Over de volgende ijstijd

‘Dicebat Bernardus Carnotensis nos esse quasi nanos, gigantium humeris insidentes, ut possimus plura eis et remotiora videre, non utique proprii visus acumine, aut eminentia corporis, sed quia in altum subvenimur et extollimur magnitudine gigantea.’

John of Salisbury, Metalogicon (1159)

‘Bernardus van Chartres placht te zeggen dat wij als dwergen zitten op de schouders van reuzen, zodat wij meer en verder zien dan zij, niet zozeer door de scherpte van onze eigen blik of door de lengte van ons lichaam, maar omdat wij in de hoogte worden getild en verheven worden door de grootheid van de reuzen’.

John of Salisbury, Metalogicon (1159)

Zo ben ik ook slechts een dwerg die zit op de schouders van reuzen. Het weinige wat ik zelf doe, is het verband laten zien of het ontbreken daaraan van wat de ware grote geesten aan gedachtegoed hebben gecreëerd. Niets is mijn eigen werk, met uitzondering misschien van hier en daar wat oppervlakkige gedachten, die net zo goed onjuist kunnen zijn.

Op de schouders van reuzen zoals Keppler, Milankovitch, Dansgaard, Cor Langereis, Bas van Geel, Dick Mol en vele anderen, leer je over aardse cycli, isotopenvariatie in een keur aan ‘records’, leeftijdsbepalingen, reconstructies van flora’s en fauna’s, een enorme berg aan data. Om de één of andere reden hebben de reuzen echter zelf niet altijd de neiging op elkaars schouders te gaan staan. Je gaat je toch niet bemoeien met andermans expertise? Maar hierdoor dreigen ze het totale overzicht toch wel een beetje te gaan missen. Dat is heel jammer want dan zouden ze nog veel meer kunnen zien dan ik. Zo kan het zijn dat je vanaf al die schouders toch dingen meent te gaan zien die anderen, zelfs reuzen, wellicht even niet zijn opgevallen. Bijvoorbeeld hoe de ijstijden nu echt werken.

Discussies over de komende ijstijd zijn niet erg in de mode meer, zo langzamerhand lijkt het onderwerp uitgeput. Het VN-klimaatpanel (IPCC) besteedt ook weinig aandacht meer aan dit eens centrale bewijs van global warming. Alles wat het IPCC nu over een volgende ijstijd zegt, is dat het vrijwel zeker is dat deze niet voor het einde van het volgende millennium zal beginnen. Mee eens, maar wanneer dan wel? Laten we daar eens wat dieper induiken.

Om voorspellingen te doen over ijstijden, moet je het mechanisme kennen. De klimaatonderzoekers denken dat de variatie van de baan van de aarde hierin de hoofdrol speelt, samen met het CO2 gehalte in de atmosfeer. Dat mechanisme werd al eens door Al Gore uitgelegd toen hij op die hoogwerker klom om op de CO2 piek te wijzen. In het navolgende zal blijken dat één en ander iets gecompliceerder ligt.

Het eerste teken van ijstijdencycli werd in de jaren vijftig van de vorige eeuw gevonden in diepe boorkernen uit de oceanen. Deze bestaan voor een groot deel uit kalkschelpjes van ééncelligen. De zware isotopen van de zuurstofatomen hierin vertonen in het tijdsverloop van miljoenen een cyclisch gedrag met perioden die enigszins overeenkomen met de duur van ijstijden en interglacialen. Nu verdampen watermoleculen met zwaar zuurstof iets moeilijker dan gewoon water. Als er dus ijskappen worden gevormd gaat hierin voornamelijk ‘licht’ water, waardoor het achtergebleven water in de oceanen wat ‘zwaarder’ wordt, die variatie vind je kennelijk terug in de kalkskeletjes en dit is dan ook de grote centrale verklaring van die ijstijden cycli, zie ook fig. 1, de één na laatste, bordeaux-rode grafiek.

Maar er zijn adders onder het gras, wanneer we verschillende theorieën en datasets gaan vergelijken. Zo kunnen we de berekende variaties in de baan van de aarde vergelijken met de gemeten variatie in de isotopen van de foraminifera kalkskeletjes. Voor doorgewinterde klimaatdiscussianten is dit allemaal gesneden koek maar toch, misschien dit niet meteen overslaan, na het navolgende triviale overzicht komt er echt iets minder bekends.

De variatie van de baan om de aarde bestaat uit drie componenten, de schuinte van de aardas de richting van de aardas, en de afgeplatheid of eccentriciteit (ellipsoide) van de orbit/baan.

