mean meters of sea level in a few hundred years
  110. or less.
  111.  
  112.   First, why can't the other four be catastrophic?  Sea ice cannot
  113. change sea level much.  That is can do so at all is because sea ice is
  114. not made of quite the same material as the ocean.  Sea ice is much
  115. fresher than sea water (5 parts per thousand instead of about 35).  When
  116. the ice melts (pretend for the moment that it does so instantly and
  117. retains its shape), the resultant melt water is still slightly less
  118. dense than the original sea water.  So the meltwater still 'stands' a
  119. little higher than the local sea level.  The amount of extra height
  120. depends on the salinity difference between ice and ocean, and
  121. corresponds to about 2% of the thickness of the original ice floe.  For
  122. 30 million square kilometers of ice (global maximum extent) and average
  123. thickness of 2 meters (the Arctic ice is about 3 meters, the Antarctic
  124. is about 1), the corresponding change in global sea level would be 2
  125. (meters) * 0.02 (salinity effect) * 0.10 (fraction of ocean covered by
  126. ice), or 4 mm.  Not a large figure, but not zero either.  My thanks to
  127. chappell@stat.wisc.edu (Rick Chappell) for making me work this out.
  128.  
  129.   Mountain glaciers appear to have already made their contribution.
  130. Further collapse of them seems unlikely, and they are too small to be
  131. major elements in sea level change (even should they double their size).
  132.  
  133.   The three ice sheets can change sea level significantly, depending on
  134. whether they grow or decay.  Unlike the sea ice, they are _not_
  135. floating on the ocean.  They are grounded on land.  Sometimes, which
  136. will be important in a minute, that land is far below sea level.  So
  137. what makes the ice sheet grow or decay?  As with bank accounts, it is
  138. income minus outgo.  The income is from snow fall -- accumulation. The
  139. outgo (ablation) is primarily melting and the calving of icebergs.
  140.  
  141.   It is believed that in a warmer climate, the amount of precipitation
  142. would increase.  This is not inarguable as precipitation depends on
  143. more than temperature.  The mechanism for the increase is that warmer
  144. temperatures put more water into the atmosphere (inarguable) so that
  145. snow clouds could drop more snow on the ice sheets (arguable).
  146.  
  147.   But, Greenland is already quite snowy and quite warm.  A warming is
  148. likely to increase the melting far more rapidly than the accumulation.
  149. A small bit of graphics would help here.  Draw an arc that opens
  150. downward.  This is the Greenland ice sheet.  About three quarters of
  151. the way to the peak of the arc, draw a horizontal line through the
  152. sheet.  This is the 'snow line'.  Above this line, there is net
  153. accumulation through the year.  Below the line, there is net ablation
  154. through the year.  In a warming, the snow line moves upwards.  Three
  155. things happen then.  First, in the area that is melting increases.
  156. Second, the melting rate increases.  Third, the area of accumulation
  157. decreases.  The possible fourth is that the rate of accumulation may
  158. increase in the area that does have net accumulation.  But we have
  159. definitely increased both the area that is melting, and the melt rate.
  160. Outgo definitely increases, and income probably decreases or at best
  161. holds even.
  162.  
  163.   These mechanisms set up the possibility for an accelerating collapse
  164. of the ice sheet.  Namely, this excess ablation lowers the ice sheet in
  165. that region.  Since the lower elevations are even warmer, the ablation
  166. rate increases further.  In the mean time, the ice sheet tries to flow
  167. so as to fill in the depression (ice is a fluid).  This lowers the top
  168. of the ice sheet and decreases the accumulation.  Together, the
  169. accumulation is decreased and the ablation is increased.  This is the
  170. elevation-ablation feedback.  It is believed to be operating in
  171. Greenland already.  Under present climatic conditions, the Greenland
  172. ice cap could not be regrown.  It is simply too warm there.  (Odd
  173. thought for Greenland, I know, but glaciologists have unusual
  174. standards).
  175.  
