Hoe kan het dat uit ijskernen onderzoek blijkt dat soms eerst de temperatuur omhoog ging en daarna pas het CO₂ niveau?

Wat zijn ijskernen

Om deze vraag goed te beantwoorden, moeten we eerst begrijpen hoe ijskernen als klimaatarchief fungeren. Gletsjers ontstaan daar waar in de zomer niet alle sneeuw smelt, zodat elk jaar de laag van meerjarige sneeuw (firn) groeit. Na verloop van tijd, afhankelijk van de lokale klimaatomstandigheden op een diepte tussen 20 en 120 meter, drukt het bovenliggende firnpakket door zijn gewicht de ruimtes tussen de sneeuwkorrels dicht om zo luchtbelletjes te vormen (Figuur 1). Elk luchtbelletje bevat een luchtmonster met dezelfde samenstelling als de atmosfeer ten tijde van de afsluiting. De voortdurende accumulatie van sneeuw aan het oppervlak begraaft dit ijs steeds dieper in de gletsjer. Door ijskernen te boren halen wetenschappers deze tijdcapsules weer naar boven. Laboranten oogsten vervolgens de lucht uit de luchtbelletjes, en bepalen de concentratie van CO₂ en andere (broeikas)gassen. Het ijskernarchief blijkt zeer betrouwbaar: een vergelijking met directe CO₂ metingen in de atmosfeer die begonnen in de jaren '50 van de vorige eeuw (de beroemde 'Keeling curve') laat zien dat de tijdseries naadloos op elkaar aansluiten (Figuur 2).

Figuur 1: Een dun plakje van een Antarctische ijskern (bron: British Antarctic Survey).

Figuur 2: Reconstructie van CO₂ concentratie uit ijskernen geboord in Antarctica (gekleurde cirkels) en directe metingen in de atmosfeer (blauwe lijn). Bron: berkeleyearth.org/dv/10000-years-of-carbon-dioxide/.

Het dateren van ijskernen

Het is belangrijk om de ijskern zo accuraat mogelijk te dateren, zodat we weten hoe oud de lucht op een bepaalde diepte is. Dit is relatief eenvoudig voor ijskernen die zijn geboord op plaatsen waar veel sneeuw valt: deze hebben dikke jaarlagen die we kunnen tellen, net als jaarringen bij een boom. Het nadeel van dikke jaarlagen is dat het diepste ijs niet erg oud is. De Law Dome ijskern, geboord op een plek aan de kust van Oost Antarctica waar veel sneeuw valt, gaat bijvoorbeeld 'maar' 2000 jaar terug in de tijd [1]. Hoe dieper het ijs, hoe lastiger de datering. IJskappen zijn typisch honderden tot duizenden meters dik. Op grote diepte stroomt het ijs zijwaarts met steeds dunnere laagjes tot gevolg ('layer thinning'). Een andere complicatie is dat door de aanwezigheid van een dikke ijskap de aardwarmte moeilijk kan ontsnappen, waardoor aan de onderkant de temperatuur stijgt en op sommige plaatsen het oudste ijs smelt. Op deze plaatsen ontstaan onder het ijs zogenaamde subglaciale meren, zoals Lake Vostok op Antarctica.

CO₂ en temperatuur

De leeftijd van het diepste ijs hangt dus af van de dikte van de ijskap, de dikte van de jaarlagen en of -en zo ja hoe snel- het ijs aan de bodem smelt. De langste ononderbroken en goed gedateerde ijskern-klimaatreeks is ongeveer 800,000 jaar lang en afkomstig van de EPICA [2] Dome C ijskern. Deze is geboord op Dome C in het binnenland van Oost Antarctica, waar de jaarlagen dun zijn, de ijskap dik en de smelt aan de bodem beperkt [3]. De uit deze ijskern bepaalde variaties van CO₂ concentratie en temperatuur laten prachtig zien hoe lange ijstijden en relatief korte tussen-ijstijden elkaar afwisselden met een periode van ongeveer 100,000 jaar (Figuur 3). Op het eerste gezicht variëren CO₂ concentratie en temperatuur hand in hand, maar bij nadere bestudering lijkt de temperatuurstijging aan het einde van ijstijden honderden jaren voor te lopen op de toename van CO₂.