Fig. 1 de Milankovitch cycli versus de ijstijden cycli

De eerste cyclus (blauw in fig. 1) is de kanteling van de aardas, die met een periode van 41 duizend jaar rechter op en schuimer gaat staan. We zijn nu halverwege naar meer rechtop. Rechtop klimt de zon in de zomer minder hoog en blijft de zomer in het noordelijke halfrond eveneens kouder.

De tweede en langste periode is die van de eccentriciteit van de ellipsvormige baan (groen in fig. 1). en vormt een combinatie van cycli van 413.000 jaar en ruwweg 100.000 jaar. Hierdoor varieert de afstand tot de zon gedurende het jaar, waardoor een toch wel behoorlijke variatie in zoninstraling kan optreden gedurende periodes van hoge eccentriciteit.

De derde en kortste periode is die van de verandering in de richting waarin de aardas wijst. Deze draait als het ware in een kegelvorm rond en heet precessie (paars in fig. 1). Deze beweging heeft meerdere complexe periodes van rond de twintigduizend jaar. Het gevolg hiervan is dat de zon op het noordelijk halfrond soms in de zomer het dichts bij is en soms in de winter, zoals nu bijvoorbeeld het geval is. Dit maakt de zomers koeler op het noordelijk halfrond en zorgt voor langzamer afsmelten van het winterijs.

Nu heeft men bedacht dat de zomertemperatuur, althans de instraling van de zon van het noordelijk halfrond, met de meeste landmassa, bepalend zou moeten zijn is voor het ontstaan en beëindigen van ijstijden, en wel specifiek de zon-instraling in juli op 65 graden noorderbreedte. Inderdaad in de grafiek (zwart in fig. 1) is te zien hoe deze meer dan honderd watt per vierkante meter kan variëren. In de dieptepunten zou de zon niet sterk genoeg zijn om alle sneeuw in de zomer te laten smelten en dat zou een ijstijd veroorzaken. Zo hebben Imbrie, Shackleton en anderen zo’n 50 jaar geleden de ijstijden al eens verklaard en zo staat het nog steeds in het laatste klimaatrapport van het IPCC.

Onder die instralingsgrafiek zien we de eerder besproken variatie in de zuurstof isotopen van de foraminifera op de oceaanbodem, die een maatgeving moet zijn voor het ijsvolume en we zien daar een vrij sterke honderdduizendjarige cyclus, die niet echt een treffende overeenkomst geeft met de veel kortere cyclus van de instraling, waarin de twintigduizend jarige cyclus lijkt te domineren. Kijk bijvoorbeeld maar eens naar zo’n vierhonderd duizend jaar geleden toen de variatie op de oceaanbodem het grootst was, gebeurde er maar heel weinig met de zoninstraling. Over deze discrepanties zijn heel veel sprookjesboeken geschreven. Maar gelukkig zijn er ook bruikbare studies verschenen.

Een kanjer daarbij is – mijns inziens – Huybers 2006. Vreemd genoeg noemt het IPCC rapport deze studie wel, maar gebruikt het verder niet. De bovenstaande grafiek gaat volgens Huybers namelijk mank wanneer je er de tweede wet van Keppler bijhaalt (staande op de schouders van giganten). Dit komt er op neer dat de baansnelheid van de aarde afhankelijk is van de afstand tot de zon, hoe dichterbij, hoe sneller. Dit betekent dat de periodes met hogere instraling in juli ook kortere zomers hebben, omdat de aarde dan wat sneller voortbeweegt in de baan om de zon. Omgekeerd, met koelere juli’s duurt de zomer ook weer langer omdat de baansnelheid van de aarde lager is. De instraling in juli is dus niet alleen bepalend. Je moet ook de duur van de gehele zomer meenemen, althans zolang er voldoende energie binnenkomt om ijs te smelten. En wat blijkt dan? De variabiliteit van zonne-energie door eccentriciteit en de precessie werken elkaar tegen.

Wanneer de zon dichtbij is, is juli wel warmer maar de zomer duurt ook korter. Wat blijft is vrijwel uitsluitend de variabiliteit ten gevolge van de hoek die de aardas maakt, rechterop of schuiner, de periodiciteit van 41.000 jaar. Maar dit vind je weinig terug in de leerboeken over de ijstijd en de rapporten van het IPCC.

Fig. 2 een deel van fig. 2 van Huybers 2006.

