De ijstijden een introductie
Artikel door J.A.
Lang geleden was men zich veel minder bewust van de geschiedenis van de aarde. Deze interesse begon zich te vormen in de loop van de 18e en het begin van de 19e eeuw. In die tijd was het nog zo dat vervoer zowel binnen als tussen landen nog een groot avontuur en risico met zich meebracht. Bergen, heuvels, bossen en rivieren waren nog heuse obstakels. In feite betekende dit juist dat men zeer veel aandacht kon gaan besteden aan deze omgeving waar men doorheen moest reizen. Dit leidde ertoe dat men ook veel wetenschappelijk aantekeningen maakte tijdens dit soort reizen, het ging toch al niet snel dus men kon zich veroorloven om extra rustig aan te doen.
Een van de pioniers die vol van deze gelegenheid gebruik maakte is Louis Agassiz (1807-1873) een in Zwitserland geboren bioloog en geoloog. Hij was als een van de eerste betrokken bij het leggen van een verbinding tussen gletsjers, ijskappen en ijstijden als begrip in de wetenschap en is zelfs de grondlegger van een van de langst bestaande permanente observatiestations van een gletsjer. Door het werk van pioniers en experts als Agassiz kwamen wij dus langzamerhand steeds meer te weten over de gletsjers, met name over groei en smeltfasen, wat hier nog bij ontbrak was de uitleg over de landschapsvorming door de werking van ijskappen en belangrijker nog wat is überhaupt de oorzaak van een ijstijd?
Er is een cyclus
Men weet pas sinds 1976 dat de oorzaak van een ijstijd hoofdzakelijk te herleiden valt naar zogenaamde Milanković-parameters. Dit zijn drie astronomische parameters en hebben te maken met de baan van de aarde en dus de hoeveelheid zonne-energie die ontvangen wordt. Deze parameters hebben hun eigen tijdsverloop en dat is terug te zien aan boorkernen uit diepzeesedimenten. We zien in deze kernen een aantal pieken terug, elk van deze heeft te maken met ten minste één van de Milanković parameters. Om te beginnen is er de precessie met een periode van ongeveer 26.000 jaar. De precessie is de tijd die de aardas nodig heeft om een volledige rotatie te doorlopen, dit wil dus zeggen dat de aardas niet altijd met dezelfde kant naar de zon is gedraaid maar langzaam roteert, waarna er weer een nieuwe precessie cyclus volgt en dit heeft dus invloed op de hoeveelheid zonne-energie per halfrond en wat leidt tot de verschillen per seizoen tussen elk halfrond.
De volgende parameter is de obliquiteit, dit is de variatie van de hoek van de aardas ten opzichte van de baan die de aarde om de zon aflegt gedurende een omloop. Deze hoek varieert van 22,1° tot 24,5° en heeft een periode van ongeveer 41.000 jaar. Een kleinere hoek betekent dat de verschillen tussen zomer en winter kleiner zijn, ofwel de totale energie die wordt ontvangen is kleiner dan bij de grootst mogelijke hoek. Daarnaast is het zo dat de verschillen niet universeel zijn maar gebonden aan de breedtegraad, dit wil dus zeggen dat het effect bij de noordpool groter is dan bij de evenaar.
De laatste parameter die we hier bespreken is de excentriciteit van de aarde. Dit is simpelweg de variatie in de vorm van de baan om de zon onder invloed van de grote planeten, met name Jupiter en Saturnus. De periode van dit fenomeen kent twee variaties, de meest bekende is 100.000 jaar en de andere is 413.000 jaar. De excentriciteit heeft de allergrootse invloed op de ontvangen zonne-energie met een maximale invloed van 23% verschil in energie. Al deze processen dragen dus bij aan de hoeveelheid zonne-energie die we op aarde opvangen en hebben dus een groot effect op seizoenen en het heersende klimaat.
