Bepaling van temperatuur en CO2-gehalte van de aardatmosfeer uit het verleden

IJskernen met daarin luchtbelletjes uit een verleden tijd.

Een bijdrage van Ap Cloosterman.

Waarschuwing vooraf: het opmaakprogramma is niet in staat superschriften en subschriften bij chemische formules correct weer te geven. De lezer wordt derhalve verzocht hierbij zijn fantasie te gebruiken.

Ap Cloosterman:

De meeste lezers kennen ongetwijfeld de grafieken waarin de verandering van de temperatuur en/of het CO2 gehalte van de aardatmosfeer is uitgezet tegen de tijd en dan nog wel van vele honderdduizenden jaren terug.

De vraag is hoe het mogelijk is om deze parameters te bepalen.

Hierbij zijn 3 soorten van onderzoek aan de orde:

  • Het bepalen van het tijdstip in de oudheid (datering).
  • Het bepalen van het CO2 gehalte van de aardatmosfeer behorend bij dit tijdstip.
  • Het bepalen van de verandering in temperatuur van de aardatmosfeer behorend bij dit tijdstip.

Het materiaal of informatie, dat bij dit onderzoek gebruikt wordt, bestaat uit:
► IJskernen, die geboord zijn uit het kilometers dikke poolijs.
► Datering van vulkaanuitbarstingen.
► Calciumcarbonaat afkomstig van skeletten van zeeorganismen.
► Druipsteenformaties.

Datering

De ijskap van Antarctica is gevormd doordat elk jaar een laagje sneeuw achterblijft dat in de zomer niet smelt. Door de enorme druk van het bovenliggende sneeuwpakket worden de luchtkanaaltjes tussen de sneeuwkristallen afgesloten. De aldus ontstane luchtbelletjes bevatten lucht met een samenstelling die gelijk is aan die van de atmosfeer ten tijde van de afsluiting. Door nu een ijskern te boren tot de bodem van de ijskap en deze kern te versnijden tot ijsschijven kan men door middel van onderstaande methodes de ouderdom per schijf vaststellen.

Methode 1: vulkaanas

Vulkaanuitbarstingen uit het verleden helpen ons hierbij. Het vulkanisch materiaal bevat zwavelzuur en komt zelfs in de sneeuw van Antarctica terecht. De elektrische eigenschappen gemeten langs een ijskern laat op die plekken pieken zien. Met behulp van historische geschriften kunnen de juiste vulkanen worden geïdentificeerd en de schijven uit de ijskern nauwkeurig worden gedateerd.

Tien Europese landen, inclusief Nederland, hebben in 1996 een groot internationaal samenwerkingsverband opgezet (‘European Project for Ice Coring in Antarctica’, EPICA) om op Antarctica twee diepe ijskernen te boren, één op Dome C en één in Dronning Maud Land. In het seizoen 2002-2003 werd op Dome C een diepte bereikt van 3200 meter. Het ijs is hier waarschijnlijk 760.000 jaar oud. Het is de oudste ijschronologie die ooit is geboord. EPICA is een groot wetenschappelijk succes. Inmiddels zijn beide kernen onderzocht en zijn de resultaten gepubliceerd in meer dan 200 wetenschappelijke artikelen.

Bron: dr. Michiel van den Broeke (Instituut voor Marien en Atmosferisch onderzoek, Universiteit Utrecht).

Methode 2: C14

Een bekende manier om heel oude materialen te dateren, is de koolstof- of C14-datering. C14 bevat in de kern 2 extra neutronen, die door radioactief verval worden uitgestoten. De halfwaardetijd van C14 is 5800 jaar en dat betekent dat de helft van de hoeveelheid C14 is omgezet in het normaal in de natuur voorkomend C12. Hoe minder C14 er in een materiaal zit, hoe ouder het dus is. Een beperking van deze methode is echter dat deze alleen materialen die niet ouder zijn dan 50.000 jaar kan dateren. Bovendien is de datering niet geschikt voor het dateren van ijs, omdat extra C14 door toedoen van kosmische straling in het ijs geproduceerd wordt.

Methode 3: Krypton 81

Het radioactieve Krypton 81 wordt gevormd door een reactie van het stabiele Krypton 83 met kosmische straling. Dit gebeurt voornamelijk in de hogere luchtlagen. Krypton 81 vervalt onmiddellijk en heeft een halfwaardetijd van 229.000 jaar en is dus uitermate geschikt om zeer oud materiaal te dateren. De kosmische straling gaat niet door ijs heen, waardoor het nieuw gevormde Krypton 83 in het ijs onaangetast blijft. De toename van Krypton 83 is dan een maat voor de ouderdom van het ijs.

