Het IJstijdperk

Het IJstijdperk

Inleiding

Dit is het eerste artikel in een reeks die gaat over temperatuur en kooldioxide. We beginnen de reeks met het IJstijdperk. Dat is een periode waarin we nog altijd leven. Het is een periode waar de Aarde een paar miljoen jaar geleden in terecht kwam na een perioden van miljoenen jaren waarin de Aarde veel warmer was. Subtropische bossen strekten zich uit van de evenaar tot helemaal aan de Poolcirkel. Om een af andere reden is de Aarde flink afgekoeld en in het veel koudere IJstijdperk terecht gekomen. Dit tijdperk kenmerkt zich door een afwisselingen van lange koude perioden afgewisseld door kortere warmere perioden. We leven thans op het eind van zo’n warmere tussen periode. Langzaam maar zeker zullen we over een paar duizend jaar afglijden naar de volgende IJstijd. In dit artikel gaan we in op de vraag hoe de IJstijd is ontdekt. Daarna zullen we ons bezig houden met de vraag hoe de Aarde kon afglijden naar de ijzige koude van het IJstijdperk en wat veroorzaakt de afwisselingen van koude periode naar warmere perioden in het tijdperk. Er werden een reeks verklaringen gelanceerd. Voor het afkoelen van de Aarde kwam men uit op continentale drift die er voor zorgt dat continenten en oceanen anders worden verdeeld. Voor de afwisselingen van warme en koude perioden kwam men uit op de zogenoemde Milancovic cycli. Dit leek een heel aannemelijke theorie maar was niet of nauwelijks te bewijzen. In de tweede helft van de 20e eeuw kwam men tot de ontwikkeling van methoden om de stratificatie, datering en proxies van temperaturen te verkrijgen. Men had nu eindelijk een manier om de tijdreeksen op te stellen die nodig waren om de theorie van Milancovic te kunnen toetsen. Het bleek te kloppen. De Milancovic cycli zorgden voor de temperatuur schommelingen en positieve terugkoppelingen zoals het CO2-gehalte en de albedo zorgden er voor dat de Cycli voldoende sterk waren om de temperatuur schommelingen ook kwantitatief te bepalen. De problemen waren opgelost.

Ontdekking van de IJstijd

In de 18e eeuw brak in Europa het tijdperk van de Verlichting uit. Mensen gingen er op uit om de Wereld te verkennen. Sommigen gingen helemaal naar de Stille Oceaan. Anderen trokken de binnenlanden in van Amerika, Afrika en Azië. De Zwitsers trokken de de bergen in. Daar bestudeerden ze onder andere de geologie van de gletsjers. Ze verbaasden zich er over dat de typische sporen van vergletsjering ook terug gevonden werden op hoogten en plaatsen waar helemaal geen gletsjers voorkomen. Het waren met name de zwerfkeien ver uit de buurt van gletsjers die hun verbazing wekten. Hoe zijn deze vaak reusachtige stenen hier terecht gekomen? Er werden diverse theorieën geuit. Het enige wat stand hield was de aanname dat er in een recent geologisch verleden veel meer gletsjers waren. De typische sporen van gletsjers werden spoedig ook elders vast gesteld. Er waren blijkbaar reusachtige ijskappen op plaatsen waar nu niets meer van resteert. De Britse Eilanden, Scandinavië en heel Canada waren vrijwel volledig bedekt met ijskappen van kilometers dikte. Zulke ijskappen komen nu alleen nog voor in Groenland en Antarctica. Het moet toen veel kouder zijn geweest dan tegenwoordig. Er was blijkbaar sprake van een ijstijd. Het was vooral Louis Agassiz die er voor zorgde dat deze theorie wortel schoot in de verbeelding van de mensen. Hij was zeker niet de ontdekker van de ijstijd maar zonder hem was het slechts een wetenschappelijke curiositeit gebleven. Eind 19e eeuw was het idee van het bestaan van een ijstijd onder wetenschappers maar ook leken algemeen geaccepteerd. Men ontdekt dat er minstens 4 ijstijden zijn geweest. Er was dus eerder sprake van een IJstijdperk met een reeks van koude perioden die ijstijden werden genoemd en warmere tussen perioden waar we nu nog in leven. Figuur 1 geeft een beeld van de omvang van de ijskappen tijdens de laatste ijstijd (in grijs) en in zwart de omvang van de ijskappen tegenwoordig. Alleen het Noordelijk Halfrond is weergegeven. In het Zuidelijk Halfrond was het ook veel kouder in die tijd maar er is daar niet zo veel land waar zich nieuwe ijskappen kunnen vormen. Te zien is de enorme ijskappen(grijs) die toen bestonden en inmiddels nagenoeg volledig zijn verdwenen. Hierbij is de zeespiegel flink gestegen.

