1

Milankovitch en klimaatveranderingen

Vroeger probeerden wetenschappers klimaatveranderingen te verklaren door de cyclus van zonnevlekken. Zonnevlekken hangen samen met de zonneactiviteit en dus met de hoeveelheid energie die de zon uitzendt. Die cyclus duurt gemiddeld 11 jaar, maar kan de afwisseling tussen ijstijden en tussenijstijden niet verklaren omdat die cycli veel langer duren.

De Servische wetenschapper Milutin Milankovitch onderzocht daarom hoe de positie van de aarde tegenover de zon de hoeveelheid zonnestraling beïnvloedt. Volgens hem bepaalt vooral de hoeveelheid instraling tussen 50° N en 65° N of ijskappen groeien of smelten.

• Weinig instraling → koelere zomers → sneeuw en ijs smelten niet volledig → ijskappen groeien.

• Veel instraling → warmere zomers → ijs smelt → ijskappen nemen af.

Drie factoren beïnvloeden die instraling:

1. Excentriciteit van de aardbaan

De excentriciteit is de mate waarin de aardbaan afwijkt van een perfecte cirkel.

• Een cirkel heeft excentriciteit 0.

• Hoe elliptischer de baan, hoe groter de excentriciteit.

De excentriciteit van de aarde varieert tussen ongeveer 0,005 en 0,058 in een cyclus van ongeveer 100 000 jaar.

Bij een kleine excentriciteit is het verschil tussen perihelium (kleinste afstand tot de zon) en aphelium (grootste afstand) klein. De aarde ontvangt dan doorheen het jaar bijna evenveel energie.

Bij een grote excentriciteit is het verschil tussen perihelium en aphelium groter. Daardoor ontvangt de aarde in het aphelium minder energie dan in het perihelium. Dit beïnvloedt de sterkte van de seizoenen

2. Inclinatie of obliquiteit van de aardas

De inclinatie is de hoek tussen de aardas en de loodlijn op het eclipticavlak. Die hoek varieert tussen 22,1° en 24,5° in een cyclus van ongeveer 41 000 jaar.

• Grote inclinatie → warmere zomers en koudere winters → sterkere seizoenen.

• Kleine inclinatie → koelere zomers en zachtere winters → zwakkere seizoenen.

De inclinatie beïnvloedt dus de zonnehoogte en de hoeveelheid instraling op aarde.

3. Precessie van de aardas

Precessie is de tolbeweging van de aardas. De aardas verandert langzaam van richting in een cyclus van ongeveer 26 000 jaar.

Vandaag bevindt de aarde zich in januari in het perihelium. Op het noordelijk halfrond is het dan winter. De kleinere afstand tot de zon verzacht de winter een beetje. In juli bevindt de aarde zich in het aphelium, waardoor de zomer minder warm is.

Binnen ongeveer 13 000 jaar zal dat omgekeerd zijn:

• zomer op het noordelijk halfrond tijdens perihelium → warmere zomers;

• winter tijdens aphelium → koudere winters.

Daardoor zullen de seizoenen extremer worden.

1. IJs, albedo en zeespiegel

Bij het begin van een koude periode groeien de ijskappen aan. Daardoor stijgt het albedo van de aarde. Albedo is het weerkaatsingsvermogen van een oppervlak. IJs en sneeuw weerkaatsen veel zonnestraling, waardoor minder warmte door de aarde wordt opgenomen.

Dat veroorzaakt een verdere afkoeling:

• meer ijs → hoger albedo → meer terugkaatsing van zonnestralen → lagere temperatuur → nog meer ijs.

Dit is een voorbeeld van een positieve terugkoppeling, omdat het oorspronkelijke effect versterkt wordt.

Daarnaast zorgt de groei van ijskappen voor een daling van de zeespiegel. Daardoor komt meer land vrij waarop ijskappen verder kunnen uitbreiden, wat de afkoeling opnieuw versterkt.

2. De koolstofcyclus en CO₂

Onderzoek van luchtbelletjes in ijs op Groenland en Antarctica toont aan dat:

• tijdens tussenijstijden de CO₂-concentratie hoger was (tot ongeveer 300 ppm);

• tijdens ijstijden de CO₂-concentratie lager was (tot ongeveer 180 ppm).

