IJSTIJD

Zaagtanden, kringlopen en de veerkracht van Gaia

Wij, de vertegenwoordigers van Homo sapiens, bestaan omdat het leven zich heeft ontwikkeld op een substraat, de aarde, dat aan een verzameling van eisen voldoet die dat mogelijk heeft gemaakt. Als de kenmerken anders waren geweest, op wellicht een andere planeet, waren ook wij anders geweest.

   De voornaamste kenmerken hebben betrekking op de gemiddelde temperatuur die de aanwezigheid van vloeibaar water mogelijk maakt en op de juiste zwaartekracht die de waterkringloop faciliteert. Het eisenpakket omvat daarnaast de aanwezigheid van de juiste elementen (H, C, O, N, S, F, enz.) om grote moleculen te kunnen vormen en een magnetisch veld om de delicate processen in de oersoep te kunnen beschermen.*

Geologische ontwikkeling van de biosfeer

De stoffen in de oersoep hebben waarschijnlijk oneindig veel structuren gevormd waaronder membraanvormige blaasjes en zichzelf replicerende moleculen. Hoe dat precies ging is niet bekend. Wellicht waren de omstandigheden zo anders dat de wetmatigheden niet overeenkwamen met de huidige, maar een ontkenning van het uniformitarianisme* ten tijde van het ontstaan van het leven betekent nog niet de omarming van een creationistische scheppingsgedachte. Het wil alleen maar zeggen dat we het nog niet weten.

   Verondersteld wordt dat tussen 4 en 4.5 miljard jaar geleden, tijdens het afkoelen van de mantel, de atmosfeer gevormd werd door vulkanische processen. Het water is vooral afkomstig van ingeslagen ijsmeteorieten. De maan werd gevormd door een botsing met een object van vergelijkbare grootte als de aarde waarbij de kernen samensmolten en een deel van de mantel de ruimte werd in geslingerd. De oudste gesteenten die men heeft aangetroffen zijn iets jonger dan 4 miljard jaar en zowel van vulkanische als sedimentaire oorsprong.

   De gestolde aardkorst werd door convecties van de plastische mantel gebroken en als schotsen over het oppervlak bewogen. Aanvan-kelijk snel, later steeds trager. Het gesteente van de korst werd steeds vernieuwd. De convectiestromen duw(d)en materiaal naar het oppervlak (mid-oceanische ruggen) en trekken elders de korst weer omlaag. Deze platentektoniek vindt nog steeds plaats. Waar de ene plaat onder een andere dook ontstonden bergketens.

   De oudste sporen van leven zijn de stromatolieten, versteende algenmatten van cyanobacteriën langs de Westkust van Australië. Deze zijn 3.5 miljard jaar geleden gevormd. Gedurende een periode van ruim een miljard jaar werd de wereld bevolkt door archaea en cya-nobacteriën. De eerste ontleenden de benodigde energie aan chemische processen en de cyanobacteriën waren in staat tot fotosynthese. De zuurstof die daarbij geproduceerd werd oxideerde mineralen en doodde de overwegend anaerobe organismen in de litho- en hydrosfeer. Toen deze verzadigd waren, vulde de atmosfeer met vrije zuurstof en ozon. Archaea konden zich handhaven in zuurstofvrije zones, proto-bacteriën die minder gevoelig waren voor zuurstof wisten in zuurstofarme gebieden te overleven.

   De veranderde samenstelling van de dampkring zorgde 2.3 miljard jaar geleden voor een sterke afkoeling waardoor het gehele aard-oppervlak bevroor. Tussen de 2 en 2.5 miljard jaar geleden ont-stonden er symbiotische samenwerkingsverbanden tussen verschillende typen bacteriën waaruit eencellige organismen met een celkern, mitochondria en diverse membraanachtige structuren voortkwamen. Deze zogenaamde eukaryoten waren in staat om efficiënt energie te genereren met behulp van water en vrije zuurstof. Als cyanobac-teriën in het samenwerkingsverband waren opgenomen konden ze zelfs zonlicht gebruiken om bouwstoffen te maken. Zo niet, dan waren ze aangewezen op het overvloedige dode en levenloze materiaal in hun directe omgeving.

   Ruim een half miljard jaar later (1.7 Ga) vormden ook de eukaryoten symbiotische samenwerkingsverbanden waaruit eenvoudige meercellige organismen ontstonden. Tektonische verplaatsing van de continenten en een veranderende samenstelling van de atmosfeer zorgden opnieuw voor sterke afkoeling met een gedeeltelijke bevriezing van het aardoppervlak (710 en 640 Ma). Relatief korte tijd later (ca. 600 Ma) ontstonden de eerste planten, dieren en schimmels, gevolgd door de Cambrische explosie van nieuwe soorten in de volgende 100 miljoen jaar. Sindsdien is er sprake van regelmatige (massa)extincties gevolgd door een flinke groei van nieuwe soorten. De aanleiding wordt vooral gezocht in astronomische en klimatologische oorzaken. Het recente uitsterven (0.01Ma - heden) verloopt overigens minstens 1000x sneller dan alle voorgaande extincties. Over de oorzaak bestaat weinig twijfel.*

   De astronomische gebeurtenissen omvatten botsingen met andere hemellichamen en meteorietinslagen. Ze moeten ingrijpende veranderingen van het klimaat tot gevolg gehad hebben. Klimatologische veranderingen kunnen ook het gevolg zijn geweest van grote vulkanische uitbarstingen, platentektoniek en de Milanković-parameters, die betrekking hebben op schommelingen in de stand van de aardas en periodieke veranderingen in de baan van de aarde.

