De klimaatgeschiedenis van de aardeInformatie uit ijskernen en andere "natuurlijke archieven"

Stusium Generale Maastricht, dinsdag 15 februari 2005Harro A.J. Meijer

Centrum voor IsotopenOnderzoek, Rijksuniversiteit Groningen

Inhoud:

- Klimaatgeschiedenis: waar en hoe aanwezig?

- IJskernen als klimaat-archief

- Andere natuurlijke archieven

- Oorzaken van klimaatveranderingen

- De laatste 150 jaar en de toekomst

Geschiedenis van het klimaat: hoe weten we daar wat van ?10010100010.000100.0001 miljoen10 miljoen1lengte van het archief (jaren)gedetailleerdheid van het archief (jaren)10010.00011010000,1100.000

documenten / thermometerskronieken / metingen

boomringen dendrochronologie

stuifmeel, plantenresten meren, venen

isotopenijskappen

isotopen, plankton oceaansedimenten

geologiefossielen

isotopen in water

Korte uitleg over isotopen in water

Water-moleculen (H2O) bestaan in verschillende "varianten" Verreweg meest-voorkomend: de 16O-variant Ook komt voor (ca 0.21 %) de 18O-variant Het percentage is overal op aarde vrijwel constant Het percentage wordt beïnvloed door processen van verdamping en

condensatie: waterdamp bevat wat minder 18O, water wat meer Dit verschil is temperatuur-afhankelijk.

De verschillen zijn zeer klein. Ze worden uitgedrukt in een relatieve maat:

18O. Hoe negatiever dit getal, hoe minder 18O

H2O H218OH2O H218Omorelessdifference : ≈ 1 %water evaporation

≈ 0,210 %

≈ 0,208 %

18O = -10 ‰

-40 -30 -20 -10 018VSMOW (‰)

oceaan waterTropische waterdamp

Tropische neerslag

Steeds verder Verarmd rakende neerslag

Steeds verder verarmd rakende waterdamp

Polaire neerslag

lati

tude

Waartoe leidt dit op wereldschaal ?

Isotopes in the global fresh water cycle0-10-20-3018 (‰O ) higher latitude tropical oceanvapourprecipitationcondensationtransportevaporation

-10

-9

-8

-7

-6

-5

0 2 4 6 8 10 12

Groningen

month

-35

-30

-25

-20

-15

0 2 4 6 8 10 12

NE Greenland

18

(‰ )O VSMOW

month

Isotopen in neerslag bevatten informatie over het klimaat !Gebruik "neerslag archieven": de ijskappen op Groenland en Antarctica !

ijskern gelaagdheid

stroomlijn

gletscher

Schematische weergave van een ijskap

"GRIP" deep drilling operation mid-Greenland

EPICA "SITE M" (IMAU Utrecht, januari 2000)

EPICA "SITE M" (IMAU Utrecht, januari 2000)

IJskernresultaten:Recente geschiedenis, zeer gedetailleerd:

Middeleeuwse warme periode

(kolonisatie van Groenland)

-30 -2518O (‰)

Dep

th (

m)

GISP IJskern, Centraal Groenland

-42

-40

-38

-36

-34

-32

0 5000 10000 15000 20000

calibrated age (before present)

GISP2 ice core, summit, central Greenland

Einde van de laatste ijstijd

-480

-460

-440

-420

0 50 100 150 200 250

( )calibrated age kyr before present

Vostok ice core, Antarctica

De laatste twee ijstijden, afgewisseld door tussen-ijstijden

Nieuwste resultaten: Dome Concordia, Europese ijskern op Antarctica

-450

-440

-430

-420

-410

-400

-390

-380

-370

0 100 200 300 400 500 600 700

tijd (ka)

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

-30 -20 -10 0 10 20 30

relatie temperatuur - 18 ( )O model

- (° )condensatie temperatuur C

, huidige klimaat NL

,huidige klimaatGroenland

natter

droger

huidig

, ???ijstijd Groenland

De relatie tussen temperatuur en 18O is echter: - niet-lineair- veranderlijk

isotopen in ijskernen vormen een "proxy-thermometer"

Andere archieven ter vergelijking: (1) 18O in oceaan-sedimenten

Sediment in de vorm van kalk (CaCO3) wordt door organismen aangemaakt:

De O's hierin hebben een "isotoop-relatie" met de O in het zeewater

Temperatuur-informatie ontstaat, want:• Het isotoop-effect in de kalkaanmaak is temperatuur-afhankelijk• De isotopen-samenstelling van het oceaanwater hangt af van de

hoeveelheid landijsBeide effecten versterken elkaar.