  176.   But, how fast would it melt away?  This is our major question for
  177. human and ecosystem response.  It turns out, probably not very fast.  The
  178. Greenland ice cap is surrounded by mountains.  These have the general
  179. effect of damming up the ice sheet (which is part of the reason it
  180. still exists for us to consider).  So, according to simulations, the
  181. collapse would take on the order of several hundred years.  The sheet
  182. represents 5 meters of sea level, so the rate of sea level rise would be
  183. several (10 if 500 year collapse) millimeters per year.  This is well
  184. under the rates of sea level rise experienced during the end of the
  185. last ice age (around 20 mm/year), so is not ecologically unprecedented.
  186. Such rises have occurred several times in the last 2 million years.
  187.  
  188.   What about East Antarctica?  The ice sheet there is extremely large,
  189. about 70 meters of sea level.  Get a map for a minute.  East Antarctica
  190. is the part of Antarctica that lies between 15 W and 165 E as you move
  191. clockwise.  It is the vast majority of the Antarctic ice and land mass.
  192. It has no decent means of losing mass.  Nor of gaining mass.  East
  193. Antarctica is so cold already that a slight warming will not raise the
  194. snow line enough to put much if any of the region into the melting
  195. zone.  East Antarctica is also ringed by mountains, so that the ice
  196. sheet has little opportunity to calve icebergs.  The only sizeable
  197. mechanism of mass loss is for ice to flow through passes in the
  198. transantarctic mountains over to West Antarctica.
  199.  
  200.   Having little means to lose mass, East Antarctica would seem to be a
  201. good place to increase accumulation and lower sea level.  A nice idea,
  202. but it runs into the problem that precipitation is also highly
  203. inefficient over the East Antarctic plateau (arguably the driest desert
  204. in the world).  The best estimates place the rate of increased
  205. accumulation over East Antarctica at right about the same as the
  206. increased ablation on Greenland.  That would be a wash for sea level.
  207. Some redistribution of water from north to south, but no net effect.
  208.  
  209.   West Antarctica is the joker in the deck.  Sea ice we can ignore (for
  210. sea level that is).  Greenland and East Antarctica seem to be inclined
  211. to balance each other's effects.  But West Antarctica represents 6
  212. meters of sea level that _can_ collapse rapidly as glaciologists
  213. measure things.
  214.  
  215.   The collapse mechanisms rely on the peculiar geometry of the West
  216. Antarctic ice sheet.  The first major feature of West Antarctica is
  217. that it includes two large ice _shelves_.  These are masses of ice
  218. approximately the size of France, approximately 500 meters thick.  They
  219. float on the ocean, so cannot directly change sea level if they were
  220. lost.  The peculiarity of having ice shelves is that ice shelves are
  221. dynamically unstable.  The stable configurations are for the ice sheet
  222. to advance all the way to the edge of the continental shelf, or to
  223. collapse to include no ice shelf.
  224.  
  225.   Why should we worry about the presence or absence of the ice shelves?
  226. They can't change sea level if they disappeared.  But the ice shelves
  227. serve another role in West Antarctica.  The Filchner-Ronne (in the
  228. Weddell Sea) and the Ross Ice shelf (in the Ross Sea) act as buttresses
  229. to the West Antarctic ice sheet.  Without these buttresses, the West
  230. Antarctic ice sheet will collapse into the ocean on a time scale of
  231. several decades to a few centuries.
  232.  
  233.   The ice shelves contribute to ablation both through melting (at their
  234. bases more than the surface) and through iceberg calving.  Some notably
  235. large bergs have calved in the last few years, including a couple
  236. larger than the state of Rhode Island.  So through either a warmer
  237. ocean providing more ablation or through an increase in calving
  238. (arguably observed), the West Antarctic ice shelves could collapse.
  239.  