Paleogeologisch archief

Het paleoklimaat ligt opgeslagen in geologische archieven zoals ijskernen, boomringen, stalagmieten en sedimentkernen uit oceanen en meren.* Die zijn de laatste decennia zorgvuldig bestudeerd. Zo geeft de veranderende verhouding van zuurstofisotopen in watermole-culen van bijvoorbeeld de samengeperste sneeuw in ijskernen informatie over het temperatuursverloop. Omdat ¹⁶O sneller verdampt dan ¹⁸O wijst een toename van ‘zwaar’ water in de neergeslagen sneeuw op een verlaging van de temperatuur. Mondiale variaties van natte en droge tijden, die correleren met respectievelijk warme en koude periodes, worden bevestigd door de bestudering van stalag-mieten en stalactieten in druipsteengrotten.

   Het temperatuursverloop levert met deze methode een zaagtandvormige grafiek op: snelle temperatuurstijgingen, die binnen een tijdsbestek van enkele decennia flink konden oplopen, worden afgewisseld met geleidelijk dalende temperaturen tijdens langdurige koudere periodes. Er is een overwegend positieve correlatie met de gevonden CO₂ concentraties in het geologisch archief. Zoals verwacht is er ook een positieve correlatie met de hoeveelheid neerslag, dus met de luchtvochtigheid. Deze zogenaamde Dansgaard-Oeschger-cycli (D-O cycli) hebben een mondiaal karakter met een periode van ca. 1500 jaar maar lijken op het noordelijk en zuidelijk halfrond niet altijd helemaal in fase te zijn.*

   Over oorzaak en gevolg geeft de methode geen uitsluitsel, maar dat neemt niet weg dat er verschillende verklaringsmodellen zijn ontwikkeld zoals de zoutoscillator-hypothese, aangevuld met de hypothese van de oscillatie van het windveld. In tegenstelling tot de Milanković-parameters zijn ze gebaseerd op cyclische veranderingen op aarde zelf, namelijk circulatiestromen in de hydro- en atmosfeer.

   De zoutoscillator-hypothese gaat uit van een verzoeting van de oceanen door toenemende neer-slag en het smelten van ijskappen en gletsjers door de thermohaliene circulatie: het zwaardere zoute water van de warme golfstromen duikt onder het lichtere smeltwater van bijvoorbeeld Groenland dat zuidwaarts stroomt. Als de zoutconcentratie van het oppervlaktewater ter plaatse afneemt verzwakt (of stopt) de circulatie omdat het water niet zwaar genoeg meer is om te zinken. Zonder de Atlantische golfstromen werd het op de omlig-gende continenten geleidelijk aan steeds kouder. Daardoor groeiden de ijskappen aan in plaats van dat ze smolten. De zoutconcentratie nam toe waardoor het oppervlaktewater zout en dicht genoeg werd om weer te zinken, zodat de golfstroom opnieuw werd gestart en een abrupte opwarming op de hoge breedtegraad zou volgen.

   Een alternatieve hypothese om de D-O-cycli van de laatste ijstijd te verklaren heeft te maken met grootschalige veranderingen in windpatronen boven de Noord-Atlantische Oceaan. Bergketens zijn verantwoordelijk voor het vormen van speciale atmosferische circulatie-eigenschappen, bekend als stationaire golven, die zich vormen als de wind omhoog en over topografische hoogtepunten wordt geduwd. Ze spelen een belangrijke rol in de vorming van de subtropische straalstroom, een snelstromende windstroom in de bovenste atmosfeer die verantwoordelijk is voor het sturen van stormsystemen op de middelste breedtegraden over de hele wereld. Computermodellen suggereren dat de hoogteverschillen van ijskappen een groot effect kunnen hebben gehad op de positie van de straalstroom tijdens de laatste ijstijd. Topografische veranderingen in ijskappen hadden grootschalige reorganisaties van de atmosfe-rische circulatie kunnen veroorzaken. Volgens deze hypothese liep het pad van de straalstroom op het noordelijk halfrond over een grotere breedtegraad (zuidelijke) tijdens de koudere periodes (meer ijskappen) en weer noordelijker als het landijs was gesmolten. Dat resulteerde in het zaagtandpatroon van temperatuurveranderingen in de D-O-cyclus geregistreerd in de ijskernrecords van Groenland.

   Andere verklaringsmodellen hebben betrekking op zee-ijs en tropische processen. Zee-ijs beïnvloedt het klimaat op twee manieren: door zijn albedo (weerkaatsing zonlicht) dat het mondiale energiebudget kan veranderen en door het afdekken van het zeeoppervlak waardoor de uitwisseling van warmte en vocht tussen oceaan en atmosfeer onmogelijk wordt gemaakt. Ook de verandering van tropische processen kan een wereldwijde invloed op het klimaat uitoefenen. Daarvoor zijn tal van recente aanwijzingen. Om de warmtetoename in de tropen te compenseren wordt een deel naar de ruimte uitgestraald (OLR) en de rest geëxporteerd naar hogere breedtegraden. Toename van de waterdamp in de atmosfeer leidt tot een vermindering van de OLR en als een positieve terugkoppeling fungeren in de wereldwijde opwarming, blijkt uit satellietwaarnemingen.

   Gezien de mogelijke rol voor processen die plaatsvinden op zowel lage als hoge breedtegraden is een globale benadering noodza-kelijk om het probleem van abrupte verandering te begrijpen.

