Hoe ver kan er in de tijd terug gekeken worden naar de hoeveelheid CO₂ in de lucht?

De grote ijstijden van de laatste 800.000 jaar

Voor CO₂ hebben we het grote voordeel dat we voor het allerjongste deel van die geschiedenis, de laatste 800.000 jaar, het CO₂ gehalte in de atmosfeer wel min of meer direct kunnen meten. Die CO₂ zit namelijk opgeslagen in kleine luchtbelletjes in het ijs van de grote ijskappen zoals die van Antarctica. Er is daar in de loop der jaren tot 3 kilometer diep geboord in dat ijs, waarin de geschiedenis van de laatste ijstijden nauwkeurig terug te lezen is. Die geschiedenis wordt vastgelegd omdat de ijskap aan de bovenkant steeds verder aangroeit door de sneeuw die erop valt en die vervolgens omgezet wordt in ijs. Het CO₂ gehalte in die luchtbelletjes geeft dus het CO₂ gehalte van de atmosfeer weer op het moment van de sneeuwval. Daar zit wel enige vertraging in omdat die luchtbelletjes eerst nog van de buitenwereld afgesloten moeten worden op het moment dat de sneeuw in ijs verandert [1, 2].

Figuur 1. Melting sea ice. Photo by Asile Clairette on Unsplash.

In de afgelopen 800.000 jaar laat het CO₂ gehalte regelmatige veranderingen zien die keurig de grote ijstijden volgen die een periode van ongeveer 100.000 jaar hebben. Het CO₂ gehalte fluctueert daarbij tussen 180 ppm (parts per million) voor de glacialen (ijstijden) en 80 ppm tijdens de interglacialen (tussen-ijstijden). De temperatuur die gereconstrueerd is met behulp van een proxy aan het ijs zelf loopt vrijwel gelijk op met deze veranderingen en laat temperatuurschomme­lingen van meer dan 1-2 graden zien. Dit is echter wel de lokale temperatuur op Antarctica, de gemiddelde globale temperatuur veranderde “slechts” met 5 tot 6 graden bij de overgang van een ijstijd naar een tussenijstijd (en omgekeerd). De veranderingen in CO₂ speelden overigens een belangrijke rol bij die temperatuurveranderingen als positief feedback (= terugkoppelings) mechanisme. Hierbij leidt een verlaging van het CO₂ gehalte in de atmosfeer dus tot verdere afkoeling en een verhoging van datzelfde CO₂ gehalte tot een verdere stijging van die temperatuur. Processen die dit soort terugkoppelingsmechanismen veroorzaken zijn bijvoorbeeld de afname van de temperatuur van het oceaanwater, waardoor meer CO₂ opgenomen kan worden en een toename in de opslag van koolstof als organisch materiaal op de zeebodem is.

Uit deze metingen is duidelijk dat de huidige CO₂ concentratie van bijna 420 ppm, waar de mens voor verantwoordelijk is, zich in die afgelopen 800.000 jaar nooit heeft voorgedaan. Recentelijk hebben wetenschappers nog veel ouder ijs van ongeveer 2 miljoen jaar geleden gevonden. Dit geeft een kijkje in de CO₂ en temperatuurveranderingen in de tijd vóór de grote ijstijden toen er kleinere ijstijden waren met een kortere periode van 41.000 jaar. In deze zogenaamde 41.000 jaar was het CO₂ gehalte vergelijkbaar met de laatste 800.000 jaar. De hele lage waardes van 180 ppm van de grote ijstijden werden toen niet bereikt, een teken dat die kleinere ijstijden zoals verwacht een geringere amplitude hebben.

Figuur 2. A ship for scientific research on the ocean. Photo by NOAA on Unsplash.

Proxies voor paleo-CO₂

Voor meer dan 2 miljoen jaar geleden moeten we het dus van proxies hebben om het CO₂ gehalte te reconstrueren en daar zijn er verschillende van. Deze proxies zijn wel wat minder betrouwbaar, waarbij soms verschillende CO₂ waardes worden gevonden als er meerdere proxies worden gemeten. Maar daar is de laatste tijd wel enige vooruitgang mee geboekt, net zoals met de nauwkeurigheid van de metingen zelf. Hieronder zullen we naar een paar van die proxies in meer detail kijken om een idee te krijgen hoe ze werken.

