When sea ice melted despite the bitter cold / Da sjøis smeltet i frysende kulde
By Dr Frank Nilsen, Professor of Physical Oceanography at The University Centre in Svalbard (UNIS)
Translated by: Janet Holmén
I have always been fascinated by the sea, its power and vibrancy, its teeming life forms, its undiscovered secrets, and the possibility of understanding and predicting its currents and upheavals. That I make a living doing research and teaching about the polar marine climate, and that I work in Svalbard, resulted from a bit of planning, a lot of good luck, and love. I was supposed to live farther south, but as I sat on a plane bound north to Longyearbyen over 20 years ago, seeing Svalbard for the first time – the landscape cloaked with snow and ice and, not least, the sea and the fjord covered with sea ice – my life and my career took a new course. Research to fathom how sea ice affects the ocean became my goal, but as it turned out, I learned the opposite: how the ocean affects sea ice. Twenty years count for little in the context of climate, where lengthy time-series are required to distinguish between natural variations and long-term trends. Unfortunately, it would turn out that twenty years as a permanent resident and researcher in Svalbard was enough time for me to observe and personally experience climate change. And the turning point came in the winter of 2005-2006.
Three main factors determine Earth’s surface temperatures and how the average temperature varies over time (climate). (1) The sun is the boss, as my colleague the astrophysicist likes to say. Without it, no energy, no heat, no basic conditions for life. The sun is relatively stable as source of energy, but the way the Earth takes up this energy had led to substantial variations in climate throughout Earth’s history. (2) How much of the sun’s energy is reflected rather than being absorbed depends on how much of the earth is covered with snow and ice. Our blue planet will take up the energy from the sun, but if Earth’s surface is whiter, much of the energy will bounce back. The decisive factor is (3) how tenaciously the atmosphere that surrounds us holds on to heat radiating from Earth’s surface – what we call the greenhouse effect. The levels of heat-absorbing gases in our atmosphere play a key role – and this is where humans become active participants in how the world’s climate develops. We must distinguish between natural climate variations and human-induced climate change. The equation is simple: if the amount of CO2 in the atmosphere increases, Earth’s temperature goes up. But what role does the ocean play in all this?
The ocean serves as a buffer and redistributes excess heat that comes from the greenhouse effect. Much of the greenhouse gas we emit and most of the excess heat caused by the greenhouse effect, will eventually be taken up by the ocean rather than remaining in the atmosphere. That means we must look to the oceans to figure out what our climate will be like in the future, especially in the High North, since the excess heat flows north and is released there. This is a central factor explaining why air temperatures have risen more than twice as much around Svalbard as they have in the world as a whole. Life forms adapted to the polar seas will ultimately suffer; plant and animal communities will change or collapse when rising temperatures improve conditions for species from lower latitudes, and when increased CO2 levels cause ocean acidification. In addition, when water gets warmer, it expands. Combined with meltwater from ice on land, that means rising sea levels.
Throughout the tens of millions of years that the continents have been in their current positions, Svalbard has always been affected by the warm, salty Atlantic water that flows along its generally cold west and north coasts. (In fact, the name Svalbard means “the land of cold coasts”.) We can thank the last remnants of the Gulf Stream for Svalbard’s relatively mild climate compared with other land masses at similar latitudes. The warm water is propelled northward to keep the world’s climate system in balance. This balance relies on excess heat being absorbed by the ocean at the equator, flowing north and south with the currents, then being released in the cold polar regions. In a warming climate, as temperatures begin to approach a critical point, the heat exchange process becomes more and more violent. (Imagine how a kettle on a stove begins to bubble and seethe as the water approaches the boiling point.) The result is more frequent extreme weather events such as cold snaps and heat waves in various parts of the world. Near Svalbard, warm and cold temperatures meet both in the atmosphere and in the ocean, and the shifts between warm and cold air masses are increasingly distinct and powerful. In the ocean everything moves ten times slower than in the atmosphere, but that also means that warm water affects Svalbard ten times longer. The “front” – the boundary between warm Atlantic water and cold water from the Arctic – lies near Svalbard, so a minor shift of this transition zone has major consequences for water temperatures around Svalbard, for the sea ice cover, and for which biological species can thrive in Svalbard’s fjords.