"Hoe hoger 18O, hoe kouder het was"

Boren van sediment-kernen op de oceaan-bodem:Boren tot 8000 m diep mogelijk !

Voorbeeld van oceaan sediment-kernen

Periodieke afwisseling van ijstijden en tussen-ijstijden

koud

er

war

mer

3

4

5

ouderdom (miljoenen jaren)

Oceaan sediment-kern tot 2 miljoen jaar oud

Vergelijking van een diepzeekern-archief met de Vostok ijskern

ouderdom (duizenden jaren)

(2) Totaal ander (land !) archief: plantenresten in het veen (vooral stuifmeel)

De tijdas komt tot standDoor 14C-ouderdomsbepalingaan zeer kleine monsters(m.b.v. versneller-technologie)

Pollen-voorkomen => landschap + klimaat !

HOE is het klimaat geweest in het verleden.HOE is het klimaat geweest in het verleden.

Blijkbaar is het klimaat zeer veranderlijkBlijkbaar is het klimaat zeer veranderlijk

Maar: Maar:

WAAROM is het klimaat zo veranderlijk?WAAROM is het klimaat zo veranderlijk?

Beantwoord is : Beantwoord is :

Belangrijkste constatering: Het klimaat is zeer "wankelmoedig":Zeer geringe veranderingen kunnen grote gevolgen hebben.

Oorzaken van de "grote" klimaatveranderingen:Mechanisme nr. 1: De Milankovitch Theorieinsolatieveranderingen door beïnvloedingvan de baan van de aarde door andere hemellichamen

Variatie nutatiehoek (21.5 - 24.5 °)Cyclus ca. 41 ka

ExcentriciteitsvariatieCyclus ca. 100 ka

Variatie aardasstand over de baan(precessie). Cycli ca. 18 en 23 ka

Gevolgen:Cyclische veranderingvan zonnestralingsverdelingover de aarde

De hoeveelheid zonne-energieingestraald op "21 juni"

"Milankovitch" is niet het hele verhaal:De "lange" aardse klimaatgeschiedenis toont soms perioden met ijstijden, soms niet.

mil

joen

en ja

ren

gele

den

Perioden met periodieke ijstijden

Blijkbaar geven de geringe Milankovitch- veranderingen soms wel, en soms geen aanleiding tot grote klimaatveranderingen

start ijstijden

stop ijstijden

geen ijstijden

geen ijstijden

start ijstijden

ijstijden

Mechanisme nr. 2: Continent-verschuivingen (drift)beïnvloeding van 1) albedo (ijsvorming op land?), en 2) oceaanstromingen (energietransport!)

250 Ma

135 Ma

320 Ma

45 Ma

NU

100 Ma

Door "Milankovitch" en "Continental drift" zijn de grote/lange klimaatveranderingen beschreven.

Oorzaken voor de vele kleine(re), snelle(re) veranderingen:

(1) Variaties in de zon zelf: • Lichtintensiteit• Spectrale samenstelling• Deeltjesflux / afscherming kosmische straling

Bekendst: Zonnevlekken

Periodiek verschijnsel:11-jarige cyclus, met een89-jarige cyclus "erbovenop"

satelliet-waarnemingen tonen aan:Zonnevlek-variatie correleert met(zeer geringe !) Zonne-intensiteitvariatie

0

50

100

150

200

1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

Zonnevlekken

waarnemingen

representatie met 11 jarige en89 jarige cycli

Veel aanwijzingen uit klimaat-archieven:Uiterst geringe variaties in de zonne-intensiteit beïnvloeden het klimaat toch !Het mechanisme is tot op heden echter niet begrepen.

• Vulkaan-uitbarstingen

Verdere oorzaken van klimaat-veranderingen/-schommelingen:

• Grootschalige weersystemen (El Niño)

• Variatie in de koolstofcyclus, en dus in de broeikasgasconcentraties

natuurlijk

door de mens veroorzaakt

ijstijd Tussen-ijstijd

• De wereldwijde "transportband" in de oceaan (de "thermo-haliene" circulatie)

"Wankelmoedigheid" en "onvoorspelbaarheid" van het klimaat

Tot slot: Hoe zit het met de afgelopen eeuwen ???

Zien we hier het versterkte broeikaseffect ???

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1850 1900 1950 2000

wereldtemperatuur (land en oceaan)

De basis van het aardse klimaat

aarde

zonlicht

infrarood

broeikasgassen

Zonder broeikasgassen: ≈ -20° C

Met broeikasgassen: ≈ +15 °C

Broeikasgassen zijn er van nature !!