Waterkringlopen

In de modellen over de opwarming van de aarde krijgen veranderingen in concentratie van het broeikasgas CO₂ natuurlijk veel aandacht. Voor veranderingen in waterdampconcentraties geldt dat veel minder.

   Waterdamp is veruit het belangrijkste broeikasgas, deels doordat het overvloedig voorkomt, ruim 100 maal meer dan CO₂. Echter, de verdeling in ruimte en tijd varieert sterk. Klimaatmodellen kun-nen geen rekening houden met deze verdeling, al is het een cruciale factor voor de berekening van het totale broeikaseffect. Van bijzonder belang is de aanwezigheid in de bovenste troposfeer (op ca. 10 km). Als deze laag droog is, straalt waterdamp uit naar de ruimte vanuit de warme grenslaag eronder (ongeveer 5 km hoogte). Omge-keerd, als de hoge troposfeer vochtig is, dan straalt waterdamp infrarode straling de ruimte in bij de zeer lage temperatuur op die hoogte. Binnen de chaotische dynamiek van de energiebalans met de inkomende zonnestraling vormt waterdamp afhankelijk van het bovenstaande een positieve dan wel negatieve feedback met het broeikaseffect van CO₂, afhankelijk dus van de verdeling van water-damp in hoogte en tijd.

   De temperatuurfluctuaties op aarde worden logischerwijs in verband gebracht met de uitgestrektheid van ijskappen, zeewaterniveaus en luchtvochtigheid. Toch blijft dat laatste wat onderbelicht. Zoals hiervoor al werd vermeld speelt de luchtvochtigheid een expliciete rol in de tropische processen. Aangenomen wordt dat verstoring van het waterdampgehalte door positieve feedback leidt tot een wereldwijde synchrone opwarming of afkoeling.

   Een andere manier om de tropische energiebalans te verstoren is door veranderingen in subtropi-sche stratocumuluswolken. Deze wolken hebben een verkoelend effect op het klimaat omdat ze een hoog albedo hebben terwijl hun broeikaseffect verwaarloosbaar is omdat ze zich dichtbij het aardoppervlak bevinden. Hoe ze precies ontstaan is onvoldoende bekend om ze te kunnen opnemen in de reguliere klimaatmodellen. Wel weten we dat een grote stroom waterdamp boven de evenaar wordt meegevoerd door een oostelijke luchtstroom waarmee zoet oceaanwater over een grote afstand door de atmosfeer wordt verplaatst. Dit zou kunnen resulteren in lokale veranderingen van de zoutconcentraties en daarmee van de thermohaliene circulatie. Verstoring daarvan kan de tropische regenval-patronen weer beïnvloeden. Aangetoond is dat het stoppen van de golfstroom netto meer verdamping dan neerslag tot gevolg heeft waardoor de zoutconcentratie toeneemt en de golfstroom weer in beweging komt. Hier is dus sprake van negatieve terugkoppeling. Voor de sterke klimaatschommelingen moet evenwel een positief terugkoppelingsmechanisme worden gevonden. Dat zou bijvoorbeeld het geval zijn bij een toename van de atmosferische waterdamp zonder wolkvorming, tijdens een aanhoudende El Niño-toestand.

   Als de lucht afkoelt kan deze minder waterdamp bevatten. Er ontstaat meer bewolking en neerslag. De bewolking verhoogt de albedo (afkoeling) en de neerslag verlaagt de zoutconcentratie waardoor de golfstroom verzwakt (afkoeling). Door koude neerslag breiden de ijskappen en gletsjers uit. De positieve terugkoppeling veroorzaakt een steeds verdere afkoeling.

   Waardoor de afkoeling uiteindelijk een halt wordt toegeroepen en in korte tijd (een mensenleven) omslaat in een opwarming is eveneens toe te schrijven aan de waterkringloop. Door de verschuiving van de subtropische straalstroom naar zuidelijke regionen veroorzaakt daar lage luchtdruk en toenemende verdamping en neerslag. Na verloop van tijd zal de netto luchtvochtigheid toenemen en daarmee het broeikaseffect. Dit had een abrupte temperatuuromslag tot gevolg.

Klimaatveranderingen

De gemiddelde temperatuur op aarde is thans hoger dan in het pleistoceen (vanaf 2½ miljoen jaar geleden) en de abrupte afwisselingen tussen koude ijstijden en warme interglacialen behoren (voorlopig) tot het verleden. Alleen tijdens de interglacialen werd het ongeveer even warm als tegenwoordig. De afgelopen 10 000 jaar (holoceen) was de temperatuur opvallend constant. Het is niet ondenkbaar dat een afkoeling, die door extrapolatie de grafiek viel te verwachten, werd gecompenseerd door grootschalige ontbossing ten behoeve van de landbouw en energievoorziening alsmede het verbranden van fossiele plantenresten waardoor het CO₂-gehalte steeg (van 2.5 naar 2.8 ppm).

   Aan het begin van het 3^e millennium wordt een sterke stijging van de temperatuur waargenomen die volgens de huidige trend een opwarming van ca. 7^o C in 2100 voorspelt. Over de oorzaak van deze opwarming bestaat internationale consensus. Door industriële vervuiling van de atmosfeer is de concentratie broeikasgas, met name CO₂, sterk toegenomen. Pogingen om die uitstoot tegen te ver-minderen zijn onvoldoende succesvol en als de emissies van broeikasgassen op dit moment wel volledig zou stoppen, zou de opwar-ming voorlopig nog niet stoppen. Daarvoor is schaal van de gebeurtenissen veel te groot.

