De klimaatgeschiedenis van de aarde Informatie uit ijskernen en andere "natuurlijke archieven" Stusium Generale Maastricht, dinsdag 15 februari 2005 Harro 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 ? 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 ≈ 0,210 % ≈ 0,208 % 18O = -10 ‰

Waartoe leidt dit op wereldschaal ? Polaire neerslag Steeds verder Verarmd rakende neerslag Steeds verder verarmd rakende waterdamp latitude Tropische neerslag oceaan water Tropische waterdamp 18VSMOW (‰) -40 -30 -20 -10 0

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

Schematische weergave van een ijskap ijskern gelaagdheid stroomlijn gletscher

"GRIP" deep drilling operation mid-Greenland

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

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

Recente geschiedenis, zeer gedetailleerd: -30 -25 d18O (‰) Depth (m) IJskernresultaten: Recente geschiedenis, zeer gedetailleerd: GISP IJskern, Centraal Groenland Middeleeuwse warme periode (kolonisatie van Groenland)

Einde van de laatste ijstijd

De laatste twee ijstijden, afgewisseld door tussen-ijstijden

Dome Concordia, Europese ijskern op Antarctica Nieuwste resultaten: Dome Concordia, Europese ijskern op Antarctica

De relatie tussen temperatuur en 18O is echter:. - niet-lineair De relatie tussen temperatuur en 18O is echter: - niet-lineair - veranderlijk isotopen in ijskernen vormen een "proxy-thermometer"

"Hoe hoger d18O, hoe kouder het was" 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 landijs Beide effecten versterken elkaar. "Hoe hoger d18O, hoe kouder het was"

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

Voorbeeld van oceaan sediment-kernen kouder warmer Periodieke afwisseling van ijstijden en tussen-ijstijden

Oceaan sediment-kern tot 2 miljoen jaar oud 3 4 5 ouderdom (miljoenen jaren)

Vergelijking van een diepzeekern-archief met de Vostok ijskern ouderdom (duizenden jaren)

Pollen-voorkomen => landschap + klimaat ! (2) Totaal ander (land !) archief: plantenresten in het veen (vooral stuifmeel) De tijdas komt tot stand Door 14C-ouderdomsbepaling aan zeer kleine monsters (m.b.v. versneller-technologie) Pollen-voorkomen => landschap + klimaat !

HOE is het klimaat geweest in het verleden. Beantwoord is : HOE is het klimaat geweest in het verleden. Blijkbaar is het klimaat zeer veranderlijk Maar: WAAROM is het klimaat zo veranderlijk? Belangrijkste constatering: Het klimaat is zeer "wankelmoedig": Zeer geringe veranderingen kunnen grote gevolgen hebben.

Oorzaken van de "grote" klimaatveranderingen: Mechanisme nr. 1: De Milankovitch Theorie insolatieveranderingen door beïnvloeding van de baan van de aarde door andere hemellichamen Excentriciteitsvariatie Cyclus ca. 100 ka Variatie nutatiehoek (21.5 - 24.5 °) Cyclus ca. 41 ka

Cyclische verandering van zonnestralingsverdeling over de aarde Variatie aardasstand over de baan (precessie). Cycli ca. 18 en 23 ka Gevolgen: Cyclische verandering van zonnestralingsverdeling over de aarde

De hoeveelheid zonne-energie ingestraald op "21 juni"

"Milankovitch" is niet het hele verhaal: miljoenen jaren geleden "Milankovitch" is niet het hele verhaal: De "lange" aardse klimaatgeschiedenis toont soms perioden met ijstijden, soms niet. Perioden met periodieke ijstijden Blijkbaar geven de geringe Milankovitch- veranderingen soms wel, en soms geen aanleiding tot grote klimaatveranderingen

Mechanisme nr. 2: Continent-verschuivingen (drift) beïnvloeding van 1) albedo (ijsvorming op land?), en 2) oceaanstromingen (energietransport!) 100 Ma 320 Ma start ijstijden geen ijstijden 250 Ma 45 Ma stop ijstijden start ijstijden 135 Ma NU geen ijstijden ijstijden

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 een 89-jarige cyclus "erbovenop" satelliet-waarnemingen tonen aan: Zonnevlek-variatie correleert met (zeer geringe !) Zonne-intensiteitvariatie

Zonnevlekken representatie met 11 jarige en 89 jarige cycli waarnemingen 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.

Verdere oorzaken van klimaat-veranderingen/-schommelingen: • Vulkaan-uitbarstingen • Grootschalige weersystemen (El Niño)

• Variatie in de koolstofcyclus, en dus in de broeikasgasconcentraties natuurlijk ijstijd Tussen-ijstijd door de mens veroorzaakt

"Wankelmoedigheid" en "onvoorspelbaarheid" van het klimaat • De wereldwijde "transportband" in de oceaan (de "thermo-haliene" circulatie)

Tot slot: Hoe zit het met de afgelopen eeuwen ??? Zien we hier het versterkte broeikaseffect ???

De basis van het aardse klimaat Broeikasgassen zijn er van nature !! Zonder broeikasgassen: ≈ -20° C Met broeikasgassen: ≈ +15 °C

Ons klimaat met meer broeikasgas (CO2) Zonder broeikasgassen: ≈ -20° C Met broeikasgassen: ≈ +15 °C Met EXTRA broeikasgassen: ????

CO2 ?? 12000 kg per persoon per jaar !! 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

Hoeveel CO2 is “natuurlijk” ?

“Natuurlijk” CO2 nog verder terug in de tijd

De “natuurlijke” methaan-concentratie methaan nu

Kwantificeren van "bekende" klimaat-effecten de afgelopen eeuw som el Niño zon vulkanen

som van bekende effecten Vergelijk de som van "bekende" effecten met het echte temperatuursverloop gemeten temperatuur versterkte broeikaseffect ? som van bekende effecten

Is het verschil het versterkte broeikas-effect ?? gemeten temperatuur - "bekende" effecten 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

Samenvatting 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 +zonnevlekken afnemende kans Elfstedentocht Extrapolatie Elfstedentochten gereden temperatuur trend De volgende Elfstedentocht de volgende winter of misschien die erna (àls het al lukt !!!) en dat wordt dan de laatste...

Uitsmijter (2): lange-termijn voorspelling Dank voor uw aandacht