Wat waren de natuurlijke oorzaken van de overgang tussen ijstijden en warmere perioden in het verleden?

Wat een leuke vraag! Ik ga mijn best doen een niet al te lang verhaal over ijstijden te schrijven, al wil ik in mijn enthousiasme nog wel eens wat lang van stof zijn. Wees gewaarschuwd!

Laten we even beginnen met de definitie van de term “ijstijd”, want daar bestaat nogal wat verwarring over. Volgens paleoklimatologen (wetenschappers die het klimaat van lang geleden bestuderen) is er sprake van een ijstijd wanneer er zich permanent landijs in minstens één van beide poolgebieden bevindt; momenteel leven we dus in een ijstijd. Deze begon zo’n 34 miljoen jaar geleden. Daarvóór, in het Eoceen, was de aarde zo warm dat zelfs Antarctica (dat zelfs toen al min of meer op de zuidpool lag) vrijwel geheel ijsvrij was. Gedurende het Eoceen daalde de wereldwijd gemiddelde temperatuur langzaam, totdat een kritieke grens werd overschreden. De groeiende gletsjers in de bergen van Antarctica zorgden ervoor dat steeds meer kale rots bedekt werd door sneeuw en ijs, die meer zonlicht terug de ruimte in weerkaatsten. Dat zorgde voor nog meer afkoeling, waardoor de gletsjers nog verder konden groeien: een positieve terugkoppeling. Hierdoor raakte Antarctica in een mum van tijd vrijwel geheel bedekt met ijs – althans, “een mum van tijd” in geologische zin; waarschijnlijk duurde het nog steeds enkele tienduizenden jaren [1].

Sindsdien zit de aarde dus in een ijstijd. Wat de meeste mensen die geen klimatoloog zijn bedoelen wanneer ze het over een ijstijd hebben, is wat wij in het vakgebied een “glaciale cyclus” noemen. Dit zijn periodieke afkoelingen in het wereldwijde klimaat die gemiddeld ongeveer eens in de honderdduizend jaar voorkomen. Glaciale cycli worden veroorzaakt door kleine, periodieke veranderingen in de vorm van de baan van de aarde rondom de zon. De aarde draait in een ellips om de zon (al is die ellips, met een afwijking van amper 1 % bijna een perfecte cirkel), en door de aantrekkingskracht van de andere planeten (vooral die van Jupiter en Venus, maar ook die van onze eigen maan) verandert de vorm van die ellips langzaam. Hierdoor verandert de manier waarop het zonlicht verdeeld wordt over de jaargetijden en over de halfronden; soms is de noordelijke winter extra warm en de zuidelijke zomer extra koud, soms is het juist andersom. Deze veranderingen worden altijd gespiegeld over de jaargetijden; een warme noordelijke zomer betekent een koude noordelijke winter, zodat het effect op de jaargemiddelde temperatuur heel klein is. Een ijskap is echter veel gevoeliger voor veranderingen in zomertemperatuur (een graadje extra in de zomer betekent veel meer smeltende sneeuw) dan in wintertemperatuur (een graadje kouder in de winter resulteert niet in bijzonder veel extra sneeuw). Wanneer de noordelijke zomer extra koud is leidt dit er dus toe dat de sneeuw op de gletsjers in het noordelijk halfrond (met name in Scandinavië en Canada) ’s zomers minder hard smelten. Hierdoor groeien de gletsjers elk jaar een beetje, en door dezelfde positieve terugkoppeling die ook in Antarctica plaatsvond, kan dit uitmonden in een “glaciatie”, waarbij de gletsjers uitgroeien tot ijskappen die hele continenten kunnen bedekken, het resultaat is een ijstijd. [2].