   Niettemin is het goed denkbaar dat er aan de opwarming een einde komt, zelfs als we doorgaan met de uitstoot van broeikasgassen. Het lijkt plausibel dat de klimaatmodellen die werden ontwikkeld om de pleistocene temperatuurschommelingen te begrijpen evengoed voor de warmere omstandigheden van het holoceen gelden. Dat zou betekenen dat tegen het einde van deze eeuw zoveel smeltwater in de oceanen is terechtgekomen dat de thermohaliene circulatie, die het golfstroomcomplex in stand houdt, stagneert. Zoals eerder is uiteengezet voor de pleistocene glacialen zou ook in de nabije toekomst de temperatuur in de gematigde gebieden sterk kunnen dalen. Geheel volgens het verwachtingspatroon klimaatgrafieken begint dan de nieuwe ijstijd.

Extra bronnen:

Amy Clement & Larry Peterson. Mechanisms of abrupt climate change of the last glacial period. Review of Geofysics 46, 2008 (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2006RG000204)

Climate4you: http://www.climate4you.com/

Matthew Schmidt & Jennifer Hertzberg. Abrupt Climate Change During the Last Ice Age

 © 2011 Nature Education (https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/abrupt-climate-change-during-the-last-ice-24288097/)

Pieter Simons. De Kwintencirkel. 2020: https://ppsimons.com/2020/01/23/de-ontwikkeling-van-het-leven-op-de-aarde/

VU Amsterdam 2021 : https://beta.vu.nl/nl/nieuws-agenda/nieuws/2021/jan-mrt/Smeltende-ijsbergen-sleutel-tot-ontstaan-ijstijden.aspx:

Wikipedia. Klimaatverandering. 2021: https://nl.wikipedia.org/wiki/Klimaatverandering#Klimaatveranderingen_in_het_geologische_verleden

Na de integratieve fase-overgang van Homo sapiens via de mens-machine (cyborg) ontstaat Cyberium, (de eerste van een nieuwe klasse) waarvan de voormalige individuele onderdelen ondergeschikt zijn aan het nieuwe wezen en zich daar ook mee vermeerderen. Vergelijkbaar maar niet hetzelfde als organismale voortplanting. De silicium-gebaseerde en koolstof-gebaseerde componenten vertonen ook tijdens de groei volledige integratie in deze cybernetische organismen. De fase-overgang of transitie is van dezelfde orde als beschreven in Sathmáry's artikel over de evolutionaire transitie theorie uit 2015 (Proc. Natl Acad. Sci. USA. 112, 10104–10111). Een grootschalig evolutionair overzicht van wat geweest is en wat ons te wachten staat is te vinden in Sydney Brenner's The Chronicles of Evolution Wildtype Books, 2018. Zie ook: James Lovelock. Welkom in het Novaceen, 2020.

We zijn toegetreden tot het tijdvak van het antropoceen, het tijdvak waarin de ecologische gevolgen van het menselijk handelen hardhandig op de voorgrond treden. De ecologische mutatie die zich voltrekt, betitelt Bruno Latour in Oog in Oog met Gaia (2017) als het Nieuwe Klimaatregime. De oude natuur wijkt voor een wezen in beweging, waarin menselijke activiteit en natuurlijke wereld talloze onverwachte verbindingen aangaan: Gaia. Latour neemt de controversiële Gaia-hypothese van James Lovelock als uitgangspunt, en zet daarnaast rechtsfilosofie en kunst in om de politieke, religieuze en wetenschappelijke dimensies van het verouderde natuurbegrip te ontwarren. Zo legt hij in dit ongemeen rijke en verrassende boek de basis voor een hoogst noodzakelijke politisering van de ecologie. 'Oog in oog met Gaia' is voortgekomen uit een cyclus van lezingen in Edinburgh. De lezingen zijn uitgebreid en volledig herschreven, met behoud van de oorspronkelijke toon en stijl. Latour koppelt denken-in-actie en humor aan een fabelachtige eruditie, maar schuwt de polemiek niet.

Bijvoorbeeld de Amerikaanse natuurkundige S.F.Singer. Na zijn promotie bij het excentrieke genie John Wheeler was hij in de jaren 50 van de vorige eeuw werkzaam als ruimtevaartdeskundige. Hij verbeterde het gebruik van atoomklokken in het GPS-systeem van satellietnavigatie. Van 1971 tot 1994 was hij hoogleraar milieukunde aan de Universiteit van Virginia en tot 2000 als fysicus verbonden aan de George Mason University (Virginia). Vanaf de jaren 90 wierp hij zich op als scepticus op het gebied van vele milieukwesties. Tot op hoge leeftijd confronteerde hij het IPCC met contradicties en fouten. Hij stierf in 2020.

De condities om leven zoals wij dat kennen mogelijk te maken op een planeet zijn precies de voorwaarden waaraan onze aarde voldoet. Een grappige voordracht over dit onderwerp gebruikt de metafoor van Goudlokje:
https://www.ted.com/talks/dave_brain_what_a_planet_needs_to_sustain_life/transcript?language=nl

Uniformitarisme is het idee dat de processen die aan de basis van de geologie liggen, dezelfde vorm en fre-quentie hebben gehad tijdens het verloop van de geschiedenis. In feite stelt men dus: "Het heden is de sleutel tot het verleden".