Modern onderzoek
Modern onderzoek laat zien dat het gletsjersysteem zeer dynamisch is en dat is eigenlijk best logisch. Dit heeft alles te maken met de opbouw van een gletsjer, die bestaat uit allemaal laagjes bevroren water, in dit geval ijs gevallen als regen of sneeuw. Omdat het dus uit ijs bestaat heeft de gletsjer allerlei nuttige eigenschappen voor wetenschappelijk onderzoek. Denk hierbij aan de massa en stuwkracht van het ijs, maar ook wat het smeltwater doet met de ondergrond. Deze processen dragen bij aan de landschapsvorming in de nabije omgeving van de gletsjer. De sedimenten die gevormd worden zijn ook zeer uniek. De bal ging rollen bij de wetenschap toen de karakteristieke landschappen van de gletsjers ook gevonden werden zonder de aanwezigheid van een gletsjer of zelfs maar een hint daarvan. Een ijskap is hierbij feitelijk een overtreffende trap van een gletsjer en is vele male groter, hoger en bestaat alleen op een bepaalde latitude tijdens een ijstijd en heeft een permanent karakter, dat wil zeggen: weersinvloeden hebben een minimale impact op de dikte van de ijskap, maar langdurige seizoenseffecten zijn zichtbaar.
Naast de effecten van het seizoen kan ook de nasleep van een gletsjer of ijskap worden onderzocht. Dit doet men door te kijken naar het bodemmateriaal met vragen als, waar is de grens van het keileem en waar zit löss in de grond? Daarnaast is het ook zo dat zeker voor hooggebergtegletsjers er biologisch materiaal wordt bedekt of uit de dooiende massa tevoorschijn komt, denk hierbij aan ijsmummie Ötzi of aan plantaardig materiaal. De ijskappen en gletsjers zijn dus van grote wetenschappelijke waarde, vooral ook omdat de dynamiek van elke individuele ijskap of gletsjer weer anders is omdat de lokale weersomstandigheden anders zijn.
Tot slot
We zien dus dat er veel te leren valt van dit soort systemen, maar er zit nog veel meer onderzoek achter, dit zijn zeer specialistische onderwerpen en worden daarom apart behandeld. Binnenkort zullen er artikelen verschijnen over pollenonderzoek, zuurstofisotoop analyse en nog veel meer interessants.
Origineel artikel door mij geschreven is te vinden op:
Een heel verhaal dat koraal!
“Hoe koralen ons helpen een beeld te krijgen van de omstandigheden uit het verleden vertaald naar het heden.”
Koralen zijn neteldieren binnen het onderrijk Eumetazoa en behoren tot het fylum Cnidaria, de meeste van de bij ons bekende koralen zijn verder onderverdeeld binnen de klasse Anthozoa. We vinden echter ook sommige koralen in de klasse Hydrozoa (Kwallen). Ze leven vrijwel uitsluitend sessiel d.w.z. aan een substraat gebonden en niet vrij-levend (zoals Haring of een walvis.). De vorm waarin het koraal dan wordt aangetroffen wordt door biologen poliep genoemd. Ze hebben ook een larvaal stadium, dit noemt men een planule. Een verschil met echte kwallen die een andere verdeling van levensstadia tonen namelijk door van poliep in vrij levende Medusa te veranderen.
Veel koralen ( de zogenoemde steenkoralen) vormen in hun leven een exoskelet (extern skelet) van Calciumcarbonaat wel te verstaan in de vorm van het mineraal Calciet of Aragoniet. Deze skeletjes vormen uiteindelijk dus de rotsachtige structuren die wij dan als koraal rif kennen. De door koraal gevormde kolonies zijn uitzonderlijk belangrijk voor de biodiversiteit aangezien er zeer veel functies door worden vervuld, denk aan bescherming, nestvorming, doorbreking van stroming en ondersteuning voor andere organismen (zee anemoon etc). Helaas is het ook zo dat veel van deze steenkoralen kwetsbaar zijn voor vervuiling van het zeewater, schade door visvangst en klimaatverandering. Vooral de opwarming van het zeewater is hierbij een punt. De optimumtemperatuur van een koraal is namelijk beperkt en wel doordat koralen een symbiose aangaan met fotosynthethiserende dinoflagellaten van het genus Symbiodinium die het koraal van een groot deel van energie en nutriënten voorziet. Het is deze symbiose die onderdruk komt te staan als de watertemperatuur in de omgeving van deze (veelal) tropische koralen teveel stijgt en dit bereik is maar smal, veel meer dan 1 – 2 graden kan het water niet stijgen voordat er schade is. Het koraal vertoont dan bleking wat inhoudt dat de dinoflagellaten uit de cellen zijn verdreven(na afsterven) en het kalkskelet is achtergebleven. De symbionten geven het koraal dus kleur en functie.