Tot voor kort was een analyse onvoldoende nauwkeurig, maar fysici van het Argonne National Laboratory (VS) hebben een nieuw detectie-apparaat ontwikkeld, de Atom Trap Trace Analysis, waarmee nu zeer nauwkeurige metingen mogelijk zijn.

Het bepalen van het CO2 gehalte van de aardatmosfeer behorend bij de datering

De gegevens over het CO2 gehalte uit het verre verleden zijn als volgt verkregen. De ijslaag op de Zuidpool is enkele km. dik. Er wordt hieruit een ijskern geboord. Het onderste ijs is zeer oud. Vervolgens wordt de kern in schijven gesneden. De ouderdom van elke schijf wordt bepaald met de Krypton- of een aanverwante methode. De luchtbelletjes in elke schijf zijn sinds de insluiting niet van samenstelling veranderd. Met een pipetje wordt uit elke schijf van de kern een luchtbelletje gezogen en hiervan bepaalt men het CO2 gehalte.

Het bepalen van de verandering in temperatuur van de aardatmosfeer behorend bij de datering

In zijn artikel “Over boterbloemen in mammoetmagen”, dd. 22 december 2017 trekt Bijkerk in twijfel of de δ18O -analyse (verandering in 18O: toename is +, afname is -) wel de juiste methode is om de temperatuur in kaart te brengen. Hij zegt, dat hiermee niet de temperatuur maar de mate van luchtvochtigheid wordt aangegeven.
Een verandering in het 18O gehalte vindt plaats tijdens de verdamping van zeewater, waarbij 16O gemakkelijker verdampt dan 18O en het gehalte aan 18O in het zeewater toeneemt.

Er zijn nog andere (en wellicht betere) manieren om de verandering van de temperatuur van de aardatmosfeer te bepalen.

De verandering qua mengverhouding van de zuurstofisotopen in het zeewater zelf

Verdamping is de fase overgang van vloeistof naar gas. In het geval de temperatuur en de druk het toelaat, dat er zowel gas als vloeistof aanwezig is, is er sprake van damp. Het zeewater kent dus een fase overgang van water naar damp. De watermoleculen zijn voortdurend in beweging (Brownse beweging) en botsen, waardoor ze van snelheid en richting veranderen. Als een watermolecuul zich in de richting van het oppervlak beweegt en voldoende snelheid heeft kan hij uit de waterfase ontsnappen en er ontstaat verdamping. Naarmate een molecuul zwaarder is zal dit molecuul in de vloeistoffase achterblijven en dus in mindere mate verdampen.

Water bestaat uit 2 atomen waterstof (H) en 1 atoom zuurstof (O): H2O. Het atoomgewicht van een waterstof atoom met 1 proton in de kern is als standaard op 1 gesteld.

Protonen en neutronen hebben ongeveer dezelfde massa. Elektronen hebben nauwelijks massa en worden niet meegeteld in het atoomgewicht. Zuurstof met 8 protonen en 8 neutronen in de kern heeft derhalve het atoomgewicht 16.

 

Zuurstof komt in 3 vormen (isotopen) voor, namelijk als 16O (99,759%), als 17O (0,037%) en als 18O (0,2039%). De kern bevat bij 17O 1 neutron extra en bij 18O 2 neutronen extra. 18O is dus zwaarder dan 16O.

Bij verdamping zullen in eerste instantie de H2(16)O-moleculen uit het water ontsnappen.
H2(18)O-moleculen zullen vanwege hun grotere gewicht gemakkelijker terugvallen. Naarmate het water warmer wordt zullen er steeds meer H2(16)O-moleculen ontsnappen: het zeewater zal dan meer H2(18)O gaan bevatten.

Dus hoe warmer het zeewater aan de oppervlakte hoe groter het percentage aan H2(18)O.

De isotopenverhouding tussen H2(16)O en H2(18)O (δ18O) is een maat voor de temperatuur van het zeewater en wordt gemeten met een massaspectrometer, deze kan nauwkeurig, betrouwbaar en snel de δ18O-waarde vaststellen. De temperatuur van het oppervlaktewater zal niet dezelfde zijn als de temperatuur van de aangrenzende atmosfeer.
Wel zullen langblijvende veranderingen van de temperatuur van de bovenliggende atmosfeer lineaire veranderingen veroorzaken in de temperatuur van het oppervlaktewater.

