Kantelpunten 2: Overeenkomsten en verschillen met de ijstijden

Dit is deel twee van zeven artikelen over kantelpunten in klimaatverandering. Hierin kijken we naar de overeenkomsten en verschillen tussen kantelpunten in vroegere ijstijden, en nu.

Al eerder vergeleek ik het gevaar dat we met de klimaatopwarming over een kantelpunt heen zouden kunnen geraken met het omkiepen van een kano als je te veel overhelt. Voorbij dat punt is de zaak niet meer te redden en zou de gemiddelde temperatuur relatief snel kunnen doorschieten naar 3 of zelfs 10 graden hoger. Een gevaar dat vooral door een groep van ruim 30 wetenschappers achter een redacteur met het pseudoniem Sam Carana wordt beschreven in de blog Arctic-news. De wetenschap is echter niet eensgezind over dit gevaar.

Sommigen zeggen dat het een overdreven doemscenario is, anderen beweren dat een versnelling van de temperatuurstijging eigenlijk al op gang is gekomen. Dat snelle temperatuurstijgingen van circa 10 graden in een relatief korte periode kunnen plaatsvinden, blijkt uit onze kennis over de ijstijden van de afgelopen 800.000 jaar. Maar of het ook nu binnen onze beperkte tijdshorizon van enkele tientallen jaren kan gebeuren, is maar zeer de vraag. Nader inzicht in de diverse processen waardoor deze snelle fluctuaties lang geleden optraden in vergelijking met de huidige oorzaken van klimaatverandering kan wellicht bijdragen aan een antwoord op deze vraag.

Uiteendrijven van continenten (Continental drift)

Dat de aarde sinds ongeveer 2 miljoen jaar terecht is gekomen in een periode waarbij er ijs op de polen ligt, wordt verklaard door de verschuiving van de continenten. Hierdoor kwam Antarctica op de zuidpool te liggen waardoor warme zeestromingen vanuit tropische gebieden die zuidpool niet meer konden verwarmen.

Door onderzoek aan boorkernen tot op 4 km diepte van de Groenlandse ijskap en van het ijs op Antarctica kunnen we tot bijna 800.000 jaar terug in de tijd kijken. De samenstelling van de gassen in de luchtbelletjes die in dat oeroude ijs zitten opgesloten, geven informatie over de temperatuur en over de gehaltes CO2 en methaan in de sneeuw waaruit dat ijs is ontstaan. Ook de hoeveelheid stof in de lucht en de herkomst van dat stof is daarin te meten.

Gedurende die lange periode schommelde de concentratie CO2 tussen 150 en 280 ppm en de gemiddelde temperatuur tussen 8 graden lager en 3 graden hoger dan het huidige gemiddelde van 15 graden.

De relatief koude periodes die we kennen als ijstijden hebben veel sporen achtergelaten doordat een pak landijs van een paar duizend meter dik zich vanaf de noordpool tot in midden Europa en Noord Amerika uitbreidde. Daarbij ontstonden bij de uitbreiding van het ijs in ons land stuwwallen en werden bij het terugtrekken van het ijs grote stukken steen als zwerfkeien achtergelaten. Tijdens de warmste interglaciale periodes was de gemiddelde temperatuur tot 3 graden hoger dan het huidige gemiddelde. Dat heeft niet geleid tot een massale uitsterving van soorten maar wel tot enorme migraties van dieren en een verschuiving van de klimaatgordels. Oost Nederland verkeerde toen in subtropische sferen. Op diverse plaatsen zijn daarvan sporen gevonden, zoals de botten van nijlpaarden en bosolifanten.

Uit analyse van de opeenvolgende laagjes in de boorkernen blijkt dat relatief snelle stijgingen tot circa 10 graden in een tijdsbestek van ongeveer 5 à 10.000 jaar gedurende de afgelopen 350.000 jaar minstens vier keer zijn voorgekomen. De pieken en dalen van de luchttemperatuur in de laagjes in het ijs van Antarctica correleren perfect met de CO2 concentraties.