Deze voorspelbaarheid geeft ons onderzoekers de mogelijkheid om verschillende zaken in het heden en verleden uit te kunnen zoeken. Zo kun je de minimale en maximale groeidiepte van een rif berekenen en daarmee een gemiddeld zeeniveau van een periode reconstrueren. Ook met het kalkskelet kunnen er reconstructies worden gemaakt, het koraal groeit immers alleen als de condities juist zijn en de samenstelling van het koraal zal dan gelijk moeten zijn aan de samenstelling van het zeewater op dat moment. Het is zelfs zo dat er seizoensgebonden effecten kunnen worden uitgelezen die het beste kunnen worden vergeleken met de manier waarop we naar de jaarringen van bomen kijken.
De samenstelling van de door calciet of aragoniet gevormde kristallen en de ingesloten isotopen van de elementen geven ons inzicht in lokale condities en kunnen inzicht geven in de ouderdom als enkele van deze isotopen niet stabiel maar radioactief zijn, dit fenomeen wordt niet alleen gebruikt voor het mineraal zelf, maar ook eventuele verontreiniging binnen het kristalrooster (of het hele organisme) wordt bekeken. Hier maakt men dan gebruikt van Uranium/Thorium verval en de aan deze elementen gebonden chemische eigenschappen. In een laboratorium zal bijvoorbeeld de oplosbaarheid zijn vastgesteld zodat we weten dan een bepaalde isotoop van Thorium niet kan worden opgenomen in een kristal rooster onder de geldende omstandigheden en dus alleen kan worden aangetroffen als deze gevormd is door radioactief verval. Hiermee kan een tijdsberekening worden uitgevoerd om de ouderdom van een rif te bepalen. Dit werkt ook als het rif door tektonische activiteit boven de zeespiegel is opgeheven zoals bij Nieuw-Guinea, of als er veel koraal terrassen onder de zeespiegel te vinden zijn zoals bij Curaçao.
Het bestuderen van oud en nieuw koraal helpt ons een beeld te vormen van het verleden en biedt ons handvaten om huidige riffen en zones te kunnen beschermen en bovenal te kunnen bewonderen. De informatie die het koraal ons kan verschaft geeft ons ook een beeld over onze voorouders, waar ze waren tijdens de ijstijd. We weten nu immers zeer veel over de zeespiegel in die tijd. Geholpen door koraalterassen, bentische foraminiferen en boringen uit landijs begint er zich een duidelijk beeld te vormen. De gehele periode van het pleistoceen tot in het holoceen is nu met een vrij hoge resolutie voor ons beschikbaar en de resolutie van de huidige periode stijgt alleen maar. Het helpt ons om nu zelfs projecties en voorspellingen over de toekomst met vertrouwen te ontvangen, hoe lastig die soms ook zijn om te aanvaarden. De volgende keer bespreek ik meer over de benthische foraminiferen en de analyse van stabiele isotopen voor het bepalen van de watertemperatuur.
Foraminiferen in de Bentische zone en de Mariene Isotopen etage.
In het algemeen beschouwen we binnen de wetenschap de benthische zone als de zone van de zeebodem waar Fotosynthese theoretisch nog mogelijk is tot die diepste plekken van de oceaanbodem. Het contrast van de bentische zone noemt men de palagische zone en die bestaat uit diep, open water of zee/oceaan. Een foraminifeer (Rijk: Chromista ) is een eencellig organisme dat als plankton of benthos in de oceanen van onze aarde leeft. Ze behoren tot de protisten, dit zijn eukaryoten die niet dierlijk plant of schimmel zijn. Wij onderscheiden foraminiferen van andere eukaryoten aan hun specifieke kalkskeletjes vaak met een gaatjes achtig patroon wanneer ze bekeken worden door een microscoop, hier komt hun naamgeving vandaan.