A century ago, “good ice conditions” meant that there was little sea ice west of Svalbard and the fjords were open in the winter, making it possible for ships to reach the settlements and mines in Longyearbyen (Advent Bay) and Ny-Ålesund (Kings Bay) earlier in the spring. A telegram from Svalbard to the daily paper Aftenposten in February 1925 reported: “Remarkable ice conditions at Spitsbergen. The fjords are free of ice.” And in a commentary published the same day, Associate Professor Adolf Hoel wrote: “These improved climate conditions will obviously be supremely important for our interests in the archipelago in general, but also for Roald Amundsen’s expedition.” In 1926, Amundsen would fly over the North Pole in the airship Norge. So natural variations in historic time have led to shifts in the front between warm and cold water, inflow of warm water into Svalbard’s fjords, and “good” ice conditions during winter. Nowadays it is the other way around: “good ice conditions” means that the fjords are covered with ice thick enough to support traveling residents, tourists and – not least – polar bears.
Also nowadays, the signal from human-induced temperature increase is just as strong as the natural variability. We have reached the point where natural variations modulate the continuous rise in temperature (which parallels the increase in CO2), enhancing or suppressing temperature changes over longer time-spans. Natural processes can boost relatively small temperature increases, turning them into significant warming episodes that can last for many years. In the winter of 2005-2006, I experienced one such episode; it was a repetition of what prompted the report from Svalbard in 1925, but its effects persist to this day.
In January 2006, a series of low pressure zones churned across the North Atlantic toward the Arctic, taking aim at Fram Strait between Svalbard and Greenland. Their usual route takes them east of Svalbard and into the Barents Sea, but these low pressure zones lined up west of Svalbard in a pattern that brought warm southerly winds all the way from Spain. In addition to bringing in unusually warm air in winter and pressing Arctic sea ice northward, these southerly winds altered the ocean currents west of Svalbard, allowing warm Atlantic water to “flood” onto the continental shelf along Svalbard’s coast. At the end of January, the wind veered to northerly and reinstated the “normal” cold air masses over Svalbard. In February, temperatures crept down to -20°C and we saw tendencies to ice formation in the fjords. But when the temperature was at its lowest – when the wind stung our faces with bitter cold as we stood observing the ice cover in Kongsfjorden and Isfjorden – we saw the sea ice disintegrate and disappear. The sea was melting the ice from below. We were witnessing how the north wind had “opened the door” to the fjords and let in the warm water that had previously flooded the coast of Svalbard; water with temperatures in excess of 3°C was circulating at the surface of the fjords along the west coast. Sea ice forms at about 1.8°C, so the seawater had no trouble melting the ice, even though the air was a frigid -20°C.
We lack reliable data about the episodes in 1925, but the air–ice–ocean processes we observed in the winter of 2005-2006, and that melted away most of the sea ice west of Svalbard, are probably the same. What is different now than when the Svalbard Treaty was signed, is that these episodes have continued. In the years since 2006, several more low pressure systems have taken a deviant course, and the fjords have not yet reverted to their cold Arctic state. Warm water from the Atlantic Ocean dominates; we call this “Atlantification” of the fjords and seas around Svalbard. We have lost the sea ice in the winter, but gained Atlantic cod in Svalbard’s western fjords in summer and autumn. This is an example of how the ocean can play a wild card with far-reaching impact on Earth’s climate system. A few weeks of atypical weather in the atmosphere above Svalbard have led to persistently warm fjords since 2006. The warmth that has radiated into the local atmosphere has left a lasting impression on the temperature curves from Longyearbyen Airport and other meteorological stations in Svalbard. It is worth noting that the water in Isfjorden in fact returned to an Arctic fjord state in 2020; thus the fjord was primed for sea ice formation during the winter of 2021, but then the atmosphere had become too warm to cool the fjord to the freezing point...
Fasinasjonen for havet har alltid vært der, for dens krefter og livskraft, det mangfoldige livet i havet, det uutforskede som vi enda ikke vet, og muligheten til å forstå og kunne forutsi havets strømmer og omveltninger. At mitt arbeid skulle bli forskning og undervisning av det polare havklima og at arbeidssted skulle bli på Svalbard, skylles lite planlegging, en lang rekke lykketreff og kjærlighet. Jeg skulle være i sør, men da jeg satt på flyet nordover mot Longyearbyen for mer en 20 år siden og så Svalbard for første gang med sitt is- og snødekte landskap, og ikke minst et hav og en fjord dekket av sjøis, tok livet og karrieren en ny retning. Forskning på og fordypning i sjøisens effekt på havet ble målet, men det skulle vise seg å bli omvendt; havets effekt på sjøisen. En periode på 20 år er lite i klimasammenheng der lange tidsserier er nødvendig for å skille naturlige variasjoner fra trender over lengre tid. Dessverre skulle det vise seg at 20 år som fastboende og forsker på Svalbard var tilstrekkelig for å kunne observere og føle klimaendringene på kroppen. Og vendepunktet kom allerede vinteren 2005-2006.