Figuur 1 – Vergelijking vergletsjering tussen de laatste IJstijd en het heden

Verklaringen voor het IJstijdperk

Nadat men het bestaan van het IJstijdperk had aanvaard kwamen er 2 vragen op. Hoe heeft de Aarde zo sterk kunnen afkoelen, dat het van een tropisch klimaat dat reikte van de evenaar naar de poolcirkel, in de ijzige koude van het IJstijdperk terecht kwam. Verder vroeg men zich af wat de oorzaak was van de afwisseling van de koude perioden naar de warmere perioden er tussen in. Allerlei theorieën werden gelanceerd. Men kwam met schommelingen aan in zonne-energie en zonnevlekken. Ook zou het te maken kunnen hebben met schommelingen in het gehalte aan broeikasgassen zoals kooldioxide of door stofdeeltjes in de atmosfeer. Maar een samenhangende theorie ontbrak. Halverwege de 19e eeuw kwam men met de theorie van de afwijking van de baan van de Aarde om de zon. Deze wisselt tussen heel excentrisch en bijna cirkelvormig. Dit zou invloed hebben op de hoeveelheid zonne-energie die de Aarde ontvangt. Als de Aarde minder zonne-energie ontvangt zal het afkoelen. Ook werd er vastgesteld dat de hellingshoek van de Aardas niet constant is. Dit zorgt er voor dat de seizoenspatronen anders verlopen. Ook dit zou een effect hebben. Ook zou de precisie van de as van de Aarde er iets mee van doen hebben. Het is een heel complex van ideeën. Het geheel van deze mogelijke verklaringen werd door de Serviër Milutin Milancovic begin van de 20e eeuw  in een samenhangende theorie om gezet. Volgens hem had het er mee te maken dat deze eigenschappen zoals de hellingshoek, de excentriciteit en de precisie veranderen over de tijd in een cyclus die te berekenen valt en zich eeuwig herhaalt. De optelsom van deze cycli van eigenschappen heeft invloed op de hoeveelheid zonne-energie in de zomer in voor vergletsjering kwetsbare gebieden. Deze hebben maar een klein beetje extra nodig om over het randje te gaan van afkoeling. Als de zomers koeler worden zal niet alle sneeuw die in de winter valt kunnen smelten. Dan begint sneeuw en ijs zich op te stapelen en vormen zich gletsjers. Deze sluiten zich aaneen en vormen ijskappen en die blijven door groeien net zolang tot de de optelsom van cycli van richting veranderd en er voor zorgt dat het weer warmer wordt. Dan smelten de gletsjers en ijskappen weer. Dit proces blijft zich herhalen. Hierdoor krijg je een opeenvolging van koude ijstijden ook wel glacialen genoemd en warmere tussen perioden die ook wel interglacialen worden genoemd. Hiermee was de afwisseling in principe verklaard. Milancovic werkte nauw samen met Wladimir Köppen die een objectieve grondslag gaf voor klimaatzones en Alfred Wegener die met de theorie kwam van de continentale drift. Continenten zouden lang geleden een enkel super continent hebben gevormd. Dit viel uiteen met als gevolg dat continenten en oceanen heel anders verdeeld zijn. Hierdoor zou de Aarde langzaam maar zeker afgekoeld zijn tot het in een tijdperk kwam waar de Milancovic cycli in staat waren om de afwisseling tussen glacialen en interglacialen te kunnen veroorzaken. Daar voor was het te warm op Aarde om dat te kunnen doen.

