Klimaatreconstructie + Dateringsmethoden (NLT, 5-VWO) door:Hans Mesman Kandinsky College Nijmegen

Klimaatfactoren: - Temperatuur - Neerslag - Wind- en zeestromingen - Samenstelling van de atmosfeer - Plaats op aarde (land- / zee- / bergklimaat etc.) - Vulkaanuitbarstingen / meteorietinslag - Verschuiving van de continenten - Stralingsintensiteit van zonlicht op aarde (intensiteit van de zon zelf + Milanković cycli) - Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)2

Meetinstrumenten: -Thermometer (ca / It) - Pluviometer (regenmeter, ca. 500 BC / Gr) - Anemometer (windsnelheidsmeter, ca / It) - Barometer (luchtdrukmeter, 1643 / It) - Hygrometer (luchtvochtigheidsmeter, ca / It) - Allerlei apparatuur in satellieten (remote sensing) - Temperatuurstijging wereldwijd gem. ca. 0,6 °C (vanaf Industriële Revolutie, ca. 1850, UK) Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)3

Klimaatgegevens vóór bestaan van meetinstrumenten: * Historische bronnen (0 - ca yr BP): - journaals van dijkgraven - logboeken zeevaart / binnenvaart - handelsregisters / kasboeken / landbouwverslagen - dagboeken / brieven - * Proxy-data = indirecte gegevens (0 – ca. 5·10 9 yr BP): - jaarringen van bomen - pollen - δ- 18 O in foraminiferen in boorkernen (oceaanbodem) - δ- 18 O in boorkernen (landijs) - Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)4

Klimaatreconstructie (paleoklimatologie) N.B. Klimaat ≠ het weer !! Weer = meteorologische omstandigheden op één bepaalde plaats én tijd Klimaat = gemiddelde van het weer over een (zeer) lange periode én over een (zeer) groot gebied Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)5

Dendrochronologie: Andrew Douglas (USA, 1937) * Jaarringen van bepaalde bomen in gematigde zones (vooral eik, douglasspar, sequoia) * Lente en begin zomer: snelle groei, dus dikke jaarring * Herfst en winter: geen groei, dus dunne jaarring De dikte van elke jaarring is afhankelijk van o.a.: - temperatuur - neerslag - bodem (voedingsstoffen, pH etc.) - hoeveelheid zonlicht - CO 2 –gehalte in atmosfeer - Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)6

Dendrochronologie: Jaarringen geven dus informatie over de leeftijd van een boom én over de weersomstandigheden tijdens zijn leven. Chronologische reeks = cross-dating van jaarringen: (0 – ca yr BP in Centraal Europa) * Levende bomen (soms zelf ca yr oud) * Dode bomen (nog staande) * Hout dat is verwerkt in huizen / archeologische vondsten Monsterneming met holle boor Overlappatroon van jaarringen in een bepaald gebied geeft verlenging van de chronologische reeks, dus ook informatie over het toenmalige klimaat!! Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)7

Dendroklimatologie: Variation of tree ring width translated into summer temperature anomalies (deviations from normal) for the past 7000 years, based on samples from holocene deposits on Yamal Peninsula and Siberian now living conifers. Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)8

Pollen (ca. 25 ky): Lennart von Post (S, 1916) * Stuifmeel van planten/bomen * Komen zeer veel voor (in bodem en in landijs) * Blijven zeer lang goed bewaard * Karakteristieke vorm per soort plant of boom (en elk soort heeft zijn eigen klimaatoptimum) ZonnebloemWilgenroosje Boorkernen met pollen vormen dus een soort klimaatkalender!! (zoals temperatuur en neerslag) N.B. Alleen nog maar bepalen hoe oud die pollen zijn... Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)9

Foraminiferen (ca. 650 My): (plankton met kalkskelet) * Komen zeer veel voor (in zeebodem én in aardlagen!) * Fossiliseren zeer goed * Isotopenverhouding 16 O : 18 O in kalkskelet (Ca 2+ CO 3 2− ) is een maat voor de temperatuur van het toenmalige oceaanwater!! Uitleg:H 2 O met 16 O verdampt gemakkelijker dan met 18 O bij lagere T dus relatief meer H 2 18 O in oceaanwater relatief meer 18 O opgenomen / ingebouwd in kalkskelet lagere waarde δ- 18 O (= verhouding 16 O : 18 O ) Video Boorkernen met foraminiferen vormen dus een soort temperatuurkalender van het oceaanwater!! N.B. Alleen nog maar bepalen hoe oud die foraminiferen zijn... Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)10

Foraminiferen: (plankton met kalkskelet) Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)11 The Earth's Glacial Cycles: The last 700,000 years H 2 O with the lighter isotope O-16 evaporates more easily and enters the Earth's water cycle to precipitate as rain or snow. When ice sheets expand, they lock up a relatively larger supply of O-16 in glaciers, leaving relatively less O-16 in the seawater to be incorporated into shell matter. Therefore, higher proportions of O- 18 in foraminifer shells gives a lower value of the O-16 : O-18 ratio (y-axis; Delta O-18), which indicates colder climate conditions.