Afbeelding van Trace Hudson via Pexels.com

Terwijl dat de gletsjers groeien, verandert de vorm van de ellips nog steeds. Na een enkele tienduizenden jaren, wanneer de ijskappen al behoorlijk groot geworden zijn, is de situatie omgekeerd: er smelt dan ’s zomers juist extra veel sneeuw. Hierdoor beginnen de ijskappen te krimpen, en komt de onderliggende rots vrij. Deze is heel donker van kleur, en absorbeert dus veel meer zonlicht, waardoor de opwarming versterkt wordt, en de ijskap nog sneller smelt: eigenlijk precies dezelfde positieve terugkoppeling als eerst, maar nu in tegengestelde richting. Dit proces, waarbij de ijskappen in rap tempo smelten, noemen we de “deglaciatie”. Aan het einde van de deglaciatie zijn de ijskappen in Noord-Amerika en Europa weggesmolten, en zijn alleen die op Groenland en Antarctica nog over. De wereld ziet er dan min of meer uit zoals we hem vandaag de dag kennen; deze toestand noemen we een “interglaciaal”, omdat het een relatief korte, warme adempauze is tussen twee glaciale cycli in [2].

Het vorige interglaciaal is ongeveer honderdtwintigduizend jaar geleden. Honderdduizend jaar lang groeiden de ijskappen, tot ze op het laatste glaciale maximum, zo’n twintigduizend jaar geleden, hun hoogtepunt bereikten. Direct daarop begon de deglaciatie, die zo’n tienduizend jaar geleden eindigde (ijskappen smelten veel rapper dan ze ontstaan – waarom precies is een beetje een technisch verhaal!). We zitten nu dus al tienduizend jaar lang in een interglaciaal.

Hier kunnen we een paar belangrijke dingen uit leren. Allereerst lijkt de klimaatverandering van glaciale cycli niet heel veel op wat er nu gebeurt, omdat het zo ontzettend veel langzamer gaat. Zelfs de in geologische zin “snelle” opwarming van de deglaciatie duurt tienduizend jaar. Dat gaat wereldwijd gemiddeld om ongeveer 5 graden Celsius, dus zo’n 0.05 graad per eeuw [3]. Zet dat af tegen de ongeveer 1 graad opwarming van de afgelopen eeuw [4] en je ziet direct het verschil. Ook hebben de glaciale cycli niets te maken met de ondergang van sommige culturen; de laatste deglaciatie was allang afgelopen toen de eerste menselijke beschavingen ontstonden. Overigens is het belangrijk om aan te stippen dat de opwarming zowel tijdens de deglaciatie als vandaag de dag, niet overal op de wereld even snel gaat. Door de positieve terugkoppeling waarbij de afname van sneeuw en ijs leidt tot meer geabsorbeerd zonlicht en dus meer opwarming, warmen de poolgebieden veel sneller op dan de rest van de wereld, terwijl de temperatuur in de tropen relatief weinig verandering laat zien.

Je merkt wel terecht op dat regionale klimaatverandering waarschijnlijk een rol heeft gespeeld in de ondergang van sommige beschavingen. Het sleutelwoord hier is echter “regionaal”. Doordat de totale hoeveelheid energie die de aarde per jaar van de zon krijgt nagenoeg constant is, is het wereldwijd gemiddelde klimaat behoorlijk stabiel; in de tienduizend jaar van het huidige interglaciaal schommelde de wereldwijd gemiddelde temperatuur zelden met meer dan een halve graad [5]. Hoe die energie precies over de aarde verdeeld wordt is echter afhankelijk van oceaanstromingen en windpatronen, en die zijn iets veranderlijker. Regionaal klimaat laat dus meer “variabiliteit” zien: natuurlijke schommelingen. Dit verschilt dan dus weer van de hedendaagse klimaatverandering; zoals de term “global warming” al doet vermoeden zien we nu de hele aarde tegelijkertijd opwarmen (zij het niet overal even snel). Dit kan niet komen door een herverdeling van energie, maar alleen doordat er méér energie binnenkomt of wordt vastgehouden. Het eerste is niet aan de orde (de zon schijnt nog netjes even hard als altijd, dat meten we nu al een paar decennia lang met satellieten [6]), het tweede wel, omdat alle CO2 die wij mensen al ruim een eeuw lang de lucht in pompen ervoor zorgt dat infrarode straling moeilijker de atmosfeer uit komt [7].

Hopelijk heb ik hiermee je vraag beantwoord!