Dit klonk heel mooi maar viel met de toenmalige kennis van zaken over de stratificatie, temperatuur proxies en dateringsmethoden niet of nauwelijks te bewijzen. Verder waren vooral meteorologen van mening dat de schommelingen in zonne-energie te gering zouden zijn om ijstijden te laten ontstaan. Er was echt veel meer nodig dan alleen maar een theorie. Halverwege de twintigste eeuw waren hun ideeën vrijwel vergeten. Ze kwamen er veel te vroeg mee aanzetten. Ook kwam men niet met een mechanisme dat de continenten van plaats zou kunnen veranderen. Het waarom van de afkoeling en de opeenvolging van ijstijden en tussentijden bleef nog steeds een groot raadsel.

Oplossen van de problemen

De wetenschap staat niet stil. Het is volop in beweging. De problemen met de theorie van Wegener over de continentale drift, die heel bruikbaar leek om te verklaren hoe de Aarde  kon afkoelen naar het IJstijdperk, waren welbekend. Het betrof dateringen van verplaatsingen, een mechanisme waardoor de verplaatsing kon plaatsvinden enz. Twee ontdekkingen hielpen hier aan mee de problemen op te lossen. De eerste was de ontdekking dat het magnetisch veld van de Aarde om de zo veel tijd om keert van polen. Dit laat specifieke patronen achter die goed relatief dateerbaar zijn. Zo ontdekten men een streepjespatroon van magnetische verandering aan weerszijden van de midden oceanische bergruggen. Hier werd nieuwe oceaan bodem aan gemaakt. De oude oceaan bodem verdween in troggen en onder continenten waar door bergruggen ontstaan. Hierdoor verschuiven de continenten op wat veel weg heeft van twee lopende banden die in tegengestelde richting uiteen lopen. Met de ontdekking van radioactieve datering methoden kon men de verplaatsing heel nauwkeurig bepalen in de tijd. Hiermee bewees men dat continenten zich kunnen verplaatsen en dit zou kunnen verklaren waarom de Aarde zodanig kon afkoelen dat het van een(sub)tropisch klimaat in het IJstijdperk kon terecht komen. Het verloopt via het proces van plaattektoniek. In figuur 2 is aangegeven hoe de Aarde afkoelde en in de opeenvolging van ijstijden terecht kwam.

Figuur 2 De afkoeling van de Aarde naar het IJstijdperk

De blauwe lijn van 4 miljoen jaar geleden tot het heden laat goed zien hoe de Aarde afkoelde. De  als maar toenemende schommelingen in temperatuur zijn goed te zien. Ook hoe de 41.000 jarige cyclus verdrongen wordt door de 100.000 jarige cyclus. Links staat de temperatuur afwijking te zien en rechts hoe dit is vastgesteld. Namelijk door de verhouding tussen twee zuurstof isotopen. Dit brengt ons tot het tweede deel van de oplossingen die gevonden werden voor de problemen van het ontstaan en schommelen van temperatuur in het IJstijdperk.

Bepaling van de opeenvolging van temperatuur schommelingen

Onderzoek had aangetoond dat de Aarde minstens 4 keer in een ijstijd was terecht gekomen. Maar de Aarde kwam er ook weer uit. We leven nu in wat vermoedelijk slechts een kortstondige warmere  periode is tussen twee ijstijden in. Wat veroorzaakte deze afwisseling? Aan ideeën ontbrak het niet. Probleem was een datering voor de afwisselingen te vinden maar ook een methode om vast te stellen hoe warm of koud het nu precies was. Thermometers bestonden toen nog niet. Wat men nodig had was een proxy voor de temperatuur. Dus iets dat net zo goed werkt. Een ander probleem was een tijdreeks van wat er nu precies was gebeurd. Dus een stratificatie va het IJstijdperk. Boorkernen van de oceaanbodem hielpen hier verder. Men kon aan de hand van fossiele van eencellige diertjes vaststellen dat sommigen hielden van warme omstandigheden en anderen van koude omstandigheden. Door de verhouding te tellen had men een manier om de temperatuur schommelingen vast te stellen. Met behulp van radioactieve dateringen kon men een tijdreeks vast stellen van het IJstijdperk dat steeds verder terug ging in de tijd.