Det som bestemmer overflatetemperaturen på jorden og hvordan middeltemperaturen varierer over tid (klima), er i hovedsak tre ting: (1) Solen er sjefen som min kollega på romfysikk pleier å si. Uten den, ingen energi, varme og grunnlag for liv. Solens energikilde holder seg relativt konstant, men hvordan jorden fanger opp denne energien har ledet til store klimavariasjoner i jordens levetid. (2) Hvor mye av denne energien fra solen som blir reflektert og ikke absorbert er bestemt av hvor store arealer på jorden som er dekket av snø og is. Den blå planeten vil ta opp energien fra solen, men fremstår jorden mer hvit, vil mye av energien bli avvist. Den avgjørende faktor er (3) hvor mye atmosfæren vi lever i greier å holde på varmen som stråler ut fra jorden, nemlig drivhuseffekten. Altså hvor mye klimagasser vi har i vår atmosfære, og det er her menneskene blir en aktiv deltager i utviklingen av jordens klima. Vi må derfor skille mellom naturlige klimavariasjoner og menneskeskapte klimaendringer. Formelen er enkel; øker mengden CO2 i atmosfæren så øker temperaturen på jorden. Men hva er havets rolle i dette?
Havet fungerer som en buffer og en omfordeler av overskuddsvarmen fra drivhuseffekten. Mye av klimagassene vi slipper ut og mesteparten av overskuddsvarmen fra drivhuseffekten, tas opp av havet over tid i stedet for å samles i atmosfæren. Derfor er det i havet vi vil finne svaret på hva framtidens klima vil bli, spesielt i nordområdene, siden denne overskuddsvarmen strømmer nordover og slippes ut der. Dette er en viktig faktor til at lufttemperaturen har steget mer en dobbelt så mye rundt Svalbard sammenlignet med den globale temperaturstigningen. Livet tilpasset de polare havområdene vil på et tidspunkt lide og bli endret eller kollapse siden en temperaturstigning vil føre til bedre forhold for arter på lavere breddegrader og økt CO2-innhold vil føre til havforsuring. I tillegg, når vann blir varmere, utvider det seg. Sammen med smelting av is på land, fører det til at havet stiger.
Så lenge kontinentene har stått i sine nåværende posisjoner (titalls millioner år) har Svalbard – landet med de kalde kyster – alltid blitt påvirket av varmt og salt Atlanterhavsvann som strømmer langs den historisk kalde vest- og nordkysten av Svalbard. Vi har Golfstrømsystemets siste etappe å takke for det relativt milde klimaet vi har på Svalbard sammenlignet med andre landområder ved samme breddegrad. Det varme vannet blir drevet nordover for å holde klimasystemets i balanse. Balansen oppnås ved at overskuddsvarmen, som tilføres havet ved ekvator, må nordover og sørover for a avgi varmen til de kaldere polområdene. I et varmere klima med temperaturer som nærmer seg «kokepunktet» (se for deg en kjele vann på en kokeplate som begynner å boble kaotisk når vannet når kokepunktet), blir denne varmeutvekslingen mer og mer voldsom og utspiller seg som hyppigere ekstremværhendelser med både ekstremvarme og ekstremkulde på ulike deler av jorden. Rundt Svalbard møtes kalde og varme temperaturer, både i atmosfæren og i havet, og disse økende skiftene mellom varme og kalde luftmasser blir tydelige og virkningsfulle. I havet går alt 10 ganger tregere en i atmosfæren, men det betyr også at varmtvann får påvirke Svalbard 10 ganger så lenge. Fronten mellom varmt Atlanterhavsvann og kaldt vann fra Arktis ligger rundt Svalbard, så en liten forskyvning av denne fronten har store konsekvenser for sjøtemperaturen rundt Svalbard, sjøisdekket og hvilke biologiske arter som vil trives i fjordene på Svalbard.