De metingen worden verricht op de skeletten van planktonische foraminiferen (eencellige diertjes met een uitwendig kalkskelet, die aan het zeeoppervlak leven).

Planktonische foraminiferen

Bij leven nemen deze diertjes zuurstof uit het water op en dit is dus de isotopenverhouding die overeenkomt met de temperatuur van het oppervlaktewater. Als het diertje sterft wordt geen zuurstof meer opgenomen en blijft de isotopenverdeling van zuurstof in het kalkskelet (CaCO3) gehandhaafd zoals die vlak voor zijn dood was.

CaCO3 heeft het diertje geproduceerd uit: Ca(OH)2, CO2 en H2O, waarbij de zuurstof van het watermolecuul uit 16O en 18O kan bestaan.

Omdat de diertjes aan het wateroppervlak leven inhaleren ze water met een isotopen verdeling die overeenkomt met de temperatuur van het oppervlakte water.

Van de kalkoverblijfselen van deze diertjes, die naar de bodem zijn gezakt, wordt de datering en de δ18O bepaald. Op deze manier komt men de ouderdom met de bijbehorende temperatuurverandering van de atmosfeer te weten.

De verandering van de zuurstofisotopen in druipsteenformaties

In grotten wordt druipsteen gevormd uit doorsijpelend regenwater, dat de zuurstofisotopen bevat welke behoren bij de temperatuur van de gevallen regen. Van druipsteenformaties wordt de δ18O-waarde gemeten van de laagjes kalk waar ze uit zijn opgebouwd. Deze waarden weerspiegelen de regionale temperatuur boven de onderzochte grotlocatie. Doordat in de grotten waar deze druipstenen te vinden zijn nauwelijks sprake is van seizoensgebonden temperatuurschommelingen, is de data buitengewoon bruikbaar om klimaatveranderingen over langere periodes te volgen. De meeste druipsteenformaties zijn niet veel ouder dan 10- tot 100 duizend jaar oud.

Het is interessant om de temperatuurcurves uit het verleden, die verkregen zijn met ijskernen en diepzeekernen van planktonische foraminiferen eens met elkaar te vergelijken.

De vormen van de grafieken zijn zeker niet identiek. Wellicht heeft dat te maken, dat de metingen op verschillende plaatsen op Aarde hebben plaats gevonden en er sprake is geweest van regionale klimaatveranderingen. Wel zijn er in de periode tot 400.000 jaar terug evenveel interglacialen en ijstijden. Eén uitspraak staat als een paal boven water: klimaatverandering is de Aardse norm!

Tot slot een (persoonlijk) oordeel

Het onderzoek met de diepzeekernen lijkt mij wat betreft de temperatuurmeting de meest betrouwbare. Bij het onderzoek met de ijskernen is de wolk met waterdruppeltjes veel te afhankelijk van allerlei wisselende omstandigheden, die zij tijdens hun transport naar Antarctica tegen komen.

Te denken valt hierbij aan:
► De vorming van wolken op verschillende plaatsen op de oceaan met verschillende temperaturen of wolkenvorming boven land.
► Passeren van berghellingen, waarbij een groot deel van de waterdruppels als regen of sneeuw “uitregenen”.
► Het passeren van een onstabiele atmosfeer, hetgeen kan inhouden:
– verwarming onderin door aardse straling (reflectie zonlicht);
– afkoeling bovenin door warmte uitstraling van bewolking.

Voor de analyse van het CO2 gehalte van de atmosfeer is de analyse van de luchtbelletjes in de ijskern de enige maar ook betrouwbare methode.

 

Door |2018-01-09T12:20:28+00:0011 januari 2018|16 Reacties

16 Comments

  1. J van der Heijden 11 januari 2018 om 08:41 - Antwoorden

    En natuurlijk is klimaat verandering de norm en er is dan ook niemand die dat bestrijd (maar het waarom en hoeveel en wat verantwoordelijk is en natuurlijk is de conclusie van al dat onderzoek dat de klimaatgevoeligheid hoog is en niet laag)

    en natuurlijk weet iedereen dat een locale proxy een locale proxy en er is dan ook niemand die van een locale proxy mondiale conclusies trekt

    Behalve natuurlijk de ” sceptici” die bijvoorbeeld van een locale proxy van GISP(2) die loopt tot 1855 mondiale conclusies kunnen trekken die lopen tot 2000 (he Erik)

    • Cees 11 januari 2018 om 12:30 - Antwoorden

      Natuurlijk!

