Het verloop van de temperatuur en CO2 concentratie in de laatste 420 duizend jaar laat zien dat beide goed correleren. In de afgelopen eeuw zien we eveneens een parallelle toename van de temperatuur en de concentratie van CO2. De centrale vraag hierbij is dus wat oorzaak en wat gevolg is: stuurt de temperatuur de CO2 concentratie of andersom of is er sprake van een complex samenspel van oorzaak en gevolg? Bij de beantwoording van deze vraag is het van belang om klimaatprocessen op verschillende tijdschalen te onderscheiden.

 

De stijging van het atmosferisch CO2 gehalte van circa 80 ppm in de afgelopen honderd jaar blijkt, uit een schatting, niet te kunnen zijn veroorzaakt door de temperatuurstijging van 0,7 graad over deze periode. Rekening houdend met de tijdsvertraging van achthonderd tot enkele duizenden jaren, tussen temperatuurstijging en de daardoor veroorzaakte CO2 toename, kan het huidige CO2 gehalte ook niet worden verklaard met de temperatuurfluctuaties uit het verleden. Die fluctuaties zijn eenvoudigweg te klein.

 

Temperatuur en broeikasgassen in de laatste 420 duizend jaar
Een cyclus van een ijstijd en een interglaciaal (warme tijd tussen twee ijstijden) beslaat ongeveer honderdduizend jaar (figuur 1). Op die tijdschaal zijn het veranderingen in de baan van de aarde om de zon die de klimaatveranderingen sturen, de zogenaamde Milanković-cycli. De veranderingen in de concentratie broeikasgassen volgen die klimaatveranderingen met een vertraging van ongeveer achthonderd tot enkele duizenden jaren: de broeikasgassen zijn in eerste instantie dus niet de oorzaak van de ijstijden, maar zijn wel belangrijk in het versterken daarvan.

Figuur 1: Lokale temperatuur op Antarctica (rood), CO2 concentratie (zwart) en CH4 concentratie (blauw) in de laatste 420 duizend jaar. Het temperatuursverschil tussen glaciaal en interglaciaal (minimum en maximum van elke cyclus) is op Antarctica ongeveer twaalf graden. Dit komt overeen met ongeveer zes graden wereldwijd.
Bron: IPCC (2001).

Aardbaanparameters en seizoensvariaties
Milanković ontdekte dat de stand van de aardas ten opzichte van de aardbaan met een periode van ongeveer 41 duizend jaar varieert. Dit wordt ‘obliquiteit’ genoemd. Ook varieert de ellipticiteit (of ‘excentriciteit’) van de aardbaan in een periode van honderdduizend jaar van vrijwel cirkelvormig tot een ellips en weer terug naar cirkelvormig. Momenteel is het verschil tussen perihelium en aphelium, respectievelijk de kortste en langste afstand tussen aarde en zon, circa 3%. Verder tolt de aarde, waardoor de poolster eens in de 26 duizend jaar in het verlengde van de aardas staat. Dit wordt de ‘precessie’ genoemd. Hierdoor verschuiven perihelium en aphelium in het seizoen. Momenteel wordt de kortste afstand op 3 januari bereikt, waardoor de instraling van de zon tijdens de winter op het noordelijk halfrond groter is dan tijdens de winter op het zuidelijk halfrond.

 

De aardbaanparameters bepalen de grootte van de temperatuurverschillen op hoge breedte tussen zomer en winter. Als de aardas een grote hoek ten opzichte van de omloopbaan maakt en/of de aarde dichtbij de zon staat in de noordelijke zomer, dan zullen de temperatuurverschillen op het noordelijk halfrond groot zijn. Als de aardas een kleine hoek ten opzichte van de omloopbaan maakt en/of de aarde in de noordelijke winter dichtbij de zon staat, dan is dit verschil kleiner. De excentriciteit van de aardbaan beïnvloedt vooral de mate waarin de precessie van belang is in deze seizoensvariatie.