Men ontdekte dat de verhouding tussen zuurstof isotopen ook iets zegt over de temperatuur. Men ging ook over om ijskernen te winnen uit de ijskap van Antarctica. Hiermee kon men een tijdreeks reconstrueren die ruim 800.000 jaar terug gaat in de tijd. Er was een reeks van temperatuur schommelingen. Deze schommelingen kwamen prima overeen met de schommelingen van de Aardas en de Aardbaan zoals Milancovic voorspeld had. Figuur 3 laat goed zien dat er een opmerkelijke overeenkomst bestaat en dat de schommelingen in zonne-energie in de kwetsbare regio rond de poolcirkel een belangrijke rol speelt. Wel blijken er veel meer cycli te zijn dan Milancovic aanvankelijk had mee genomen in zijn berekeningen. Het totaal is van 3 cycli uitgebreid naar inmiddels 7. Ook neemt men aan dat er nog een aantal events bestaat. Dat zijn semi tot quasi periodieke processen zoals de Heinrich event en de Bond event. Hier over is het wetenschappelijke debat nog lang niet gesloten.

Figuur 3 – Milancovic cycli en de ijstijden

Ook het probleem dat de Milancovic cycli op zich niet sterk genoeg zouden zijn om ijstijden te genereren werd opgelost. Men stelde vast dat het CO2-gehalte van de atmosfeer mee beweegt met het patroon van opwarming en afkoeling. Aangezien CO2 een broeikasgas is zal het de temperatuur schommelingen versterken. Een toename van CO2 betekent extra opwarming dan de Milancovic cyclus alleen kan produceren en en een afname betekent extra afkoeling. Men noemt dit versterkend effect ook wel een positieve terugkoppeling. Een andere vorm van positieve terugkoppeling vindt plaats doordat de gevormde ijskappen meer zonlicht zullen weerkaatsen. Dat geeft weer extra afkoeling.  Beide processen bij elkaar op geteld zijn heel goed in staat om de cycli van warmere en koudere perioden te verklaren die zo kenmerkend zijn voor het IJstijdperk. Zie figuur 4 waarbij Milancovic cycli zijn samengevoegd met de schommelingen van het CO2-gehalte.

Figuur 4 – Milancovic cycli en de terugkoppeling van CO2

Het is goed om te bedenken dat de schommelingen in het CO2-gehalte niet de oorzaak zijn van de temperatuur schommelingen. De temperatuur schommelingen worden veroorzaakt door de Milancovic cycli. Het zijn de schommelingen in de temperatuur die de schommelingen in het CO2-gehalte veroorzaken. Schematisch kan men zich dit als volgt voorstellen; Milancovic cycli → temperatuur schommelingen → veranderingen in CO2-gehalte → positieve terugkoppeling. Dit is de natuurlijke manier waarop temperatuur en CO2-gehalte samenhangen. Er bestaat een natuurlijk evenwicht op Aarde tussen de gemiddelde temperatuur en het CO2-gehalte. Het eerste veroorzaakt het tweede. De verandering van het CO2-gehalte koppelt positief door en versterkt de verandering in de temperatuur.

Conclusie

Hoe belangrijk de rol van positieve terugkoppelingen ook lijkt te zijn, uiteindelijk zijn het wel degelijk de Milancovic cycli die temperatuur schommelingen die zo kenmerkend zijn voor het IJstijdperk kunnen verklaren. Dankzij de positieve terugkoppelingen zijn ze in staat om dit te doen. Het is een aaneen schakeling van lange koudere perioden die onderbroken worden door kortstondige warmere tussen perioden. We leven nu op het einde van zo’n warmere tussen periode. Het is onvermijdelijk dat de Aarde weer terug valt in een koudere perioden die we de ijstijd hebben genoemd. Dat kan nog enkele duizenden jaren duren maar het is niet te verhinderen. Maar het is iets wat niemand van ons zal mee maken. Dit in tegenstelling van de huidige opwarming van de aarde. Daar zitten we midden tussen in. De gevolgen zullen we zeker mee maken.

Literatuurlijst

Wikipedia – Ice age

Wikipedia – Glacial periodieke

Wikipedia – Louis Agassiz

Wikipedia – Milutin Milancovic

Wikipedia – Milancovic cycles

Wikipedia – Wladimir Köppen

Wikipedia – Alfred Alfred Wegener