In de afgelopen vijfhonderd miljoen jaar heeft het leven op aarde zich moeten herstellen van vijf wereldomspannende catastrofes. Zal de mensheid verantwoordelijk zijn voor de zesde ramp? Zie:https://www.nationalgeographic.nl/wetenschap/2019/09/wat-waren-de-5-massa-extincties-en-wat-veroorzaakte-ze

De jonge Servische ingenieur Milutin Milanković (1879-1958) kreeg interesse in  de bewegingen van de hemellichamen in het zonnestelsel die invloed hadden op  het  klimaat op de aarde. Hij vond de drie cycli. De jaarlijkse aardbaan om de zon was geen cirkelvorm was maar elliptische baan die in 100.000 jaar veranderde. De tweede was de hoek van de aardas varieert in 41.000 jaar van 21,5 graden naar 24,5 graden. Een derde cycli was dat de aardas  23.000 jaar een tolbeweging maakte. Hij heeft de drie cycli wiskundig samengevoegd tot één curve. De Milanković theorie vertelde, dat deze drie cycli de oorzaak waren van de IJstijden. Niemand geloofde zijn onderzoek.

De variaties van Servische wiskundige Milutin Milanković  zijn een drietal cycli die betrekking hebben op de stand van de aarde ten opzichte van de zon.

• Precessie (Precession).
• Helling (Obliquity) van de aardas ten opzichte van de verticale aardas.
• Excentriciteit (Eccentricity), de afwijking van de ronde baan om de zon (orbid)

 

 

De drie parameters van Milanković parameters. Precission, Obliquity en Eccentricty werden wiskundig opgeteld. De som van de drie parameters is de Stages of Glaciation (Etappen IJstijden).De Solar Forcing (Zonne ennergie) gemeten op noordelijke 65 graden, komen goed overeen met de koude en minderkoude perioden (Glacialen en Interglacialen) van de parameters van Milanković.

Precessie.

De precessie is de waggelende tolbeweging van de schuinstaande as van de aarde die draait in een periode van 23.000 jaar. De oorzaak hiervan is dat de aarde aan de polen enig zins is afgeplat. Ook de getijden van de oceanen spelen hierin een rol. 

Helling (Obliquity).

Obliquity is de schuine stand van de aardas ten opzichte van de verticale as (Va) van de aarde.

De verticale aardas (Va) staat loodrecht op de baan van de aarde om de zon, de ecliptica (Orbid). De hoek van de aardas varieert van 21,1 tot 24,5 geraden met een periode van de variatie is 41.000 jaar. Tegenwoordig is deze helling ca. 23,5 graden.

Excentriciteit (Eccentricity).

De exentriciteit is de afwijking van een ronde naar een elliptische baan van de aarde om de zon. Deze afwijking wordt veroorzaakt door de zwaartekracht van de reuze planeten Saturnus en Jupiter.

De exentriciteitsvector varieert  van ca. 0,005 tot 0,028 en bestaat uit een samenstel van drie fatoren met een perioden van 100.000 jaar. In het jaar 2010 is de exentriciteit ongeveer 0,017. Dit komt overeen met een afstand verschil van ca. 5 miljoen km. tussen de grootste afstand het aphelium(da) en de kleinste afstand, het perihelium(dp).

• De excentriciteitsvector is cirkelvormige banen: e = 0.
• De elliptische banen: 0 < e < 1.
• De parabolische banen: e = 1.
• De hyperbolische banen: e > 1. Hier schiet de aarde uit het zonnestel.

De excentriciteitvector (e) = 0,0167 (AD 2000). De afstand is 149,6 miljoen Km. (AD 2000).

 

Een internationaal onderzoeksteam heeft een gedetailleerde reconstructie van het klimaat op aarde samengesteld. Het team van klimaatwetenschappers, waaronder NESSC-onderzoeker Lucas Lourens (Universiteit Utrecht), stelde een uitgebreide dataset samen op basis van diepzee-afzettingen afkomstig van de oceaanbodem. De nieuwe klimaatreconstructie gaat terug tot 66 miljoen jaar geleden. Het laat zien dat het klimaat van de aarde vier herkenbare klimaat fases heeft gekend: van extreem heet (hothouse earth) tot extreem koud (icehouse earth). De nieuwe reconstructies is verschenen in het prestigieuze vakblad Science.

   "Ons doel was om een nieuwe referentie te creëren van het klimaat van de afgelopen 66 miljoen jaar, met data van zeer hoge resolutie en ook zeer nauwkeurig gedateerd”, vertelt klimaatwetenschapper Thomas Westerhold (MARUM, Bremen). “We weten nu nauwkeuriger wanneer het warmer of kouder was op de planeet en we hebben ook een beter begrip van de onderliggende dynamiek”. Deze blik in het verleden is ook een blik in de toekomst. We kunnen iets leren over de duizelingwekkend snelle menselijke (antropogene) veranderingen van onze huidige eeuw door de langzame natuurlijke klimaatschommelingen die zich in miljoenen jaren voordoen. De klimaatveranderingen van de afgelopen 66 miljoen jaar kunnen als een kleurrijke streepjescode worden bestudeerd.

 

De nieuwe klimaatreconstructie van de afgelopen 66 miljoen jaar (CENOGRID) met hierop aangegeven vier verschillende modi van het klimaat: hothouse, warmhouse, coolhouse and coldhouse. Illustratie: Westerhold et al. (2020)

Boorexpedities

Over de hele wereld zijn sedimentlagen op de oceaanbodem in boorkernen opgeboord door het wetenschappelijke boorschip JOIDES Resolution. In verschillende internationaal gecoördineerde expedities zit daar meer dan vijf decennia werk in. Door het bestuderen van deze sedimenten en de microfossielen binnenin, zijn wetenschappers in staat om wereldwijde klimaatveranderingen in het verre verleden te analyseren en reconstrueren.