 

Van interglaciaal naar glaciaal
Glacialen treden op als de seizoenverschillen op het noordelijk halfrond klein zijn: in de warme winters valt er meer sneeuw en in de koele zomers zal daarvan minder smelten. De ligging van de sneeuwgrens of de 0°C isotherm is bepalend voor het afsmelten van het ijs. De hoogte van de 0°C isotherm varieert van plaats tot plaats en is afhankelijk van het seizoen en van de algemene toestand van het klimaat. Zo neemt de luchttemperatuur met de hoogte af en is het aan het aardoppervlak op hogere breedte kouder dan in equatoriale gebieden. Op de evenaar ligt de sneeuwgrens op ongeveer 4800 meter hoogte, in de Alpen rond 2800 meter hoogte en naarmate je noordelijker komt, ligt hij steeds lager. Op een gegeven geografische breedte snijdt de sneeuwgrens het zeeniveau. Nu ligt dat snijpunt in de Noordelijke IJszee. Maar door veranderingen in de aardbaanparameters zakt de sneeuwgrens bij nadering van een ijstijd wereldwijd, waardoor het snijpunt van de sneeuwgrens met het zeeniveau naar het zuiden beweegt. Als op een gegeven moment het snijpunt op het land komt te liggen, kan zich een nieuwe ijskap in Noord-Canada en Noord-Noorwegen beginnen te vormen. IJskappen kunnen namelijk niet op zee ontstaan. Om die reden kan op het zuidelijk halfrond zich ook geen nieuwe grote ijskap vormen. Verder is Antarctica koud genoeg om ook buiten de glacialen met ijs bedekt te zijn. Kleine seizoensverschillen op het zuidelijk halfrond hebben dus veel minder effect.

 

Als er op het noordelijk halfrond éénmaal een ijskap is, versterkt hij zichzelf door de grotere weerkaatsing van zonnestraling. Dit resulteert in afkoeling. Door de groei van de ijskap in zuidelijke richting verandert de vegetatie rond de ijskap: bossen maken plaats voor toendra. Ook dit heeft een hogere weerkaatsing van het zonlicht tot gevolg. Bovendien breidt het areaal van permafrost zich uit, zodat de uitstoot van methaan (een sterk broeikasgas) vermindert. De ijskap groeit tevens vertikaal, de koudere luchtlagen in, waardoor de groei van de ijskap verder bevorderd wordt. Dit zijn allemaal positieve terugkoppelingseffecten, die in dezelfde richting als de astronomisch gestuurde afkoeling van het klimaat werken.

 

Waar blijft het CO2?
Vrijwel overal op aarde maakt het bos in de ijstijden plaats voor drogere vegetatietypen, die minder CO2 (of koolzuurgas) opnemen. Door de aangroei van zeeijs en de verlaging van de zeespiegel neemt het zeeoppervlak af, hetgeen de opname van CO2 door de oceanen bemoeilijkt. Deze processen werken een kleine toename van CO2 in de atmosfeer in de hand. Ten tijde van een ijstijd zit er echter minder koolzuurgas in de atmosfeer, zoals in figuur 1 te zien is. Dit impliceert een forse toename van CO2 in de oceanen. Het oppervlaktewater van de oceanen is min of meer in chemisch evenwicht met de atmosfeer en is dus óók verarmd aan koolzuurgas in de ijstijden. Alleen de diepe oceanen kunnen dan dienen als sink. Hoewel er nog vraagtekens gezet kunnen worden bij de processen die CO2 naar de diepzee voeren, werken de temperatuurdaling van de oceanen en de toename van verticale menging op het zuidelijk halfrond en van diepwater formatie in het Noord-Atlantisch bekken in ieder geval in de goede richting (Kohler et al., 2006). In koud water kan immers meer koolzuurgas opgelost worden dan in warm water.