  240.   That West Antarctica can collapse much faster than Greenland relies
  241. on another oddity of the West Antarctic geometry.  Most of the ice
  242. sheet base rests well below sea level (500 - 1000 meters below).  The
  243. important oddity is that as you move further inward, the land is
  244. further below sea level.  So, consider a point near the grounding line
  245. (the point on land where the ice shelf meets the ice sheet).  Ice flows from th
  246. e
  247. grounded part into the floating part.  The rate of flow increases as the
  248. slope (elevation difference) between the two sections increases.  Extra
  249. mass loss in the ice shelf means that the shelf becomes thinner (and
  250. lower) so more ice flows in from the ice sheet.  This makes the ice
  251. sheet just a little thinner.  _But_ at the grounding line, the ice
  252. sheet had just enough mass to displace sufficient water to reach the sea
  253. floor.  Without that mass, what used to be ice sheet begins to float.
  254. Since the sea floor slopes down inland of the grounding line, the area
  255. of ice sheet that turns into ice shelf increases rapidly.  More ice
  256. shelf means more chance for ice to be melted by the ocean.
  257.  
  258.   The collapse mechanism has a mirror-image advance mechanism.  Should
  259. there be net accumulation, the ice sheet/shelf can ground out to the
  260. continental shelf edge.  Go back to near the grounding point.  This
  261. time add some excess mass to the ice sheet/shelf.  This thickens the
  262. system to ground ice shelf.  The grounded ice shelf takes area away
  263. from the ocean ablation zone, which makes the mass balance even more in
  264. favor of accumulation.  So the advance can also be a self- acclerating
  265. process.
  266.  
  267.   The big question in all this is whether accumulation will go up
  268. faster than ablation.  The problem is, we don't know how either of them
  269. occurs in West Antarctica at present to satisfactory detail.  From
  270. experience in other polar regions, we would expect the ice shelves and
  271. central West Antarctica to have a fairly high accumulation rate.  They
  272. are almost as dry as East Antarctica.  The ablation from the base of
  273. the ice shelves relies on the mechanisms that get 'warm' water (the
  274. water is in fact near the freezing point, some subtleties are involved
  275. in the melting) from the open ocean to the ice shelf base.  We don't
  276. know enough about how the transfer occurs to be able to say confidently
  277. whether this ablation would increase or decrease under a warmer
  278. climate.  Iceberg calving, the other major ablation source, is also not
  279. terribly well understood.
  280.  
  281.   So, the proper answer to the question "Will sea level rise or fall in
  282. a greenhouse world" is yes.  Warming the ocean will cause a sea level
  283. rise.  Ice will act either to raise or lower the sea level.  The major
  284. player for catastrophic change is West Antarctica, which is currently
  285. in an unstable configuration.  It _will_ either advance or retreat.
  286. Current glaciological opinion favors a collapse.  So far, observations
  287. of the major ice sheets (East and West Antarctica, Greenland) are
  288. inconclusive as to whether the ice sheets are currently growing or
  289. shrinking.  It is true, though, that in the last century, sea level
  290. has risen.  Note too that effects can be locally serious even without
  291. catastrophic sea level rise (which I've taken to be meters of sea level
  292. in under 500 years).
  293.  
  294. The players        Size (approx)   Speed (approx)
  295. Sea Ice             0.4 cm         years
  296. Mountain Glaciers  10's cm         decades
  297. Thermal Expansion  20   cm per degree warming, per km of ocean warmed
  298.                                    decades
  299. West Antarctica   500   cm         a few centuries
  300. Greenland         500   cm         several centuries
  301. East Antarctica  7000   cm         several centuries to millenia
  302.  
  303.   My thanks to chappell@stat.wisc.edu (Rick Chappell), Ilana Stern,
  304. Jan Schloerer, neilson%skat.usc.edu@usc.edu (D. Alex Neilson), Kyle
  305. Swanson, and all others, whose comments (if not addresses) have
  306. helped improve this note.
  307.  
  308. Robert Grumbine
  309. bobg@radix.net
  310.  
  311. Further Reading:
  312.  
  313. Climate Change  -  The IPCC Scientific Assessment
  314. Report Prepared for IPCC by Working Group I
  315. Houghton, J.T.,  G.J. Jenkins,  J.J. Ephraums  (eds.)
  316. Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK 1990
  317. ISBN 0-521-40720-6  paperback  (approx.  US$35)
  318.  