Graph – Solar radiation varies through time – Bron: ncdc-noaa

Recent en meer gedetailleerd onderzoek over de periode tussen 80.000 en 15.000 jaar geleden laat zien dat er ook tijdens deze laatste ijstijd minstens 25 kortere temperatuurpieken hebben plaatsgevonden waarbij de grens van de ijskap zich een paar honderd kilometer terug trok en daarna weer uitbreidde. Deze cycli duurden tussen 900 en 2000 jaar en gingen eveneens gepaard met grote verschillen van de zeespiegel en temperatuurverschillen van 10 tot zelfs 15 graden in Groenland.

Ook uit analyse van monsters uit de bodem van de Atlantische oceaan zijn deze temperatuurschommelingen af te leiden. In één van deze zogenaamde Dansgaard-Oescher cycli steeg de temperatuur op Groenland binnen 40 jaar met 8 graden.

Over de oorzaken van deze relatief snelle veranderingen heeft de wetenschap nog geen volledig beeld. Tijdens de gehele periode van 60.000 jaar was de Noordpool bedekt met een grote ijskap, maar de uitbreiding van het ijs was niet constant. De periodiciteit en snelheid van de veranderingen kan niet verklaard worden met de variabele afstand tot de zon of de schommeling van de aardas en ook niet met periodieke fluctuaties van zonnevlekken.

De tijdsduur van de cycli komt nog het meest overeen met de periodiciteit van veranderingen die optreden bij de trans-oceanische circulatie, die ontstaat door dichtheidsverschillen als gevolg van temperatuur en zoutgehalte (“Thermohyaline circulation” en “Great ocean conveyor belt”). Tijdens een periode dat het ijs zich terugtrok zou er zoveel smeltwater zijn ontstaan dat de transatlantische circulatie stagneerde waardoor er minder warm water naar het Noordpool gebied stroomde.

Oceaan stromen – bron: sron

Men vermoedt dat behalve veranderingen van de circulatiepatronen in de oceanen ook veranderingen van straalstromen in de atmosfeer als versterkende terugkoppelingen hebben gewerkt op een relatief kleine verandering van de polaire ijskappen. De polaire luchtmassa werd opgesloten en gescheiden van de subpolaire lucht door een sterke circulaire straalstroom (Polair vortex). Een relatief kleine uitbreiding van de ijskap kan tot gevolg hebben gehad dat die straalstroom naar een iets lagere breedtegraad verschoof. Een punt op het zuiden van Groenland zou dan afwisselend in de polaire lucht en in de subpolaire lucht hebben kunnen liggen.

Ook na het einde van de ijstijden, circa 15.000 jaar geleden, was het klimaat niet volledig stabiel. Door relatief kleine maar snelle veranderingen van het klimaat gepaard gaand aan droogte of overstromingen moesten diverse menselijke nederzetting en zelfs hele steden worden verlaten en zijn complete beschavingen verdwenen. In onze tijd zouden de gevolgen van zo’n snelle verandering helemaal desastreus zijn omdat de veel grotere wereldbevolking grotendeels langs kustgebieden woont. Dat is een erg griezelig idee.

Het laatste woord over de oorzaken van deze D-O cycli en over de oorzaak van de schommelingen daarna is nog niet gezegd maar zeker is dat de mens er nog geen enkele invloed op had. Hieruit zou men kunnen afleiden dat fluctuaties er gewoon bij horen en dat het vanzelf wel weer goed komt met het klimaat, maar eigenlijk is de enige juiste conclusie dat het klimaatsysteem op aarde uiterst labiel is.

Milankovic cyclus als oorzaak van afwisseling van glacialen en interglacialen

De bedekking met ijs vertoonde perioden van 90 tot 120 duizend jaar met zeer sterke uitbreiding (de koude glacialen) en kortere periodes van 25 -50 duizend jaar met heel weinig ijs (de relatief warme interglacialen). De overgangen daartussen gingen gepaard met sterke dalingen en stijgingen van de zeespiegel. Zo stond het zeeniveau tijdens de laatste ijstijd 120 meter lager dan nu waarbij de Noordzee droog lag en tijdens het laatste interglaciaal 5 – 7 meter hoger dan nu, waarbij het westen en midden van Nederland onder water lagen.

