Wat drijft de ijstijdcyclus?

Bericht van: Ben (Lelystad) , 04-09-2006 23:59 

Wat drijft de ijstijdcyclus?

Door Didier Paillard, gepubliceerd in Science 313, juli 2006.

De blootstelling van het aardoppervlakte aan zonnestralen (instraling) verschilt op tijdschalen van duizenden jaren ten gevolge van veranderingen in de baan van de aarde rond de zon (excentriciteit), de schuine hoek van de aardas (obliquiteit) en in de richting van de omwentelingsas (precessie).

Volgens de theorie van Milankovitch zijn deze veranderingen in instraling verantwoordelijk voor de glaciale cycli die het aardse klimaat hebben gedomineerd gedurende de afgelopen 3 miljoen jaar. Bijvoorbeeld, tussen de 1 en 3 miljoen jaar geleden (van het laat Plioceen tot het vroege Pleistoceen) volgden de glaciale oscillaties een cyclus van 41.000 jaar. Deze oscillaties corresponderen met veranderingen in de instraling ten gevolge van veranderingen in de obliquiteit. Maar gedurende die tijd waren de precessie-gedreven veranderingen in instraling, volgens een 23.000-jarige cyclus, veel sterker dan de veranderingen gedreven door de obliquiteit. Waarom wordt het verloop van de glaciale tijdreeks gedurende die tijdperiode gedomineerd door obliquiteit en niet door de sterkere invloed van de precessie? Hoe kan de Milankovitch theorie aangepast worden om rekening te houden met deze ,,41.000-jaar paradox’’?

Twee verschillende oplossingen uit studies worden in dit artikel gepresenteerd. Het eerste betreft een herziening van hoe de invloed van instraling gedefinieerd moet worden (1), terwijl het tweede suggereert dat de Antarctische ijsvlakte een belangrijke rol kan spelen (2). De twee studies stellen enkele basisprincipes aan de kaak die doorgaans geaccepteerd worden zonder discussie. Op pagina 508 beargumenteert Huybers dat de instraling in de zomer die traditioneel gebruikt wordt in modellen van ijstijden mogelijk niet de beste parameter is. Omdat de balans in ijsmassa afhankelijk is van het feit of de temperatuur boven of onder het vriespunt is, zou een fysiek meer relevante parameter de instraling zijn geïntegreerd over een gegeven drempelwaarde die het smelten van ijs toestaat. Deze nieuwe parameter volgt nauwkeurig een periodiciteit van 41.000 jaar en geeft dus een mogelijke verklaring voor de paradox.

Op pagina 492 uit Raymo et. al. wordt nog een peiler onder het vele onderzoek naar ijstijden ter discussie gesteld, namelijk dat de oostelijke Antarctische ijsmassa voor een significante bijdrage gezorgd kan hebben aan zeespiegelstijgingen gedurende de tijdperiode van de paradox. Het oostelijke deel van de ijsmassa bevindt zich boven land en zou daarom het meest gevoelig zijn voor invloed door instraling, terwijl de westelijke ijsmassa over water ligt en vooral beïnvloed wordt door veranderingen in het zeeniveau. Omdat de invloed van de obliquiteit symmetrisch is in verhouding tot de hemisferen, terwijl de invloed van precessie antisymmetrisch is, zullen de contributies van de noordelijke en zuidelijke ijsmassa’s aan het mondiale totaal aan ijsvolume versterkend werken voor de 41.000-jarige cyclus maar bij de 23.000-jarige cyclus juist tegen elkaar wegvallen, waarmee de paradox verklaart is.

Beide hypothesen kunnen een onderdeel zijn van de oplossing. Het idee van Huybers is gebaseerd op een gegronde en simpele fysische verklaring en is zeker geldig tot zekere hoogte. De hypothese van Raymo et. al. levert een scenario voor een toenemende invloed van de 23.000-jarige cycli bij een kouder klimaat, door een overgang van de landgebaseerde oostelijke Atlantische ijsmassa naar een zeegebaseerde ijsmassa ongeveer 1 miljoen jaar geleden. Het blijkt inderdaad, hoewel niet dominerend, dat de precessionale cycli aanwezig zijn in de klimaatreeksen van h late Pleistoceen. Hoe dan ook kan geen van beide hypothesen een verklaring geven voor het begin van de ijstijden op het noordelijk halfrond ongeveer 3 miljoen jaar geleden. Sterker nog, gedurende de afgelopen één miljoen jaar worden glaciale-interglaciale oscillaties voor een groot deel gedomineerd door een periodiciteit van 100.000 jaar, echter er is nog geen aanverwante invloed door instraling bekend met een dergelijke periodiciteit. Er is momenteel geen consensus over wat deze cycli van 100.000 jaar in het late Pleistoceen veroorzaakt.