  319. A look at thermal expansion and sea level:
  320.   Wigley, T. M. L. and S. C. B. Raper  Thermal expansion of sea water
  321. associated with global warming.  Nature, 330, 127-131, 1987.
  322.  
  323. The Role of glaciers
  324.   Oerlemans, J.  and  J.P.F. Fortuin,  Sensitivity of glaciers
  325. and small ice caps to greenhouse warming,
  326. Science 258, 115-117 , 1992
  327.  
  328. The mass balance of Antarctica:
  329.   Jacobs, S. S..  Is the Antarctic Ice Sheet Growing?  Nature, 360,
  330. 29-33, 1992.
  331.  
  332. Sea level during the last 17,000 years:
  333.   Fairbanks, R. G.  A 17,000 year glacio-eustatic sea level record:
  334. influence of glacial melting rates on the Younger Dryas event and
  335. deep-ocean circulation.  Nature 342, 637-642, 1989.
  336.  
  337. Classic text on glaciology:
  338.   Paterson, W. S. B. _The Physics of Glaciers_ 2nd ed, Pergamon Press,
  339. Oxford, New York, Toronto, Sydney, Paris, Frankfurt.  380 pp., 1981.
  340. ISBN 0-08-024005-4 (hardcover), 0-08-024004-6 (flexicover).
  341.  
  342. Precipitation in Antarctica:
  343.   Bromwich, D. H.  Snowfall in High Southern Latitudes  Reviews of
  344. Geophysics, 26, pp. 149-168, 1988.  (This issue contains many
  345. Antarctic Science papers.)
  346.  
  347. Proposed research plan for the West Antarctic Ice Sheet Initiative.
  348. "West Antarctic Ice Sheet Initiative Science and Implementation Plan"
  349. ed. by R. A. Bindschadler, NASA Conference Publication Preprint.  1991.
  350. NASA.
  351.  
  352. Conference on the West Antarctic ice sheet, including an introduction
  353. to why West Antarctica is the focus:
  354.   Van Der Veen, C. J. and J. Oerlemans, eds.  _Dynamics of the West
  355. Antarctic Ice Sheet_  D. Reidel, Dordrecht, Boston, Lancaster, Tokyo.
  356. 365 pp., 1987.  ISBM 90-277-2370-2.
  357.  
  358. Greenland in a Greenhouse world: (also general reference)
  359.   Bindschadler, R. A.  Contribution of the Greenland Ice Cap to
  360. changing sea level: present and future.  IN: Glaciers, Ice Sheets, and
  361. Sea Level: Effect of a CO2-induced Climatic Change.  US Dept. of
  362. Energy Report DOE/EV/60235-1, pp. 258-266, 1985.
  363.  
  364. Antarctica in a Greenhouse:
  365.   Oerlemans, J.  Response of the Antarctic Ice Sheet to a climatic
  366. warming: a model study  Journ. climat. 2, 1-11, 1982.
  367.  
  368. Instability of ice shelves:
  369.   Weertman, J.  Stability of the junction of an ice sheet and an ice
  370. shelf.  Journ. Glaciol., 13, 3-11, 1974.
  371.  
  372. An example of the elevation-ablation feedback, triggered by geology.
  373.   Birchfield, G. E. and R. W. Grumbine "'Slow Physics of Large
  374. Continental Ice Sheets and Underlying Bedrock and Its Relation to the
  375. Pleistocene Ice Ages" J. Geophysical Research, 90, 11,294-11,302,
  376. 1985.  -- Also my first paper, which is really the only reason it's
  377. mentioned.
  378. -- 
  379. Robert Grumbine http://www.radix.net/~bobg/ Science faqs and amateur activities notes and links.
  380. Sagredo (Galileo Galilei) "You present these recondite matters with too much 
  381. evidence and ease; this great facility makes them less appreciated than they 
  382. would be had they been presented in a more abstruse manner." Two New Sciences 
  383.