   Ze onderzoeken bewijzen die bewaard zijn gebleven in zuurstof- en koolstofisotopen, die informatie geven over de diepzeetemperaturen in het verleden, de wereldwijde ijsvolumes en de koolstofcyclus. Deze aanwijzingen worden opgeslagen in de schelpen van micro-organismen die ooit op de zeebodem leefden. Ze vormen een archief van de klimaatomstandigheden in het verleden dat onderzoekers gebruiken om vergelijkingen te maken tussen het verleden, het heden en de toekomst.

   “Ik was een wetenschappelijke deelnemer aan een van de belangrijkste expedities, nu 18 jaar geleden,” zegt NESSC-onderzoeker Lucas Lourens. “De data over het klimaat ouder dan 34 miljoen jaar was over het algemeen slecht. In de afgelopen twee decennia hebben wetenschappelijke boorprogramma’s hun boringen gericht op oudere geologische lagen. We hebben nu een completer sedimentarchief en zijn in staat om het wereldklimaat veel gedetailleerder dan ooit tevoren te reconstrueren”.

Hothouse earth

De nieuwe klimaatreferentiecurve, CENOGRID genaamd (CENOzoic Global Reference benthic foraminifer carbon and oxygen Isotope Dataset), is een reconstructie van het klimaat op aarde sinds de laatste grote uitsterving 66 miljoen jaar geleden, waarna een nieuw tijdperk, het Cenozoïcum, werd geïntroduceerd. Het is een enorme gezamenlijke inspanning van vele internationale collega’s om alle boorkernen te winnen, te analyseren en samen te voegen tot een referentiecurve.

   De data- en leeftijdsmodellen van CENOGRID zijn radicaal verbeterd om te begrijpen welke klimaatomstandigheden er in het verleden waren, welke processen erachter zaten en hoe die zich voordeden. De klimaatonderzoekers herkennen vier overheersende klimaatmodi in de afgelopen 66 miljoen jaar: hothouse, warmhouse, coolhouse en icehouse. Mogelijk zijn de abrupte overgangen van een klimaatmodus naar een andere het gevolg van zogenaamde kantelpunten in het klimaatsysteem. Dit is het onderwerp van verder onderzoek.

   CENOGRID kan als basis dienen voor onderzoekers wereldwijd om hun gegevens nauwkeurig te correleren binnen de context van de klimaatgeschiedenis. Met al deze nieuwe gegevens is het nu mogelijk om niet alleen het beeld van het klimaatverleden verder te verfijnen, maar ook om regionale bijzonderheden te identificeren. De auteurs benadrukken dat dit van fundamenteel belang is om de betrouwbaarheid van klimaatmodellen voor de toekomst te testen.

Referentie: Thomas Westerhold, Norbert Marwan, Anna Joy Drury, Diederik Liebrand, Claudia Agnini, Eleni Anagnostou, James S. K. Barnet, Steven M. Bohaty, David De Vleeschouwer, Fabio Florindo, Thomas Frederichs, David A. Hodell, Ann E. Holbourn, Dick Kroon, Vittoria Lauretano, Kate Littler, Lucas J. Lourens, Mitchell Lyle, Heiko Pälike, Ursula Röhl, Jun Tian, Roy H. Wilkens, Paul A. Wilson, James C. Zachos. An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 Million Years. Science, 2020  

Geschiedenis van het klimaat in ijskernen

De koude en droge condities van het Antarctisch plateau zijn ideaal voor klimaatreconstructies door middel van diepe ijskernen.

   De ijskap van Antarctica is, net als alle andere gletsjers op aarde, gevormd doordat elk jaar een laagje sneeuw achterblijft dat in de zomer niet smelt. Als het gewicht van de sneeuwlaag groot genoeg is geworden - voor droge sneeuw moet de laag 70-100 m dik zijn - dan worden door de enorme druk van het bovenliggende sneeuwpakket de luchtkanaaltjes tussen de sneeuwkristallen afgesloten. Dit is het moment dat gletsjerijs is ontstaan met een dichtheid van ongeveer 900 kg per kubieke meter.

   De aldus ontstane luchtbelletjes bevatten lucht met een samenstelling die gelijk is aan die van de atmosfeer ten tijde van de afsluiting. Door de geringe hoeveelheid neerslag die valt en de kilometersdikke ijskap duurt het op Antarctica honderdduizenden jaren voordat deze luchtbelletjes de onderkant van de ijskap hebben bereikt. Door nu een ijskern te boren tot de bodem van de ijskap en de luchtbelletjes in het ijs te analyseren kan de samenstelling van de atmosfeer tot enkele honderdduizenden jaren terug worden gereconstrueerd.

 

Reconstructie van glaciale cycli

Met deze spectaculaire wetenschap kan men tot in detail het verloop van glaciale cycli op aarde reconstrueren, zoals deze grafiek laat zien.

Het ritme van de ijstijden is prachtig te zien, met elke 100.000 jaar een abrupte overgang naar een korte interglaciale periode die gemiddeld zo'n 10.000 jaar duurt. Duidelijk zichtbaar is dat op het hoogtepunt van het laatste glaciale tijdperk, ongeveer 20.000 jaar geleden, de CO₂-concentratie bijna 100 ppmv (parts per million per volume) lager lag dan de preïndustriële waarde. (CO₂ = kooldioxide, een belangrijk broeikasgas waarvan de concentratie in de aardse atmosfeer overal ongeveer hetzelfde is).