Figuur 3: Tijdseries van CO₂ concentratie (blauw) en temperatuur (rood) van de EPICA Dome C ijskern van 800,000 jaar tot enkele honderden jaren geleden. Huidige CO₂ concentratie aangegeven als blauwe punt rechtsboven.

Dit lijkt in eerste instantie vreemd, maar het is toch wat we zouden verwachten. Dit komt door de Milankovitch cycli, langzame veranderingen over duizenden jaren in de stand van de aardas en de vorm en ligging van de baan van de aarde rond de zon, die het begin en het einde van ijstijden in gang zetten [4]. Ze veroorzaken weliswaar nauwelijks variaties in de totale hoeveelheid zonnestraling die de aarde ontvangt, maar wel relatief kleine veranderingen in de verdeling van zonnestraling over het aardoppervlak en over de seizoenen. De regionale temperatuurveranderingen die hieruit volgen, activeren positieve terugkoppelingen in het klimaatsysteem. Deze terugkoppelingen versterken de kleine veranderingen en luiden daarmee de start of het einde van een ijstijd in.

De CO₂ concentratie in de atmosfeer speelt bij deze terugkoppelingen een cruciale rol [5]. Als bijvoorbeeld aan het begin van een ijstijd ijskappen gaan groeien en de zeespiegel daalt, onttrekt de begroeiing van het nieuwe landoppervlak CO₂ aan de atmosfeer. Bovendien absorbeert kouder oceaanwater effectiever CO₂ uit de atmosfeer. In beide gevallen daalt de CO₂ concentratie in de atmosfeer en koelt deze verder af, waardoor de ijstijd zich verdiept. Ook andere terugkoppelingen zijn actief, bijvoorbeeld als het albedo (de reflectiviteit van de aarde) verandert. Bij het aflopen van de laatste ijstijd speelde de ijs-albedo terugkoppeling een even grote rol als CO₂ [6]. Een aarde met minder ijs absorbeert immers meer zonnestraling, hetgeen de opwarming versterkt.

Nieuwe inzichten

Recent onderzoek zet overigens vraagtekens bij de bevinding dat aan het einde van een ijstijd de temperatuurstijging eeuwen voorloopt op de toename van CO₂. Om de temperatuur uit een ijskern te bepalen gebruiken onderzoekers de fysische samenstelling van het ijs rondom de luchtbelletjes [7]. Maar er zit een behoorlijke periode tussen het tijdstip dat de sneeuw valt (het temperatuursignaal) en het moment dat de luchtbelletjes zich op diepte vormen (het CO₂ signaal). Voor dit leeftijdsverschil ('delta-age'), dat ook nog eens verandert met het klimaat, moet worden gecorrigeerd. In het droge binnenland van Antarctica kan deze correctie tijdens ijstijden oplopen tot enkele duizenden jaren [8]. Door voortschrijdende wetenschappelijke kennis is deze correctie steeds nauwkeuriger bepaald. In recente studies blijft van het faseverschil tussen temperatuur en CO₂ concentratie nog maar weinig over [9]: ze zijn blijkbaar nog nauwer verweven dan we eerder al dachten.

Dat is trouwens niet per se goed nieuws. Figuur 2 liet al zien dat de langzame, natuurlijke variaties in atmosferische CO₂ concentratie voor het begin van de industriële revolutie zijn vervangen door een explosieve toename die samenhangt met het verbranden van fossiele brandstoffen door de mens. Gezien het sterke verband tussen temperatuur en CO₂ in het verleden hoeft het niet te verbazen dat de aarde momenteel sterk opwarmt, met ditmaal CO₂ in de voortrekkersrol. En als niet de helft van de menselijke CO₂ uitstoot was opgenomen door de oceaan en de biosfeer, zou de toename nog eens dubbel zo groot zijn geweest.

Helaas kunnen we onze kennis van terugkoppelingen in het klimaat van het verleden zoals boven beschreven niet een-op-een toepassen op de huidige tijd, daarvoor verschilt een ijstijd-klimaat te veel van het huidige klimaat. Om kantelpunten, zoals het stilvallen van de warme golfstroom in de noordelijke Atlantische Oceaan [10], voor te zijn is het daarom zaak het voorzorgsprincipe te omarmen, met andere woorden, om de uitstoot van CO₂ en andere broeikasgassen zo snel mogelijk tot nul te reduceren.