Het gaat hierbij vooral om chemische proxies, zoals isotopen van het element boron (een isotoop is een atoom van hetzelfde element maar met een andere, grotere massa) in mariene kalk (afkomstig van kleine fossieltjes) in diepzeekernen. Daarnaast worden ook koolstof isotopen gebruikt. Deze worden gemeten aan diezelfde mariene kalk, maar ook in organisch materiaal of fossiele bodems. Bij al deze methodes worden dus steeds isotopen van hetzelfde element gemeten, waarbij de verhouding van die isotopen op een of andere manier gekoppeld is aan het CO₂ gehalte.

De boron-isotopenverhouding hangt bijvoorbeeld samen met de zuurgraad van het oceaanwater, die vervolgens weer samenhangt met de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer. Bij de koolstof-isotopen (afkomstig van mariene algen) wordt gebruik gemaakt van de fractionatie (de voorkeur voor de lichte ¹²C boven de zware ¹³C koolstofisotoop), die optreedt bij fotosynthese van de algen en afhankelijk is van de hoeveelheid koolstof in het oceaanwater. Die hoeveelheid is mede afhankelijk van de hoeveelheid CO₂ die uit de atmosfeer is opgenomen (ook nu wordt ongeveer 25% van het door ons uitgestoten CO₂ door de oceanen opgenomen) en dus met het CO₂ gehalte in de atmosfeer zelf. Deze methode is in de praktijk echter nog veel ingewikkelder omdat je onder andere ook de temperatuur van het oceaanwater moet weten.

Er is daarnaast ook nog een biologische proxy waarbij gebruik gemaakt wordt van het aantal stomata of huidmondjes van fossiele bladeren. Bomen en planten gebruiken deze huidmondjes om CO₂ op te nemen maar verliezen ook water via hun stomata. Als er veel CO₂ in de atmosfeer zit hebben ze minder huidmondjes nodig en zal het aantal dus afnemen. Deze methode moet wel gekalibreerd worden aan de hand van planten uit oude herbaria of met proeven in het laboratorium. Er zijn echter ook andere factoren die invloed kunnen uitoefenen op het aantal huidmondjes.

Phanerozoicum, de afgelopen 540 miljoen jaar

Met behulp van deze proxies is de geschiedenis van het CO₂-gehalte in de atmosfeer over het hele Phanerozoicum (de afgelopen 540 miljoen jaar) bepaald. Naast de ijstijden zijn er ook warme tegenhangers, zoals bijvoorbeeld de hyperthermals uit het Eoceen (van 56 tot 34 miljoen jaar geleden). Hyperthermals zijn relatief korte en zeer warme periodes in een tijd dat het al warm was. Deze tijd wordt wel de Greenhouse (broeikas) wereld genoemd, in tegenstelling tot de Icehouse wereld van de afgelopen 34 miljoen jaar. Ook tijdens deze Eocene hyperthermals lopen temperatuur en CO₂ weer gelijk op waarbij het tijdens de meest extreme hyperthermal op de grens van het Paleoceen en Eoceen globaal zo’n 5 tot 6 graden warmer werd dan het al was en het CO₂ gehalte mogelijk steeg naar meer wel 1000 en misschien wel 2000 ppm.