   Uit de eigenschappen van het ijs, met name het voorkomen van bepaalde isotopen, kan ook een temperatuurreconstructie worden gemaakt.

Volgens deze reconstructie was het tijdens het laatste glaciale maximum 20.000 jaar geleden op Antarctica zo'n 8 graden kouder dan nu.

   Het is duidelijk dat het klimaat de laatste 10.000 jaar uitzonderlijk stabiel is geweest, en dat het huidige interglaciaal al langer duurt dan veel van zijn voorgangers. Het is waarschijnlijk dat het volgende glaciaal geen duizenden jaren meer op zich zal laten wachten, maar niemand kan voorspellen of de nieuwe ijstijd zal aanbreken en zoja, wanneer. Merk ook op hoe synchroon de temperatuur en CO₂-signalen lopen. In werkelijkheid is er een klein tijdsverschil, maar het is nog onduidelijk of temperatuur CO₂ forceert of juist andersom.

   Ook de invloed van de mens op ons klimaat kan met ijskernen uitstekend worden bestudeerd. Tijdens een overgang glaciaal-interglaciaal neemt de CO₂-concentratie met ongeveer 80 tot 100 ppmv toe in enkele duizenden jaren (onder, bovenste grafiek):

 

Zoomen we nog eens in op de afgelopen 1000 jaar (herleid van een ijskern die aan de kust van Antarctica is geboord, Law Dome) dan zien we een tamelijk constante preïndustriële CO₂-waarde van ongeveer 280 ppmv (onderste grafiek).

   Echter, door de verbranding van fossiele brandstoffen (kolen, olie, gas) is in de laatste twee eeuwen de atmosferische CO₂-concentratie op aarde met 80 ppmv gestegen, bijna 30%! Weliswaar zijn er perioden in het geologisch verleden geweest waarin de CO₂-concentraties in de aardse atmosfeer nog hoger waren, maar de snelheid van de recente stijging is ongekend in de geologische geschiedenis. IJskernen hebben een belangrijke rol gespeeld in het overtuigen van broeikas-sceptici.

   De boodschap van de grafieken is dan ook klinkklaar: de mensheid is bezig met een experiment van globale omvang waarvan de uitkomst onzeker is.Het nauwkeurig kunnen dateren van een ijskern is cruciaal om de grafieken te kunnen voorzien van een tijdschaal op de horizontale as. Vulkaanuitbarstingen uit het verleden helpen ons hierbij. Bij zeer krachtige vulkaanuitbarstingen wordt materiaal afkomstig uit de aardkorst tot 10 tot 50 km hoogte in de stratosfeer geïnjecteerd, waar het kan worden getransporteerd over zeer grote afstanden, zelfs tot boven Antarctica. Daar komt het vulkanisch materiaal in de sneeuw terecht en verandert het de elektrische eigenschappen van het ijs: de elektrische geleiding gemeten langs een ijskern laat op die plekken pieken zien; met behulp van historische geschriften kunnen de juiste vulkanen worden geïdentificeerd en de ijskern nauwkeurig gedateerd.

 

IMAU boorinstallatie waarmee middeldiepe kernen worden geboord (tot 200 meter). Rechtsboven apparatuur om elektrische eigenschappen van de ijskern te meten. Dit wordt gedaan in een minilaboratorium dat in de sneeuw is uitgegraven, om de temperatuur tijdens analyse zo constant mogelijk te houden. Grafiek toont di-electrisch profiel (DEP) van een 115 m lange ijskern geboord op Antarctica. Pieken corresponderen met vulkaanuitbarstingen. Geïdentificeerde vulkaanuitbarstingen worden vermeld met jaartal. Unknown: men weet dat er een uitbarsting is geweest (uit oude geschriften), maar niet precies welke vulkaan. 

Geschiedenis van het klimaat in stalagmieten

Ons klimaat ging in slechts 200 jaar van warm naar ijzig, zo'n 100.000 jaar geleden

   Ons klimaat is in het verleden erg snel afgekoeld. Dat blijkt uit geologisch onderzoek van druipstenen in de grot-ten van Han-sur-Lesse en Remouchamps. Het gaat over de periode van de laatste tussenijstijd, van 128.000 tot 117.000 jaar geleden. Toen was het gemiddeld vier graden warmer dan nu. Maar op nauwelijks 200 jaar tijd, een peulschil op geologische schaal, koelde het zo sterk af dat de bosbegroeiing verdween en er enkel nog koude steppe overbleef. Die snelle, natuurlijke afkoeling verrast de wetenschappers, maar conclusies trekken voor de huidige klimaatopwarming is wel gevaarlijk, zegt de onderzoeker van de VUB die er een doctoraal onderzoek aan gewijd heeft.

   De bevindingen kwamen aan het licht bij onderzoek van isotopen - atomen van een bepaalde stof met een ver-schillend aantal neutronen in hun kern- van stalactieten en stalagmieten in de grotten van Han-sur-Lesse en Remouchamps.

   VUB-vorser Stef Vansteenberge: "De groei van stalagmieten en de variaties van koolstof- en zuurstofisotopen in die stalagmieten zijn beide goede indicatoren voor de vegetatie op de plaats boven de onderzochte grotten op welbepaalde momenten in de geschiedenis van het Pleistoceen, de periode van de ijstijden."

   Klimatologische modellen wezen uit dat de gemiddelde temperatuur tijdens het laatste interglaciaal op aarde - de periode tussen twee ijstijden - ongeveer 4 graden Celsius warmer was dan nu. Dat is erg veel, als men weet dat nu al groot alarm wordt geslagen door klimatologen, omdat we de temperatuursstijging door de CO₂-uitstoot waarschijnlijk niet onder de 2 graden Celsius zullen kunnen houden.

