Gedurende de laatste 2,6 miljoen jaar is het klimaat op aarde veranderd tussen glaciale en interglaciale toestanden. Als zodanig, er zijn tijden geweest waarin de overgang tussen de twee klimaattoestanden met regelmatige of onregelmatige periodiciteit verscheen. AWI-onderzoeker Peter Köhler heeft nu ontdekt dat het onregelmatig verschijnen van interglacialen vaker voorkomt dan eerder werd gedacht. Zijn studie levert een belangrijke bijdrage aan ons begrip van de fundamentele klimaatveranderingen op aarde.

Om de rol van de mens in de ontwikkeling van ons huidige klimaat te begrijpen, we moeten lang terugkijken, aangezien er altijd klimaatverandering is geweest – zij het over een heel andere tijdschaal dan de antropogene klimaatverandering, wat vooral te danken is aan het gebruik van fossiele brandstoffen in de afgelopen 200 jaar. Zonder mensen, voor miljoenen jaren, klimaat veranderd tussen glaciale en interglaciale toestanden gedurende perioden van vele duizenden jaren, voornamelijk vanwege de kanteling van de aarde die een paar graden verandert met een periodiciteit van 41, 000 jaar. Dit verandert op zijn beurt de hoek waaronder de zonnestralen de aarde raken - en als zodanig de energie die de planeet bereikt, vooral op hoge breedtegraden in de zomer. Echter, er zijn sterke aanwijzingen dat in de loop van de laatste 2,6 miljoen jaar, interglacialen zijn herhaaldelijk 'overgeslagen'. Het noordelijk halfrond, met name Noord-Amerika, bleef lange tijd bevroren, ondanks dat de hoek van de axiale kanteling zo veranderde dat er in de zomer weer meer zonne-energie de aarde bereikte, die de ijsmassa's in het binnenland hadden moeten doen smelten. Dit betekent dat de kanteling van de aarde niet de enige reden kan zijn waarom het klimaat op aarde verandert tussen glaciale en interglaciale toestanden.

Om de puzzel op te lossen, klimaatonderzoekers onderzoeken nader op welke punten in de geschiedenis van de aarde zich onregelmatigheden hebben voorgedaan. Samen met collega's van de Universiteit Utrecht, natuurkundige Peter Köhler van het Alfred Wegener Instituut (AWI) heeft nu een belangrijke bijdrage geleverd aan het verkrijgen van een duidelijker beeld van de volgorde van ijstijden en interglaciale perioden in de afgelopen 2,6 miljoen jaar. Tot nu, deskundigen dachten dat vooral in de afgelopen 1,0 miljoen jaar, ijstijden en interglacialen week af van hun 41, 000-jarige cyclus, en dat interglaciale perioden werden overgeslagen, waardoor sommige ijstijden 80 duurden, 0000 of zelfs 120, 000 jaar. "Voor de periode tussen 2,6 en 1,0 miljoen jaar geleden, aangenomen werd dat het ritme 41 was, 000 jaar, " zegt Peter Köhler. Maar als zijn studeerkamer, die nu is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie , shows, er waren ook herhaalde onregelmatigheden in de periode tussen 2,6 en 1,0 miljoen jaar geleden.

De studie van Köhler is vooral interessant omdat hij een bekende dataset die onderzoekers al jaren gebruiken, de LR04 klimaatdataset, opnieuw heeft geëvalueerd, maar tot totaal andere conclusies is gekomen. Deze dataset bestaat uit een globale evaluatie van kernmonsters uit diepzeesedimenten die miljoenen jaren oud zijn, en omvat metingen van de oude schelpen van microscopische, eencellige mariene organismen - foraminiferen - die op de oceaanbodem werden afgezet. Foraminiferen nemen zuurstof uit het zeewater op in hun calciumschelpen. Maar in de loop van millennia, het niveau van specifieke zuurstofisotopen - zuurstofatomen met verschillende aantallen neutronen en dus verschillende massa's - varieert in zeewater.

¹⁸ O onthult hoe de wereld er vroeger uitzag

De LR04-dataset bevat metingen van de verhouding van de zware zuurstofisotoop ¹⁸ O naar de aansteker ¹⁶ O. De verhouding van ¹⁸ O/ ¹⁶ O opgeslagen in de schelpen van de foraminiferen is afhankelijk van de watertemperatuur. Maar er is ook een ander effect dat leidt tot relatief grote hoeveelheden ¹⁸ O wordt gevonden in de schelpen van de foraminiferen in ijstijden:wanneer, in de loop van een ijstijd, er is zware sneeuwval op het land, wat leidt tot de vorming van dikke ijskappen, de zeespiegel daalt - in de bestudeerde periode, maar liefst 120 meter. Sinds ¹⁸ O is zwaarder dan ¹⁶ O, watermoleculen die deze zware isotoop bevatten, verdampen minder snel dan moleculen die de lichtere isotoop bevatten. Als zodanig, relatief meer ¹⁸ O blijft in de oceaan en de ¹⁸ O-gehalte van de foraminiferenschelpen neemt toe. "Als je de LR04-dataset tegen de nominale waarde neemt, het betekent dat je twee effecten vervaagt:de invloed van de oceaantemperatuur en die van landijs, of liever die van de verandering van de zeespiegel, ", zegt Peter Köhler. "Dat maakt uitspraken over de afwisseling van de ijstijden onzeker." En er komt nog een factor bij:klimaatonderzoekers bepalen de volgorde van ijstijden vooral aan de hand van de ijstijd op het noordelijk halfrond. ¹⁸ O-waarden laten ons niet toe om te zeggen of prehistorische ijstijd voornamelijk plaatsvond op het noordelijk halfrond of op Antarctica.

Computermodel scheidt de beïnvloedende parameters

In een poging dit probleem op te lossen, Köhler en zijn team evalueerden de LR04-dataset op een heel andere manier. De gegevens werden ingevoerd in een computermodel dat de groei en het smelten van de grote continentale ijskappen simuleert. Wat het onderscheidt:het model is in staat om de invloed van temperatuur en die van zeespiegelverandering op de ¹⁸ O concentratie. Verder, het kan nauwkeurig analyseren waar en wanneer sneeuw valt en het ijs toeneemt - meer op het noordelijk halfrond of op Antarctica. "Wiskundigen noemen deze scheiding een deconvolutie, " legt Köhler uit, "die ons model kan leveren."

De resultaten laten zien dat de volgorde van glacialen en interglacialen zelfs in de periode 2,6 tot 1,0 miljoen jaar geleden onregelmatig was - een bevinding die de komende jaren cruciaal zou kunnen zijn. Als onderdeel van het lopende grote EU-project 'BE-OIC (Beyond EPICA Oldest Ice Core)', onderzoekers boren dieper dan ooit tevoren in het Antarctische ijs. Met de oudste tot nu toe teruggevonden ijskern, 'EPICA', ze hebben 'slechts' ongeveer 800 teruggereisd, 000 jaar in het verleden. Het oude ijs biedt, onder andere, informatie over hoeveel koolstofdioxide de atmosfeer van de aarde op dat moment bevatte. Met 'Beyond EPICA' duiken ze zo'n 1,5 miljoen jaar in het verleden. Door de kooldioxidemetingen te combineren met de analyses van Köhler, waardevolle inzichten kunnen worden verkregen in de relatie tussen deze twee factoren:de fluctuaties in de volgorde van ijstijden en het kooldioxidegehalte van de atmosfeer. En dit kan ons helpen de fundamentele relatie tussen broeikasgassen en klimaatveranderingen in de glaciale geschiedenis van de aarde te begrijpen.