Op langere tijdschalen worden vooral hoge CO₂ waardes gemeten, zoals in het Mesozoicum (~1000-2000 ppm: 66-252 miljoen jaar geleden) en het oudere deel van het Paleozoicum (250-350 Ma: 1000 tot mogelijk 5000 ppm), terwijl er juist lagere CO₂ waarden worden gemeten tijdens het laat Phanerozoicum (~500 ppm: Carboon-Perm), toen er ook grote ijstijden optraden. De belangrijkste factoren die op deze langere termijn de afwisselingen van de Greenhouse- en Icehouse-werelden bepalen zijn de paleogeografie, en veranderingen in de chemische verwering van het gesteente en de spreidingsnelheid van de oceaanbodem. Het wordt echter wel steeds moeilijker om dat paleo-CO₂-gehalte nauwkeurig te bepalen. [4, 5]

Precambrium, nog verder terug in de tijd

Dat laatste geldt zeker ook voor het Precambrium (meer dan 542 miljoen jaar geleden). Hier zijn vooral fossiele bodems, die toen ze gevormd werden in contact stonden met de atmosfeer, voor dit doel gebruikt. Dit onderzoek is wetenschappelijk interessant omdat er wordt aangenomen dat de atmosfeer destijds meer CO₂ moet hebben bevat om de Aarde op te kunnen warmen toen de zon destijds 20-30 % zwakker was dan nu het geval is (de zogenaamde “Faint Sun paradox” ). Vorig jaar is een volledig nieuwe manier gebruikt om het CO₂ gehalte te bepalen. Hiervoor werden 2,8 miljard jaar oude micrometeorieten gebruikt en de oxidatie die ze destijds in de atmosfeer hebben ondergaan kan gebruikt worden om het CO2 gehalte te bepalen. Deze laatste gegevens laten zien dat het CO₂ gehalte destijds waarschijnlijk inderdaad veel hoger was. [4, 5]

De toekomst beter voorspellen

Deze metingen worden echter wel minder betrouwbaar als we verder teruggaan in de tijd. Ze zijn dan ook veel minder belangrijk voor het onderzoek naar het geologisch verleden om de toekomst beter te kunnen voorspellen. Anders zou het te veel appels met peren vergelijken zijn. De randvoorwaarden, zoals de ligging van de continenten (paleogeografie), gebergteketens, oceaancirculatie en vulkanische activiteit, die de werking van het klimaatsysteem in het mede bepalen, waren toen heel anders. Ze geven natuurlijk wel inzicht in die interessante geschiedenis van onze planeet, maar om ook iets over de toekomst te kunnen zeggen, moeten we toch naar de meer recente geologische geschiedenis kijken met dus meer vergelijkbare randvoorwaarden. En dan dus met name naar intervallen toen het CO₂-gehalte vergelijkbaar was met nu, of met gehaltes die ons in de toekomst mogelijk te wachten staan, afhankelijk van hoeveel CO₂ we in de atmosfeer stoppen.

Omdat deze periodes zo lijken op het huidige of toekomstige klimaat, worden deze ook wel analogen genoemd, of deelanalogen omdat er nog steeds wel kleine verschillen in die randvoorwaarden aanwezig zijn. Een belangrijke (deel)analoog is bijvoorbeeld het zogenaamde Pliocene klimaatoptimum rond de 3 miljoen geleden, toen het CO₂-gehalte vergelijkbaar was met nu. In dat onderzoek worden naast de data uit bijvoorbeeld sedimentkernen rond Antarctica ook modellen gebruikt, en die combinatie laat zien dat de zeespiegel toen mogelijk zo’n 10-20 meter hoger stond. Deze gegevens kunnen samen met modellen van groot belang zijn voor voorspellingen van de zeespiegelstijging op langere termijn dan 2100. En je ziet dan ook in het laatste IPCC rapport dat er meer aandacht besteed wordt om bepaalde voorspellingen door te rekenen naar het jaar 2300. [1] Hierbij gaat het dan vooral ook om de zeespiegel, omdat de smeltende ijskappen een hele trage component in het hele klimaatsysteem zijn. Dat wil zeggen dat het afsmelten nog lang door zal gaan, ook als we vandaag abrupt zouden stoppen met de uitstoot van broeikasgassen.

Door die traagheid zijn de ijskappen nog niet in evenwicht met het huidige CO₂-gehalte en temperatuur van de atmosfeer gekomen, waardoor het afsmelten nog langere tijd door zal gaan. Het is dus mogelijk dat we al een belangrijk kantelpunt in het klimaatsysteem gepasseerd zijn.