 

Verder nemen temperatuurcontrasten tussen de polen en de evenaar tijdens een ijstijd toe. Dit veroorzaakt op haar beurt sterkere winden. Met name de passaatwinden zijn van belang. Deze winden blazen warm water (bijvoorbeeld aan de kust van Peru en Chili) van het land af, zodat koud dieptewater omhoog kan komen; de zogenaamde upwelling. Dat koude dieptewater is zeer voedselrijk. Men veronderstelt dat er in dat koude water een enorme opbloei plaatsvindt van eencellige organismen, die al het extra koolzuurgas opnemen. Als ze doodgaan, zinken hun resten naar de diepte, waardoor het koolzuurgas wordt opgeslagen en buiten de koolstofkringloop terecht komt. Dat is de zogenaamde biologische pomp. 

 

Zowel de diepe menging als de vastlegging door de biologische pomp zijn processen die  veel tijd nodig hebben. Dit verklaart waarom bij het begin van een ijstijd de daling van het koolzuurgasgehalte achthonderd tot enkele duizenden jaren (Kawamura et al., 2007) achterloopt bij de daling van de temperatuur.

 

Van glaciaal naar interglaciaal
Door een lager broeikasgehalte en het aangroeien van de ijskap dalen de temperaturen in principe steeds verder, maar valt er ook steeds minder neerslag waardoor de ijsgroei steeds minder wordt. De zeespiegeldaling en de uitbreiding van het zeeijs leiden er toe, dat het wateroppervlak kleiner wordt en hiermee de CO2 opname. Daarnaast daalt het landoppervlak een paar honderd meter door het gewicht van de ijskap, waardoor de sneeuwgrens naar het noorden opschuift. Dit laatste is geen doorslaggevende factor, maar draagt wel bij aan de beëindiging van een ijstijd. Als uiteindelijk ook door veranderingen in de aardbaanparameters de seizoensverschillen groter worden, leidt dat in de polaire zomer tot meer afsmelting en in de winter tot minder neerslag en dus tot minder aangroei van de ijskap. Ook de intrede van het late voorjaar (April-Mei-Juni) lijkt hierbij van cruciaal belang, omdat de albedo sterk afneemt zodra sneeuw en ijs oppervlakken nat worden. Meer warmte vroeger in het jaar leidt dus direct tot een zeer snelle afname van albedo (de ‘albedo-flip’ theorie, zie Hansen et al., 2007) en veroorzaakt een verder slinken van de ijskap. Door de slinkende ijskap wordt het warmer en smelten op termijn grote partijen zeeijs. Zonne-energie wordt daardoor in de poolgebieden beter geabsorbeerd, waardoor de temperatuur nog verder stijgt. De oceanen warmen op waardoor het opgeslagen CO2 weer vrijkomt uit de diepzee en de temperatuurstijging wordt versterkt. Het is overigens nog onduidelijk hoe dit precies in zijn werk gaat. De overgang van glaciaal naar interglaciaal gaat veel sneller dan andersom (figuur 1).

 

Kortom, ijstijden en interglacialen worden primair in gang gezet door variaties in de aardbaanparameters. Echter, de mogelijke ijsbedekking op aarde, door de ligging van de continenten en de mate waarin het land is ‘opgeveerd’ na beëindiging van de vorige ijstijd, bepaalt of een volgende ijstijd mogelijk is.

 

Op grond van verschillen in ijsbedekking tussen ijstijden en interglacialen kan ongeveer de helft van de waargenomen temperatuurvariaties worden verklaard. Het resterende deel is een gevolg van de wisselende hoeveelheden broeikasgassen (Hansen et al., 2007). Uit paleo-klimatologische studies wordt tevens duidelijk dat een hogere concentratie broeikasgassen leidt tot hogere temperaturen. Dit is een relatief snel proces van enkele tientallen jaren. Dat dit toch nog enkele decennia duurt, hangt samen met de warmteopname (warmtecapaciteit) van de oceanen. Anders gezegd: in de langzame processen volgen de broeikasgassen de temperatuur, maar verhoogde broeikasgasconcentraties in de atmosfeer leiden vrij snel tot een extra temperatuurtoename.