    • Erik 11 januari 2018 om 13:03 - Antwoorden

      Vostok data vorige ijstijd + 2 tussenijstijden. CO2 volgt de temperatuur.

      https://www.dropbox.com/s/b8qrlr34yd7ykwh/Screenshot%202018-01-11%2013.00.04.png?dl=0

      • J van der Heijden 11 januari 2018 om 13:16 - Antwoorden

        Erik,

        is dat globaal of op Antarctica ?

        En omdat het volgt op Antarctica betekend dat dat het niet kan leiden?

        • Erik 11 januari 2018 om 16:18 - Antwoorden

          Antarctica, een proxy voor de hele aarde. Vooral als je naar de veranderingen kijkt.
          Voordeel is dat je synchroniteit van T en CO2 erg goed is. Als je deze plek met anderen gaat samenvoegen is dat maar de vraag.
          Als je kijkt naar het Eemien zie je dat de temperatuur fors daalt, terwijl de CO2 nog duizenden jaren hoog blijft. Wijst dit op een leidende rol van CO2?

          • André Bijkerk 11 januari 2018 om 23:16

            Waar het ook op wijst, Erik, is dat we nog geen enkel idee hebben hoe het werkelijk zat. Zie ook mijn eerste reactie hier.

    • Boels 11 januari 2018 om 15:14 - Antwoorden

      “.. natuurlijk weet iedereen dat een locale proxy een locale proxy en er is dan ook niemand die van een locale proxy mondiale conclusies trekt”

      En de meeste klimatologen gebruiken lokale proxies (lokale oppervlaktetempertuur) als een maat voor “het” klimaat 😉

      • J van der Heijden 11 januari 2018 om 15:54 - Antwoorden

        Boels,

        Vertel!

        Natuurlijk wel als het gaat om het Nederlandse klimaat, maar klimaatverandering is natuurlijk een globaal iets en wetenschappers kijken dan ook daar naar

  2. André Bijkerk 11 januari 2018 om 09:42 - Antwoorden

    Beste Ab,

    Whew, dit moet een een hele lange post worden. Misschien maar een apart blog gedicht.en hier de problemen kort aangeven. In mijn artikel had ik het over rotte fundamentsbalken die uit de paleoklimatologie verwijderd moeten worden. Die andere was de isotopen uit de foraminifera.

    Je hebt het hier over planktonische foraminifera maar tegenwoordig is men overgegaan op ‘stacks’van benthische foraminifera, die op de zeebodem leven. Zie bijvoorbeeld the LR04 van Lisiecki en Raymo ( http://lorraine-lisiecki.com/stack.html )

    Aanvankelijk dacht men aan temperatuurvariatie die bepalend zou zijn voor de variatie in isotopen verhoudingen maar de diepzee varieert niet veel in temperatuur. Toen bedacht men het basis effect. Lichte watermoleculen met 16O verdampen makkelijker dan zware met 18O. Wanneer er ijs wordt gevormd gedurende de opbouw van de ijstijden komt het verdampte lichte water nauwelijks meer terug in de oceanen. en wordt dus in het achterblijvende water de concentratie van zwaar water met 18O hoger. Die variatie wordt dus toegedicht aan het ijsvolume en dus de ijstijden, (Shackleton hypothese, ik dacht rond 1965) en dit was allemaal de aanleiding voor het Imbrie boek over de ijstijden.

    Ergens in 1967/1968 echter ontdekte ene Spero dat de isotopenverhouding uit de kalkschelpjes van benthische foraminifera ook buitengewoon gevoelig zijn voor de concentratie van CO2 opgelost in het water. Maar toen was de CO2 grafiek uit de ijskernen van Antarctica nog niet bekend. En toen die wel verscheen, was de studie van Spero al weer lang vergeten. Maar wat je ziet in de foraminifera is hoofdzakelijk dezelfde CO2 grafiek van de ijskernen als directe primaire oorzaak en niet de temperaturen en niet het ijsvolume, die zijn maar secundair en veel kleiner dan men aannam.

    Ik zal dat blog maar gauw afmaken. Het liep wat vertraging op door wat spectaculaire nieuwe ontdekkingen met ingrijpende consequenties (over Heinrich events) die ik nog tracht te duiden.