   "De gemiddelde jaartemperatuur in onze streken moet in de tussenijstijd rond 14 graden Celsius hebben geschommeld, nu ligt die tussen 10 en 11 graden", aldus Vansteenberge. "De vegetatie bestond in die warme perio-de vooral uit oerbos met een dichte ondergroei. Op tweehonderd jaar zakte de temperatuur dusdanig, van super-warm naar veel kouder dan nu, dat het bos op korte termijn volledig verdween. We kwamen in die zeer korte tijd in permafrostomstandigheden terecht, en de nieuwe ijstijd barstte in alle hevigheid los."  

Resultaten bevestigd

De resultaten van Vansteenberges onderzoek worden bevestigd door onderzoek op stalen in de Eiffel. Bovendien nam Vansteenberge zowel op de stalen uit Remouchamps als op deze uit Han-Sur-Lesse eenzelfde temperatuurval waar op hetzelfde ogenblik.

   "Overal verandert op dat ogenblik de vegetatie van bos naar grasland. Daarna stoppen de druipstenen zelfs helemaal met groeien. Er dringt geen stromend water meer in de grotten binnen, omdat het door de bevroren ondergrond als gevolg van de permafrost niet meer door de bodem naar de grot kan geraken en er dus geen calciet meer kan worden afgezet", zo zei Vansteenberge aan het persagentschap Belga.

Unieke stalen

De Belgische stalen van Vansteenberge zijn uniek, zeker voor de periode tussen 127.000 en 94.000 jaar geleden, omdat ze een zo goed als volledig beeld geven van het klimaat in die tijd in continentaal Europa. Er was eerder al isotopenonderzoek gebeurd op marine sedimenten, zoals in de Eiffel. Maar sedimenten zijn moeilijker precies te dateren en dus minder bruikbaar. Bovendien geven ze niet zo'n lokaal beeld van vegetatie en klimaat als de druipstenen in een grot.

   Stalagmieten worden gedateerd met de uranium-thoriummethode. Deze wordt gecombineerd met de overlaps die er bestaan in de groeiringen van druipsteen in de grotten, zodat dateringen mogelijk zijn met een foutenmarge van niet meer dan tweehonderd jaar.

Voorzichtig met conclusies

"Het onderzoek is erg belangrijk in het kader van de klimaatopwarming waar we op dit ogenblik mee te maken hebben", vindt Vansteenberge. "Onze bevindingen wijzen er immers op dat in periodes met hogere temperaturen dan vandaag, op volledig natuurlijke wijze een drastische afkoeling heeft plaatsgevonden, iets wat misschien niet meteen verwacht wordt in de huidige context van de klimaatopwarming."

   Conclusies trekken naar de huidige toestand, is iets waar we voorzichtig moeten mee zijn, zei Vansteenberge aan VRTnws. Voorspellingen maken doet hij hoe dan ook niet graag, "omdat ik kijk naar vroegere klimaten", en toen speelde de menselijke factor nog niet. "En wat die juist teweeg gaat brengen, daar zal nog veel onderzoek naar moeten verricht worden", zo zei hij.

 

Dansgaard-Oescher-cycli zijn snelle klimaatsfluctuaties, die plaatsvinden elke 1470 (± 532) jaar. Klimatologen hebben 23 van zulke fluctuaties ontdekt tussen 110.000 en 23.000 jaar geleden.

Zuurstofisotopengrafiek over de periode tussen 50 ka en 30 ka, gebaseerd op twee verschillende Groenlandse ijskernen. De Dansgaard-Oeschger-cycli zijn duidelijk zichtbaar als periodiek variaties in de δ¹⁸O-waarde.

 

 

Herkenning

Dansgaard-Oeschger-cycli worden herkend aan de hand van zuurstofisotopenanalyse van ijs of sediment. De cycli komen naar voren als opvallende periodieke variaties in de δ¹⁸O-waarde. De Dansgaard-Oeschger-cycli zijn als eerste vastgesteld in ijskernen uit Groenland. Later zijn ze ook aangetoond in diepzeekernen uit de Atlantische Oceaan. In ijskernen uit Antarctica is het signaal van de cycli minder sterk en wellicht ook niet helemaal in fase met dat op het noordelijk halfrond.

Gevolgen

De gevolgen voor het noordelijk halfrond zijn achtereenvolgens een periode van globale opwarming die enkele tientallen jaren duurt, waarna een periode volgt van geleidelijke afkoeling. Deze periode kan langer duren dan de periode van globaal opwarming. Deze cycli hebben zich onder andere voorgedaan op Groenland 11,500 jaar geleden. In 40 jaar warmden de ijskappen daar 8 graden Celsius op.

Oorzaken

De processen die de omvang en timing van deze cycli op het noordelijk halfrond bepalen zijn nog onduidelijk. De meest algemene hypothese is dat de cycli verband houden met veranderingen in de oceaancirculatie in de Atlantische Oceaan. Het patroon op het zuidelijk halfrond is iets anders dan die op het noordelijke. Hier gebeuren de fluctuaties langzamer en minder heftig. De oorzaak hiervan is mogelijk dat verandering in de Atlantische oceaancirculatie een ander of zelfs tegengesteld effect heeft op het noordelijk en het zuidelijk halfrond. Dit hypothetische mechanisme wordt wel aangeduid als de Bipolar seesaw (bipolaire wip).