For hundre år siden betydde gode isforhold at det var lite sjøis på vestsiden av Svalbard, fjordene var åpne om vinteren og det var mulig å komme seg til bosetninger og gruvedrift i Longyearbyen (Advent Bay) og Ny-Ålesund (Kings Bay) tidligere på året med båt. Spesialtelegram fra Svalbard til Aftenposten i februar 1925 kunne melde om at det var «Merkelige isforhold ved Spitsbergen. Fjordene er isfrie.» Og samme dag i en oppfølgingsartikkel med uttalelser fra Docent Hoel står det at «Disse bedrede klimatiske forhold vil selvsagt være av den største betydning for vore interesser paa øgruppen i det hele, men også for Roald Amundsens ekspedisjon.» Amundsen skulle i 1926 fly over Nordpolen med luftskipet Norge. Så naturlige svingninger har i historisk tid ført til forskyvninger av fronten mellom varmt og kaldt vann, inntrengning av varmt vann i fjordene på Svalbard og «gode» isforhold om vinteren. I disse dager er det omvendt; gode isforhold betyr islagte fjorder som er mulig å ferdes på, for fastboende og turister, og ikke minst for isbjørnen.
Og i disse dager er signalet fra den menneskeskapte temperaturøkningen like sterkt som de naturlige svingningene. Vi er kommet så langt at de naturlige svingningene modulerer den jevnt stigende temperaturøkningen (følger CO2 økningen), som forsterker eller demper temperaturen over lengre perioder. Naturlige prosesser kan forsterke ganske små oppvarminger til å bli betydelige oppvarmingshendelser som kan vedvare over mange år. Jeg fikk oppleve en slik hendelse vinteren 2005-2006, en gjentagelse av det som ble rapportert fra Svalbard i 1925, men som fremdeles pågår.
I januar 2006 stod lavtrykkene i kø på vei nordover fra Nord-Atlanteren mot Arktis med peiling på Framstredet mellom Svalbard og Grønland. Den vanlige veien er øst for Svalbard inn i Barentshavet, men lavtrykkene stod oppstilt vest for Svalbard, på en slik måte at varmluft fra sør kom hele veien fra Spania til Svalbard. I tillegg til høyere lufttemperaturer vinterstid og at isen fra Arktis ble presset nordover, endret disse sørlige vindene på strømsystemene vest for Svalbard og førte til «oversvømmelse» av varmt Atlanterhavsvann på kontinentalsokkelen langs kysten av Svalbard. I slutten av januar endret vinden retning fra nord og vi fikk kalde «normale» luftmasser over Svalbard igjen. I februar krøp temperaturen ned mot -20∞C og vi så antydning til sjøisvekst i fjordene. Men i det temperaturen var på sitt kaldeste og vi stod med bitende kulde i ansiktet og observerte sjøisdekket i Kongsfjorden og Isfjorden, fikk vi se at sjøisen gikk i oppløsning og forsvant. Havet smeltet isen fra undersiden. Det vi var vitne til var at nordavinden hadde «åpnet opp døren» til fjordene for alt det varme vannet som var omdirigert mot kysten av Svalbard, og temperaturer på over 3∞C sirkulerte helt i overflaten i fjordene på vestsiden. Sjøis fryser ved sjøtemperaturer på rundt -1.8∞C, så sjøen hadde ingen problemer med å smelte isen selv om lufttemperaturen lå ned mot -20∞C.
Vi har ikke gode nok data fra episodene i 1925, men luft-is-hav prosessene som vi observerte vinteren 2005-2006 og som smeltet vekk det meste av sjøisen på vestsiden av Svalbard, var sannsynliges de samme. Det som er forskjellig nå fra tiden da Svalbardtraktaten ble signert, er at disse hendelsene har vedvart. De påfølgende årene etter 2006 har vi opplevd flere lavtrykk på avveier, og fjordene har enda ikke helt greid å vende tilbake til sin kalde arktiske tilstand. Det varme Atlanterhavsvannet dominerer og vi kaller endringene for «Atlantification» av fjordene og havområdene rundt Svalbard. Vi har tapt sjøisen om vinteren, men fått torsk i fjordene på vestsiden av Svalbard om sommeren og høsten. Dette er et eksempel på at havet er jokeren som spiller en helt avgjørende rolle i klimasystemet på jorden. Noen uker med værforandringer i atmosfæren rundt Svalbard har ført til vedvarende varme fjorder siden 2006. Varmen er lokalt blitt avgitt til atmosfæren som har etterlatt et solid klimaavtrykk i temperaturtidsserien fra Longyearbyen lufthavn og andre meteorologiske målestasjoner på Svalbard. Verdt å merke seg er at vannmassene i Isfjorden faktisk ble omdannet til en tilnærmet arktisk fjord i 2020, og var dermed klar for sjøisdannelse vinteren 2021, men da var atmosfæren blitt for varm til å avkjøle fjorden til frysepunktet...