In fig. 2 onder C zien we de correlatie tussen de totale geïntegreerde zomer-instraling (rood) met de verandering (gedifferentieerde) in de zware zuurstofisotopen (dd18O/dt) van de foraminifera uit de LR04 stack (zwart) van Lorraine Lisiecki en Maureen Raymo, tussen twee en één miljoen jaar geleden. De overeenkomst mag redelijk overtuigend worden genoemd, temeer daar in het frequentie domein onder D beide een haarscherpe piek tonen bij ca 0,025 cycles per duizend jaar ofwel een periode van nagenoeg 41.000 jaar dus. Hierbij past echter wel een voorbehoud (dat Huybers niet maakt) dat de precieze datering van de LR04 Stack een combinatie is van oriëntatie van het paleo-aardmagnetisch veld en ‘fine tuning’ met … precies, diezelfde 41.000 jarige cyclus. Deze isotopengrafiek en ook de volgende, zijn dus niet onafhankelijk van elkaar en daarom zien zij er waarschijnlijk te mooi uit om waar te zijn. Maar toch.

Fig. 3 een deel van fig. 2 van Huybers 2006.

Heel anders wordt het wanneer we de laatste miljoen jaar in beschouwing nemen. Dan is het ineens een rommeltje. Er komen onder E in fig. 3 steeds meer rode zon-instralingspieken zonder corresponderende zwarte isotoop pieken.

Bovendien, waar de laatste zwarte pieken wel optreden worden ze steeds sterker dan de rode. In het frequentie domein onder F zien we dat het zon-instralings frequentiespectrum nagenoeg identiek is aan de daaraan voorafgaande miljoen jaar in fig 2 onder D. Bij de isotopen zijn echter verschillende pieken ontstaan, met name de piek bij 0,01 cyclus per duizend jaar, ofwel een periode van honderdduizend jaar. Hier zien we dus nadrukkelijk dat die honderdduizend jarige cyclus in wat we denken ijstijden te zijn, helemaal niets te maken heeft met de zoninstralingsvariatie tengevolge van de Milankovitch cycles, gemodificeerd volgens Huybers 2006. Hoe kan dat nu?

Huybers en ook anderen hebben daar snel een antwoord op: soms slaan de ijstijden een zonnecyclus over en het ijs smelt dan gewoon niet weg. Niet zo vreemd als je bijvoorbeeld de ijskap van Groenland in beschouwing neemt. Die is ook gewoon blijven liggen, toch? Maar kan deze hypothese weerlegd worden? Kijk eens naar het laatste stukje:

We zien halverwege de laatste honderdduizend jaar een duidelijk zomerzonmaximum terwijl de verandering in de isotopen van de foraminifera rond de nul blijft hangen. Dit zou betekenen dat er weinig zou veranderen in het totale ijsvolume op de Aarde. Is dat ook zo? Maar weet je nog,  die leeuwenwelpjes? Die hadden ons ertoe bewogen om eens uit te zoeken hoe het nu toch zat met de ijstijd rond 30-40 duizend jaar geleden. Hierdoor ontdekten we dat mysterie-interglaciaal dat overigens welbekend is onder aardwetenschappers als het Farmdalian interstadial of het Karginsk interglaciaal maar het had zich min of meer aan de waarneming van de paleoklimaatonderzoekers onttrokken.

Het is dus helemaal geen mysterie. Er moest gewoon een interglaciaal zijn volgens het spoorboekje van de zomerzoninstraling. Het was er ook, alleen de isotopen zagen het niet of nauwelijks. Het ijs smolt dus deels wel weg en die uitleg van het overslaan daarvan klopt dus niet. Men moest toch maar eens wat meer op de schouders van reuzen gaan staan.

Dat de isotopen het interglaciaal niet registreerden is een heel ander mysterie. Mijn conclusie is dan ook voorshands dat de honderdduizend jarige cyclus geen klimaatcyclus is. Het is misschien een oceaancyclus en/of een tectonisch/vulkanische cyclus, die maar net zo’n miljoen jaar geleden is begonnen en waarop de isotopen sterker reageren dan op het klimaat.

Tenslotte, de vraag was, wanneer begint de volgende ijstijd? Het lijkt er dus op dat we daarvoor het rookgordijn (van vulkaanstof en CO2) van de honderdduizendjargie cyclus moeten negeren. We moeten dus uitsluitend naar Huybers rode grafiek van de zomerzoninstraling kijken, wanneer dat weer een minimum bereikt. Dat is pas over zo’n twaalf duizend jaar en het is dus nog niet nodig om een extra warme ijsmuts te breien.

Wauw, wat een complexiteit, Overigens, lach niet, het wordt nog erger wanneer we vulkanisme,  CO2 en de temperatuurreconstructies van de ijskernen van Antarctica erbij halen om de variatie in de isotopen te verklaren.  Maar dat komt in een volgend deel.