In grote lijnen denkt men dat de circa 100 duizendjarige perioden van de ijstijden kunnen worden verklaard door de wisselende positie van de aarde ten opzichte van de zon. Dit is het eerst beschreven in 1941 door de Servische wiskundige Milutin MIlankovic.
Het betreft drie verschillende cyclische bewegingen met elk een eigen periode. De excentriciteit van de baan om de zon met een periode van 100 – 400 duizend jaar, de schuinte van de aardas ten opzichte van de zon met een cyclus van circa 41 duizend jaar, en de schommeling van de aardas ten opzichte van de poolster met een cyclus van 26 duizend jaar. Deze drie cycli kunnen elk de hoeveelheid zonne-energie op aarde een heel klein beetje beïnvloeden.

De combinatie van die drie variaties waarbij de maximale of minimale stralingsenergie (Solar Forcing) van de één min of samenvalt met die van de ander, vormt een nieuw en minder regelmatig patroon dat men de Milankovic cyclus noemt. De grafiek die het gevolg is van die combinatie toont veel overeenkomst met de periodieke veranderingen van de temperatuur in de ijstijden.

Variation in eccentricity, obliquity and precession (Imbrie 1985).

Men heeft lang gedacht dat de afwisseling van koude en warme periodes uitsluitend door die Milankovic cyclus veroorzaakt werd. In een uitgebreid wetenschappelijk artikel wijzen Ellis en Palmer in Geoscience Frontiers 7 uit 2016 er op dat er behalve de Milankovic cyclus nog een paar andere factoren meespeelden en wordt een hypothese onderbouwd die de fluctuaties tussen de verschillende ijstijden beter kan verklaren.

Het Albedo-effect

De grote witte oppervlaktes met ijs en sneeuw op de polen hebben tot gevolg dat daar tot 90 % van de zonnestraling wordt teruggekaatst. Dit noemt met het Albedo effect en dit verzwakt de effecten van wisselende hoeveelheden instraling. De oppervlakte Arctisch zee-ijs en het totale oppervlak van met sneeuw bedekte toendra’s fluctueert echter heel sterk. Tijdens warme perioden is het oppervlak veel kleiner en daardoor wordt veel minder energie teruggekaatst. In zo’n situatie hebben ook de Milankovic-cycli veel meer invloed. Voordat een maximale instraling door de Milankovic-cyclus effect kan hebben, moet er dus eerst nog een andere factor hebben meegespeeld waardoor het zee-ijs al grotendeels was weg gesmolten.

Albedo en woestijnstof

Hiertoe voeren Ellis en Palmer aan dat er tijdens de koudste perioden door een combinatie van droogte en lage CO2 concentratie veel bossen zijn verdwenen en er zelfs grootschalige woestijnvorming optrad. Daarbij zouden er door sterke winden enorme stofstormen zijn ontstaan. Vergelijkbare stofstormen vanaf de droogliggende Doggersbank hebben in de laatste ijstijd ook geleid tot de afzetting van Löss in Zuid Limburg.

Stofvorming in andere droge gebieden kan ook stof op het poolijs hebben gebracht, waardoor de sneeuw niet meer wit was en het Albedo effect afnam. In de ijskernen van Groenland en Antarctica zijn inderdaad perioden te herkennen met meer en minder stof. De pieken in de stofproductie vonden plaats tijdens de koudste perioden en gingen vooraf aan de snelle temperatuurstijgingen. In die koude periodes bevatte de atmosfeer minder water en dit betekende ook minder sneeuwval zodat er in de winters minder sneeuw was om het stof te bedekken.