    • J van der Heijden 11 januari 2018 om 10:39 - Antwoorden

      Nou Andre we wachten op je wetenschappelijke publicatie op het gebied van paleo klimatologie

      Dan heb je ook een reden om de consensus op het gebied van klimatologie om ver te werpen !

      we wachten met spanning af !

  3. Hans Postma 11 januari 2018 om 12:08 - Antwoorden

    “Wel zullen langblijvende veranderingen van de temperatuur van de bovenliggende atmosfeer lineaire veranderingen veroorzaken in de temperatuur van het oppervlaktewater.” Zal best waar zijn, maar zou het niet beter zijn om het om te draaien? Volgens het IPCC is de verhouding tussen energie ter zee vergeleken met die in de lucht namelijk 99 – 1, waarbij de bewegingsenergie (zeestromen) waarschijnlijk niet eens is meegenomen. De opwarming van onderaf (aardwarmte, bewegingsenergie van schuivende aardlagen , zich uitend in (bijvoorbeeld) zich verplaatsend mid atlantisch gebergte en duizenden aard- en zeebevingen per jaar, alsmede onderzees en onder (ant-)arctisch vulkanisme, leidt wellicht tot zoveel energieoverdracht aan de wateren dat deze niet bevriezen.

    Stel dat onderin de zeeen daardoor zo nu en dan een afname van de temperatuur plaatsvindt. Net als in de atmosfeer stromen ook in zee de bovenste lagen naar onderen en andersom terwijl deze watermassa’s zich over grote afstanden vanaf en richting de evenaar verplaatsen (scheef, onder invloed van het coriolis effect). Door stromingen van de opgewarmde waterlagen naar onderen en vice versa wordt dan meer warmte overgedragen (convectie) van warm naar koud. Immers, hoe groter de temperatuurverschillen, hoe meer convectiewarmteoverdracht. Daarmee zal de oppervlaktetemperatuur van de zeeen dalen, en zo wellicht de temperatuur in de lagere troposfeer.
    Dat leidt vervolgens tot langzamere plantengroei en algenbloei. Temperatuur is namelijk – net als CO2 – een onafhankelijke biologische groeifactor.
    Mij dunkt leiden allerlei klimatologen aan “heliocentrisme”. Een overdreven rol toekennen aan de energie die van boven instraalt. Ze hebben een blinde vlek met hun focus op de Top of Atmosphere” radiative balance. Lang niet alle warmte komt van boven.

  4. André Bijkerk 11 januari 2018 om 12:18 - Antwoorden

    Lang niet alle warmte komt van boven, maar zoveel warmte komt er dan ook niet weer van onderen. Ongeveer 0,0916 W/m2 dat moet opboxen tegen gemiddeld zo rond de 360 W/m2 van de zon

    https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_internal_heat_budget

  5. JG van Heusden 11 januari 2018 om 14:27 - Antwoorden

    Aanvulling op bepaling via de ijskap:

    1) er is niet tot aan de vaste grond geboord om vervuiling van het laatste gedeelte te voorkomen
    2) elke de boorkern is ca 11m lang
    3) de jaarringen zijn zichtbaar en worden per kern geregistreed
    4) de kern wordt in 20 stukken gezaagd
    5) elk stuk vertegenwoordigd een periode van ca 50 tot 65 jaar afhankelijk van de diepte
    6) per stuk worden er 3 samples genomen
    7) deze samples worden geanaliseerd

    Conclusie de alzo bepaalde waarden CO2 en temperatuur zijn een benadering van de gemiddelde waarden over een tijdsbestek van 50 – 65 jaar.

    Dit wordt dus nu met dagelijkse metingen vergeleken. Een echte wetenschapper neemt altijd de meetnauwkeurigheid mee voordat er een conclusie getrokken kan worden.

  6. Kees Kolenbrander 11 januari 2018 om 14:46 - Antwoorden

    Natuurlijk moeten we iemand die niet kan spellen héél serieus nemen!

    • Scheffer 11 januari 2018 om 23:22 - Antwoorden

      Inhoudelijk iets te melden?

  7. Kees Kolenbrander 12 januari 2018 om 12:53 - Antwoorden

    Ooit van Gerrit Komrij gehoord?

Geef een reactie

Conform ons Privacybeleid maken wij gebruik van Cookies om onze website beter te laten werken. OK