IJskernen: (Groenland / Antarctica, vanaf 1966) *Jaarlagen (zichtbaar met blote oog) * Hoe dieper, hoe ouder, hoe dichter bij elkaar (microscoop / elektr. geleiding) * Ingesloten gassen analyseren (vb. CO 2 / CH 4 ) * Verhouding H 2 16 O : H 2 18 O is maat voor temperatuur: Uitleg:H 2 O met 16 O verdampt gemakkelijker dan met 18 O bij lagere T dus relatief meer H 2 16 O in atmosfeer relatief meer 16 O in landijs hogere waarde δ- 18 O (= verhouding 16 O : 18 O ) N.B. De waarde δ- 18 O in landijs is tegengesteld aan die in de oceaanbodem !! Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)12

IJskernen: Boorkernen van landijs vormen dus een soort temperatuurkalender van het oceaanwater!! - Groenland (2003): 3085 m diep ≡ ca yr BP - Antarctica (2004): 3270 m diep ≡ ca yr BP * Zure ijslagen zijn indicatie voor vulkanische uitbarsting. Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)13

Klimaatverandering (NLT, 5-VWO) 14 Vostok Ice Core: Temperature + Greenhouse Gasses

Dateringsmethoden *Jaarringen van bomen: terugtellen vanaf heden * Bodemlagen / sedimenten / ijskernen: - terugtellen vanaf heden (Gerard de Geer, S, 1912) N.B. Alleen als er jaarlijks een nieuwe laag bovenop is gekomen!! * Radiometrie Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)15

Radiometrie: * Gebaseerd op radioactief verval van bepaalde elementen A: 14 C -datering (bij organismen) B: 40 K 40 Ar-datering (bij vulkanisch gesteente) C: U-reeks datering (in allerlei gesteentes) Bepaling van het isotopen-gehalte in een monster: - Geiger teller meet hoeveelheid radioactiviteit - Massaspectrometer meet atoommassa’s Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)16

14 C -datering: Willard Libby (USA, 1949) * Bruikbaar voor 0 – ca yr BP * Element koolstof komt in natuur voor als 12 C, 13 C en 14 C (verhouding 12 C : 13 C : 14 C = 98,9 : 1,1 : 10 −12 !) * Alleen 14 C is radioactief * Gehalte van 14 C in levende organismen is constant! * Ná de dood vervalt 14 C tot 14 N + ß-straling, dus steeds minder 14 C in het organisch materiaal aanwezig: - Halveringstijd van 14 C ; t ½ = 5730 yr (BiNaS TB 25) - Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)17

14 C -datering: Opgaven (WC): 1. Tijd is yr. Bereken % radioactiviteit. 2. Gemeten radioactiviteit is 2,4 %. Bereken de verstreken tijd. 3. Waarom is 14 C niet opgeraakt gedurende het bestaan van de aarde? Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)18

40 K 40 Ar -datering: (1960’s) * Bruikbaar voor ca – 10 9 yr BP * Element kalium komt in natuur voor als 39 K, 40 K en 41 K * K zeer veel aanwezig in: mineralen / gesteentes / vulkanisch as * Alleen 40 K (vóórkomen = ca. 0,01 %) is radioactief: 40 K vervalt tot stabiel 40 Ca en 40 Ar (edelgas!!) - Halveringstijd van 40 K ; t ½ = 1,28·10 9 yr (BiNaS TB 25) - Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)19

40 K 40 Ar -datering: Het gas 40 Argon kan alleen ontsnappen uit gesmolten materiaal, maar NIET uit vaste mineralen/gesteentes/as!! Hoe meer 40 Ar aanwezig in vast monster, hoe ouder dat monster dus is. Leeftijd vanaf stollen/kristalliseren is dus te bepalen! 1 e monster: 40 Ar eruit smelten en dan dit gehalte meten. 2 e monster: gehalte 39 K meten en daarmee gehalte 40 K berekenen ( 39 K : 40 K = 93,1 : 0,01 TB 25) Verhouding 40 K : 40 Ar én de halveringstijd van 40 K geeft een maat voor de leeftijd vanaf vorming vaste materie. Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)20

U-Pb datering: (1950’s) * Bruikbaar voor ca. 500 – yr BP * Element uraan komt in natuur voor als 234 U, 235 U en 238 U * U als sporenelement zeer vaak aanwezig in zirkoon (soort zand = mineraal in allerlei gesteentes, zeer goed bestand tegen invloeden zoals hoge temperatuur en chemicaliën) * 235 U en 238 U hebben vervalreeks tot stabiel 207 Pb resp. 206 Pb - Halveringstijd van 235 U ; t ½ = 4,5·10 9 yr - Halveringstijd van 238 U ; t ½ = 7,1·10 8 yr Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)21

U-Pb datering: * Zuiver zirkoon (ZrSiO 4 ) bevat géén lood * 206 Pb en 207 Pb in gesteentes met zirkonia zijn dus afkomstig van de vervalreeks van verontreinigingen met 238 U resp. 235 U * Verhoudingen 206 Pb : 238 U én 207 Pb : 235 U zijn dus beide een maat voor de leeftijd van het zirkoon in het monster (en beide uitkomsten voor de leeftijd moeten dus overeenstemmen!). Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)22

Opgaven (WC): Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)23 4. Met 14 C –datering kan een monster slechts tot ca jaar terug worden bepaald, met 40 K 40 Ar –datering tot wel 10 9 jaar terug! Leg uit waarom dat zo is. 5. Met U–Pb datering kan een monster slechts tot ca jaar terug worden bepaald. Leg uit waarom dat zo is.

Samenvatting: * Het klimaat op aarde verandert voortdurend !!!! (opwarmen verloopt altijd sneller dan afkoelen) * Klimaatveranderingen hebben allerlei oorzaken !! * Vroegere klimaten kunnen worden gereconstrueerd... !! (met o.a. jaarringen / pollen / foraminiferen / ijskernen)... Omdat de bijbehorende monsters kunnen worden gedateerd !! (met o.a. tellen van jaarringen/jaarlagen en radiometrie) Klimaatverandering (NLT, 5-VWO)24