Ons klimaat met meer broeikasgas

aarde

zonlicht

infrarood

Zonder broeikasgassen: ≈ -20° CMet broeikasgassen: ≈ +15 °C

broeikasgas

Met EXTRA broeikasgassen: ????

extra

(CO2)

De menselijke productie van CO2 in perspectief

Een paar Nederlandse cijfers (CBS):

huishoudelijk afval: 500 kg per persoon per jaar daarvan: 100 kg GFT

60 kg oud papier

CO2 ?? 12000 kg per persoon per jaar !!

(wereldwijd: 4000 kg p.p.p.j.)

CO2 concentratie in de lucht

310

320

330

340

350

360

370

380

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Metingen op Mauna Loa (Hawaii) Whorf en Keeling

Hoeveel CO2 is “natuurlijk” ?

260

280

300

320

340

360

380

1000 1200 1400 1600 1800 2000

metingen aan luchtbelletjes uit ijs

260

280

300

320

340

360

380

1000 1200 1400 1600 1800 2000

natuurlijk niveau

metingen aan luchtbelletjes uit ijs

260

280

300

320

340

360

380

1000 1200 1400 1600 1800 2000

start van de Industriële Revolutie

“Natuurlijk” CO2 nog verder terug in de tijd

150

200

250

300

350

400

0100000200000300000400000

metingen aan luchtbelletjes uit ijshonderduizenden jaren terug

ijstijd ijstijdijstijdijstijd

tussen-ijstijdtussen-ijstijd tussen-ijstijd

CO2 nu

300

400

500

600

700

800

0100000200000300000400000

tijd (jaren)

Vostok ijskern, Antarctica

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0100000200000300000400000

tijd (jaren)

De “natuurlijke” methaan-concentratie

methaan nu

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

1900 1920 1940 1960 1980 2000

Mondiale temperatuureffecten (van Dorland, KNMI)

Kwantificeren van "bekende" klimaat-effecten de afgelopen eeuw

vulkanen

el Niño zonsom

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

1900 1920 1940 1960 1980 2000

Vergelijk de som van "bekende" effecten met het echte temperatuursverloop

som van bekende effecten

gemeten temperatuur

versterktebroeikaseffect ?

Is het verschil het versterkte broeikas-effect ??

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

1900 1920 1940 1960 1980 2000

gemeten temperatuur - "bekende" effecten

280

300

320

340

360

380

CO2 concentratie in de atmosfeer

Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC, derde rapport (2001)

Temperatuurstijging in 2100 van 1,5 tot 6 °C, afhankelijk van broeikasgas-emissies

SamenvattingSamenvatting

De klimaatgeschiedenis van onze aarde raakt steeds beter bekend:

Klimaatarchieven worden steeds beter "gelezen"

Het aards klimaat blijkt zeer variabel en "wankel" te zijn

De belangrijke twee drijvende krachten zijn:

De aardbaan om de zon (Milankovitch)

De ligging van continenten ("continental drift")

Deze twee zaken verklaren 75% van de klimaatschommelingen, maar op een slechts semi-kwantitatieve wijze

De overige 25%: zonne-intensiteit, vulkanen, .......

Klimaatarchieven geven vele aanwijzingen voor de buiten-proportionele invloed van minieme zonnefluctuaties op het klimaat. Het mechanisme is echter tot dusver totaal onbegrepen!

Het Broeikas-effect is het kwantitatief best begrepen klimaat-effect. De mensheid is dit broeikaseffect significant aan het versterken.

Er is op dit moment nog geen hard bewijs voor klimaatgevolgen versterking broeikas-effect, maar er zijn zeker ook geen strijdigheden.

Er tekent zich een steeds bredere consensus af richting opwarming.

Gezien de "wankelmoedigheid" van het klimaat:Verrassingen zijn nooit uit te sluiten.

Voorzorgsprincipe: De concentratie broeikasgassen is -op z'n minst- een belangrijke klimaatparameter. Het ongebreideld verhogen van de concentraties is riskant! Vandaar het Kyoto-protocol.

Uitsmijter (1): het klimaat en de kans op Elfstedentochten

temperatuur trend

+zonnevlekken

Extrapolatie

Elfstedentochten gereden

afnemende kansElfstedentocht

De volgende Elfstedentocht de volgende winter of misschien die erna(àls het al lukt !!!) en dat wordt dan de laatste...

-0.5

0

0.5

1

1.5

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

Uitsmijter (2): lange-termijn voorspelling

-450

-440

-430

-420

-410

-400

-390

-80 -60 -40 -20 0 20tijd (ka)

verleden toekomst

ijskerncurve "NU"

ijskerncurve 300 ka terug

ijskerncurve 700 ka terug

Dank voor uw aandacht