 

CO2 Concentratie
De meetreeks van het kooldioxidegehalte in de atmosfeer laat zien dat de concentratie van circa 380 ppm (parts per million; delen CO2 per miljoen delen lucht) anno 2007 beduidend hoger is dan de pieken tijdens de interglacialen (minder dan 310 ppm). Uit onderzoek blijkt dat de toename van CO2, ongeveer 35% sinds het preïndustriële tijdperk, hoofdzakelijk het gevolg is van de verbranding van fossiele brandstoffen. Dit heeft,  voornamelijk sinds halverwege de vorige eeuw, geleid tot een toename van de wereldgemiddelde temperatuur. Als het wereldgemiddelde temperatuurverloop wordt gecorrigeerd voor de natuurlijke factoren is de samenhang duidelijk zichtbaar.

 

Heel markant is ook de snelheid waarmee het CO2 gehalte momenteel in de atmosfeer stijgt: in de laatste 10 jaar met 20 ppm. In de afgelopen 420 duizend jaar is de CO2 concentratie in de relatief snelle overgangsperioden van ijstijden naar interglacialen (circa 10 duizend jaar) met zo’n 100 ppm gestegen (figuur 1). De temperatuur is in dezelfde tienduizend jaar met vijf graden gestegen (figuur 1). Dit staat dus gelijk aan een stijging van het CO2 gehalte van gemiddeld 1 ppm per eeuw en een gemiddelde temperatuurstijging van 0,05 graad per eeuw. Hiermee is meteen duidelijk dat de waargenomen temperatuurstijging van 0,7 graad de huidige stijging van CO2 niet kan verklaren. Immers, als een CO2 stijging van 1 ppm per eeuw door een temperatuurverandering van 0,05 graad/eeuw wordt veroorzaakt, dan zou 0,7 graden opwarming in de periode 1905-2005 tot een CO2 toename van circa 14 ppm hebben moeten leiden. Deze toename zou overigens pas over achthonderd tot enkele duizenden jaren moeten optreden, analoog aan het gevonden tijdsverschil in de ijskernen. In de afgelopen honderd jaar is het CO2 gehalte echter met ongeveer 80 ppm toegenomen. 

 

De temperatuurstijging door het versterkte broeikaseffect van CO2 (en andere broeikasgassen) kan op de langere termijn leiden tot meer CO2 in de atmosfeer op grond van de langzame processen (figuur 1). Door zowel de hogere temperaturen als de verzuring ten gevolge van de opname van CO2 in de oceaan, wordt in de toekomst waarschijnlijk steeds minder van de menselijke CO2 emissies opgenomen door de oceanen en blijft dus meer in de atmosfeer achter. Dit leidt in dat geval tot een extra temperatuurstijging.

 

Laatste update: 22 april 2008
 
Referenties:
Hansen, J., M. Sato, P. Kharecha, G. Russell, D.W. Lea and M. Siddall, Climate change and trace gases, Phil. Trans. R. Soc, 265, pp. 1925-1954, 2007.

 

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Third Assessment Report, Working Group I (WG I): The Scientific Basis, Climate Change 2001.

Kawamura, K., F. Parrenin, L. Lisiecki, R. Uemura, F. Vimeux, J.P. Severinghaus, M.A. Hutterli, T. Nakazawa, S. Aoki, J. Jouzel, M.E. Raymo, K. Matsumoto, H. Nakata, H. Motoyama, S. Fujita, K. Goto-Azuma, Y. Fujii and O. Watanabe, Northern Hemispheric forcing of climate cycles in Antarctica over the past 360,000 years, Nature, 448, pp. 912-916, 2007.

 

 

» meer vragen