CO₂ is het belangrijkste broeikasgas en draagt sterk bij aan het broeikaseffect.

Wetenschappers denken dat veranderingen in de CO₂-concentratie samenhangen met temperatuurveranderingen. Toch tonen metingen dat de stijging van CO₂ vaak pas gebeurde nadat de temperatuur al begon te stijgen. Daarom is het mechanisme complex en spelen de oceanen en de thermohaliene circulatie een belangrijke rol.

3. Thermohaliene circulatie

Ontstaan

De thermohaliene circulatie is een wereldwijd systeem van oceaanstromingen dat ontstaat door verschillen in:

• temperatuur (thermo),

• zoutgehalte (halien).

Warm oppervlaktewater stroomt vanuit de tropen naar het noorden van de Atlantische Oceaan, onder andere richting Groenland en Noorwegen.

Daar:

• koelt het water af;

• stijgt het zoutgehalte door verdamping;

• neemt de massadichtheid toe;

• zinkt het water naar de oceaanbodem.

Het koude, zoute diepwater stroomt daarna naar het zuiden en verspreidt zich via de Indische Oceaan en de Grote Oceaan. Uiteindelijk komt het opnieuw aan het oppervlak en warmt het terug op.

De volledige circulatie duurt ongeveer 1500 jaar.

4. De fysische pomp

De thermohaliene circulatie werkt als een enorme natuurlijke onderwaterpomp die warmte van de tropen naar hogere breedtes transporteert.

Daardoor wordt West-Europa verwarmd, vooral door de Golfstroom.

Als de thermohaliene circulatie verzwakt:

• vermindert de kracht van de Golfstroom;

• bereikt minder warm water Europa;

• koelt het klimaat in West-Europa sneller af.

De oceaan speelt ook een belangrijke rol in de koolstofcyclus:

• opgeloste CO₂ wordt mee naar de diepe oceaan gevoerd;

• de diepe oceaan werkt als een enorm koolstofreservoir;

• oceanen bevatten ongeveer 60 keer meer koolstof dan de atmosfeer.

Wanneer CO₂-rijk water opnieuw opstijgt, kan CO₂ aan de atmosfeer worden afgegeven.

5. De biologische pomp

Ook plankton beïnvloedt de hoeveelheid CO₂ in de oceanen.

Fytoplankton neemt via fotosynthese CO₂ op uit het oppervlaktewater. Wanneer het plankton sterft:

• zakken de resten naar de oceaanbodem;

• bacteriën zetten het opnieuw om in CO₂.

Daarnaast slaan kalkskeletten van plankton en schelpdieren koolstof op in kalkgesteenten. Zo wordt CO₂ langdurig uit de atmosfeer verwijderd.

De biologische pomp helpt dus mee om CO₂ op te slaan in de oceanen.

6. Thermohaliene circulatie tijdens ijstijden

Onderzoek van oceaansedimenten toont aan dat de thermohaliene circulatie tijdens ijstijden zwakker was dan vandaag.

Bij een zwakkere circulatie:

• komt minder CO₂-rijk water naar het oppervlak;

• wordt minder CO₂ aan de atmosfeer afgegeven;

• daalt de temperatuur verder.

7. Het Jonge Dryas

Tijdens de overgang van de laatste ijstijd naar de huidige tussenijstijd vond een plotselinge afkoeling plaats: het Jonge Dryas, ongeveer tussen 12 900 en 11 700 jaar geleden.

De oorzaak was het smelten van de Noord-Amerikaanse ijskap:

• grote hoeveelheden zoet water kwamen in de noordelijke Atlantische Oceaan terecht;

• het zoutgehalte daalde;

• het oceaanwater werd minder zwaar;

• het water zonk minder goed;

• de thermohaliene circulatie viel grotendeels stil.

Gevolgen:

• de gemiddelde wereldtemperatuur daalde ongeveer 3 °C;

• in Groenland daalde de temperatuur zelfs met 4 tot 10 °C;

• ijskappen groeiden opnieuw snel aan.

Ongeveer 11 500 jaar geleden herstelde de circulatie zich en werd het opnieuw warmer in Noordwest-Europa.