De theorieën van Huybers en Raymo et. al. kunnen getraceerd worden terug tot de 19de eeuw. In 184 stelde Adhémar reeds voor dat de ijstijden gedreven werden door veranderingen in de precessie (obliquiteit en excentriciteit waren toen nog onbekend). Omdat precessionale veranderingen antisymmetrisch zijn in verhouding tot de hemisferen, betoogde hij dat Antarctica momenteel geglacieerd is, terwijl een tijd geleden de noordelijke hemisfeer bedekt werd door ijs, wat de geologische veldgegevens verklaart (3). Deze alternatie tussen de hemisferen is vergelijkbaar met (2). Deze theorie werd destijds verworpen door Lyell en door Alexander von Humboldt (3), omdat de hoeveelheid ontvangen energie op aarde niet afhangt van de precessie: meer intense (koudere) winters waren ook korter, met een onveranderd energiebudget aan de bovenkant van de atmosfeer omdat modulaties in de precessie niet alleen de intensiteit maar ook de duur van de seizoenen beïnvloed. Precessie zou daarom het klimaat niet kunnen beïnvloeden, enigszins zoals in (1).

Sinds de 19de eeuw zijn twee ‘families’ van theorieën over de ijstijden naar voren gekomen: de op instraling gebaseerde theorieën van Adhémar, Croll en Milankovitch, en de op CO₂ gebaseerde theorieën van Tyndall, Arrheniusen en Chamberlin (3). De laatstgenoemde theorieën suggereerden dat glacialen gerelateerd waren aan lagere concentraties aan CO₂. Dit wordt nu bevestigd door de grootschalige oscillaties in atmosferische CO₂ zoals gemeten in de Antarctische ijskernen over de afgelopen 650.000 jaar (4). Het is zeker moeilijk om de ijstijden van de afgelopen miljoen jaar te verklaren puur op basis van veranderingen in instraling. In het late Pleistoceen moeten zowel veranderingen in de instraling als de concentraties atmosferische CO₂ een kritische rol hebben gespeeld in de dynamiek van de glacialen, hoewel we nog niet op het punt zijn van een definitieve synthese.

De grote uitdaging is om een theorie over de ijstijden te construeren die niet alleen de veranderingen in de ijsmassa en atmosferische CO₂ kan verklaren, maar ook de start van de glacialen ongeveer 3 miljoen jaar geleden en voor de overgang van 41.000-jarige cycli naar de veel grotere cycli van 100.000 jaar die circa 1 miljoen jaar geleden begonnen. De concentratie atmosferische CO₂ was waarschijnlijk zeer belangrijk de afgelopen miljoen jaar, maar was dit ook het geval tussen het lage Plioceen en het vroege Pleistoceen. Of anders bekeken, als er een theorie puur op basis van instraling geconstrueerd kan worden voor 3 tot 1 miljoen jaar geleden, zoals gesuggereerd door Huybers en Raymo et. al., waarom is dit niet meer het geval voor de afgelopen miljoen jaar?

Een voorlopig scenario, gebaseerd op een quasi-stabiel oceaansysteem (5), bestaat uit een antwoord voor de 41.000-jarige en 100.000-jarige cycli in de vorm van een oceanische schakeling tussen het opslaan en vrijlaten van kooldioxide, afhankelijk van invloeden door de omvang van ijsmassa en instraling, gebaseerd op empirische verbanden. Dit conceptuele model kan worden geëxtrapoleerd naar de toekomst met en zonder antropogene CO₂ uitstoot. De resultaten zijn vergelijkbaar met die van meer complexe modellen (6), waarmee een raamwerk wordt geleverd voor het begrijpen van een waarschijnlijke klimaattoekomst in de context van het klimaat van de afgelopen 3 miljoen jaar.

Halverwege het Plioceen, ongeveer 3,3 tot 3 miljoen jaar geleden, wordt genoemd als een mogelijk moment van analogie met onze toekomstige warmere aarde (7). Deze en de daarop volgende 3-miljoenjarige periode zijn interessant niet alleen vanwege hun klimaat, maar ook omdat gedurende deze periode voor het eerst de Homo habilis op het toneel verscheen. Sterker nog, zij zijn momenteel onze beste gids om te kijken hoe het toekomstig klimaat eruit zal zien voor nieuwe Homo sapiens. De studies van Huybers en Raymo et. al. brengen ons een stap dichter bij het begrijpen van de dynamica van deze vroegere klimaten.

Bronnen
1. P. Huybers, Science 313, 508 (2006).
2. M. E. Raymo, L. E. Lisiecki, K. H. Nisancioglu, Science
313, 492 (2006).
3. E. Bard, C. R. Geosci. 336, 603 (2004).
4. U. Siegenthaler et al., Science 310, 1313 (2005).
5. D. Paillard, F. Parrenin, Earth Planet. Sci. Lett. 227, 263
(2004).
6. D. Archer, A. Ganopolski, Geochem. Geophys. Geosyst. 6,
Q05003 (2005).
7. H. Dowsett et al., Global Planet. Change 9, 169 (1994).  Quote selectie