Door deze combinatie van veel stof en minder sneeuw nam het Albedo effect sterk af en dit leidde tot versnelde afsmelting van het zee-ijs. Zodra dit oppervlak sterk was afgenomen werd de invloed van de Milankovic cycli weer sterker. Het gaat hier dus om de combinatie van drie processen: een biologisch proces, de woestijnvorming met een fysisch proces, vermindering van Albedo en de cyclische verandering van invallend zonlicht ten gevolge van de Milankovic cyclus.

Maar ook deze hypothese verklaart nog niet alles. Een andere factor is de sterk wisselende concentratie CO2 in de atmosfeer. Tijdens afwisseling van warme interglaciale periodes en koude glaciale periodes schommelden de CO2 concentraties tussen 180 en 280 ppm. Het dalen en stijgen van het CO2 gehalte liep vrijwel gelijk met het dalen en stijgen van de temperatuur op Antarctica. Maar de vraag of CO2 de oorzaak was of juist het gevolg van temperatuurstijging wordt daarmee niet beantwoord. Tot nu toe weten we wel vrij zeker dat temperatuurstijging een gevolg kan zijn van de hogere CO2 concentratie via het broeikaseffect. Een omgekeerde oorzaak/gevolg relatie, waarbij er vanuit een extreem koude periode opeens veel meer CO2 vrijkomt, is niet zo gemakkelijk te verklaren.

CO2 verhoging als gevolg van geotektonische processen

Er bestaan verschillende hypotheses voor het ontstaan van veel CO2. Eén verklaring is dat het CO2 afkomstig is uit de omzetting van methaan en dat er plotseling heel veel methaan uit mariene afzettingen zou zijn ontsnapt. Ook de concentraties methaan volgen namelijk exact de temperatuurfluctuaties, maar die concentraties waren zo’n 400 keer lager dan de CO2 concentraties en niet hoog genoeg om de temperatuurverhoging te verklaren. Methaan heeft een betrekkelijk korte halfwaardetijd van ongeveer 10 jaar in de atmosfeer en het zou kunnen zijn dat de gemeten concentraties slechts een evenwichtsconcentratie betreffen van de reactie waarbij veel grotere hoeveelheden methaan tot CO2 zijn omgezet.

In tegenstelling tot CO2 kan methaan wel heel snel in grote hoeveelheden vrijkomen vanuit methaan-ijs (methaanhydraat). Dit is een vorm van ijskristallen waarin een molecuul methaan zit opgesloten. Het komt in grote hoeveelheden voor in diepzeesedimenten en in mindere mate op een paar honderd meter diepte langs de randen van Siberië en Canada.

Methaan-ijs bestaat alleen bij een lage temperatuur en druk tussen 30 en 50 atmosfeer, dus tussen 300 en 500 meter diepte. Het kan tijdens een koude periode niet door opwarming zijn vrijgekomen, maar wel door geotektonische processen als gevolg van de veel lagere zeespiegel en de veel dikkere ijskappen. Daardoor kunnen zeebevingen, onderzeese aardverschuivingen en vulkanische uitbarstingen zijn ontstaan, waardoor de lagen met methaan-ijs instabiel geworden zijn. Hoewel de schattingen over de hoeveelheid methaan-ijs zeer uiteenlopen, is men het er wel over eens dat die zo groot is dat er slechts een fractie hoeft te ontsnappen om een enorm broeikaseffect te veroorzaken.

Afname van CO2

De veel tragere daling van het CO2-gehalte gedurende de volgende koude periode zou daarentegen geheel verklaard kunnen worden door het geleidelijk vastleggen van CO2 in bossen, venen, koralen, kalkwieren en in de kalkskeletten van schelpdieren. Ook een stijgende zeespiegel kan door sedimentatie van dode algen weer tot ophoping van methaan-ijs leiden. Waarschijnlijk spelen deze relatief langzame biologische processen allemaal een rol. In de loop der tijd kwam dan ook weer de zonne-instraling op een lager niveau vanwege de Milancovic-cyclus.

Vergelijking met de moderne tijd

Aan het begin van deze serie over kantelpunten stelde ik de vraag of een dergelijke kettingreactie op korte termijn weer dreigt te gebeuren. Er zijn veel overeenkomsten maar ook grote verschillen met de huidige situatie.

Allereerst ontstonden de sterke temperatuurstijgingen vanuit een koude-dieptepunt van een glaciale periode met een laag CO2 gehalte en een veel lagere zeespiegel. Deze koude glaciale situatie deed volgens de hypothese de woestijnen ontstaan en het stof waardoor het ijs meer stralingswarmte opnam. Het dikke pakket ijs en de lage zeespiegel veroorzaakte via geotektonische bewegingen eventueel ook een instabiliteit van methaan-ijs waardoor relatief grote hoeveelheden broeikasgas relatief snel in de atmosfeer kwamen.

In de huidige tijd leven we niet in een koude glaciale periode. De CO2 concentratie is binnen 50 jaar 130 ppm hoger geworden dan ooit is voorgekomen tijdens de afgelopen 2 miljoen jaar. De huidige concentratie is zelfs 2,3 keer zo hoog als tijdens de koudste glaciale periodes. De instraling van de zon is niet sterker, maar door broeikasgassen afkomstig van fossiele brandstoffen, landbouw en ontbossing wordt sinds de industriële revolutie veel meer uitgestraalde warmte vastgehouden.

Daarbij wordt 90 % van de warmte door de oceanen opgenomen. Warmer oceaanwater zorgt voor meer neerslag dus ook meer sneeuw en niet voor minder zoals tijdens een glaciaal dieptepunt. Het oppervlak arctisch zee-ijs neemt ook nu snel af, maar dat wordt vooral veroorzaakt door de hogere temperatuur van de oceaan en de lucht en niet door de combinatie van woestijnstof en minder sneeuwval.

Ten slotte bevinden we ons niet in de buurt van een Milankovic maximum, maar sinds een jaar of 10.000 zijn we op weg naar een Milankovic minimum en voordat we weer op een maximum komen zijn we minstens 40.000 jaar verder. Instabiliteit van lagen met methaan-ijs kan nu niet ontstaan door geotektonische processen als gevolg van de verlaging van de zeespiegel en de druk van een dik pakket ijs, omdat de zeespiegel stijgt en het landijs niet dikker wordt.

Omdat we nog geen sluitende verklaring hebben voor het ontstaan van de temperatuurschommelingen tijdens de D-O cycli in de laatste ijstijd en de latere kleine schommelingen, valt ook niet te voorspellen of dergelijke schommelingen op afzienbare tijd te verwachten zijn.

Kantelpunt of niet?

Kort samengevat is het wel geruststellend dat een combinatie van afnemend oppervlak zee-ijs en een Milankovic maximum nu niet aanwezig is. Daardoor is de specifieke kettingreactie die herhaaldelijk tot de grote en relatief snelle temperatuurstijgingen leidde in deze tijd niet aan de orde. Zorgwekkend is echter dat de huidige concentraties broeikasgassen door menselijk toedoen veel sneller stijgen dan ooit is voorgekomen en dat die inmiddels veel hoger zijn dan tijdens de interglaciale perioden. De temperatuurverhoging die dit met zich meebrengt, kan een andere kettingreactie op gang brengen, waarin voor een deel dezelfde processen een rol spelen.

Allereerst veroorzaakt de temperatuurverhoging door het broeikaseffect via het smelten van zee-ijs eveneens een verlaging van het Albedo effect. Dit proces wordt nu niet versterkt door stof uit woestijnen maar wel door roet en fijnstof uit uitlaatgassen en bosbranden. Bovendien kan er ook in deze tijd een grote hoeveelheid methaan vrij komen. In dit geval niet door geotektonische processen in de diepte maar door verwarming van relatief ondiepe gebieden in zeeën rond het Arctisch gebied en uit de ontdooiende permafrost.

In de volgende delen van deze serie zal daar nader op in worden gegaan.

Lees ook de inleiding: De kantelpunten die klimaatverandering versnellen 
(Met de links naar de overige delen van de serie)