Veel bentische soorten zijn dus doorgaans aan de kusten te vinden, al komen ze dus ook op grotere dieptes voor in bepaalde gevallen. De regio waarin deze dieren leven bepalen uiteindelijk hun levenswijze en de milieufactoren waaraan deze worden blootgesteld. Dit is voor onderzoek belangrijk, voor de foraminiferen van de bentische zone uit zich dit in de zuurstof isotopenverhouding van hun uit calciet bestaande exoskelet. Deze verhouding heeft een bepaald verband met de watertemperatuur in de directe zin en de temperatuur in de atmosfeer in een indirecte zin (klimaat). De foraminiferen vormen hiermee een zogenaamde proxy (Proxy (engels): Een meetbare grootheid die gebruikt wordt om een andere niet direct meetbare grootheid te reconstrueren.) en zij geven ons informatie over de watertemperatuur van dat moment en kunnen worden vergeleken met informatie uit landijs om een idee te krijgen van het heersende klimaat van dat moment. Zoals genoemd hebben wij data van dit fenomeen met een zeer goede resolutie (voor geologische tijdschalen) met name voor het geologische tijdperk van het Kwartair (2.58 million years ago (mya) tot nu). Het kwartair is opgedeeld in het Pleistoceen(2.58 mya- 12kya) en het Holoceen (12kya-nu) en hoewel de serie van informatie verder terug gaat (minstens 6mya) laten we dat voor nu buiten beschouwing.
Het Marien Isotopen stadium
Artikel geschreven door J.A.
Dit staat in de literatuur beschreven als stratigrafisch fenomeen (Eng: MIS Marine Isotope Stage) en is gebaseerd op de door de tijd veranderende verhouding in de zuurstof isotopen O-16 en O-18. Dit kan zoals genoemd binnen het mineraal calciet bepaald zijn, maar ook bepaald worden bij boringen uit landijs, de zogenoemde ijskernen. De absolute hoeveelheden van deze Isotopen zijn als volgt: 99,76% – 0,2% en de variatie hierop is de bekeken grootheid.
Hoewel er op chemisch niveau tussen de isotopen weinig verschillen zijn op te merken (onder normale omstandigheden: kamertemperatuur, 1 kPa) is dit op natuurkundig niveau wel het geval. Ook grotere tijdschalen en “kijkpunten”(Hoe wij een fenomeen beschouwen) laten dit blijken. In de praktijk betekent dit dat er differentiatie optreed bij verdamping, waar de lichtere Isotoop Zuurstof-16 gemakkelijker en sneller verdampt dan de zwaardere Zuurstof-18. Aangezien de isotopen (qua ) massa vooral voorkomen als water (H20) merken we hier dus een belangrijk effect op. Zuurstof-16 komt dus vaker de atmosfeer in en zal hier doorgaans ook sneller doorloop hebben, zeker als het water waaraan het gebonden zit ook weer als regen neerslaat. Als het klimaat echter kouder is zal de hoeveelheid Zuurstof-16 afnemen doordat een groot deel van de neerslag op hoge breedte als sneeuw zal vallen en dan daar landijs vormt, wat lang blijft liggen en dus neemt in de oceanen de hoeveelheid Zuurstof-16 lange tijd af. Dit proces wordt dus door de foraminiferen vastgelegd, hier is het dus zo dat in hun skelet meer Zuurstof-18 voorkomt als het klimaat koud is aangezien dat proces dus de lokale omstandigheden van de oceanen volgt. Het skelet wordt zoals gezegd gevormd door Calcium ionen en Koolzuur samen te voegen, dit koolzuur is opgelost en is een reactie met het water aangegaan en weerspiegelt daarin dus de verhouding Zuurstof van het water. Dit proces heeft dus wel koolzuur in het water nodig, wat geen probleem is doordat dit veelvuldig voorkomt zowel in de atmosfeer als gebonden in allerlei gesteenten van de aardkorst. Het belangrijkste primaire aspect is de proxy die ons het volume landijs dus laat bepalen (de kalkskeletjes van de foraminiferen). Wij kunnen dan met de ijskernen vergelijken en uitkomen voor een proxy van de hoeveelheid koolstofdioxide en daarmee een temperatuur te reconstrueren (van de ijskap). Gaten die zijn ontstaan door beperkingen van het ijs, of diepzeekernen kunnen worden opgevangen met andere methoden zoals onze koralen. Tijdsbepalingen kunnen wij daarnaast ook doen met koralen, vulkaanuitbarstingen en voor recentere perioden ook boomringen. Dit alles heeft ons plaatje van de afgelopen miljoenen jaren vrij compleet gemaakt. Met dit voltooide plaatje kunnen we nu afzonderlijke stadia/etages gaan bespreken. Dit zal het onderwerp van mijn volgende artikel zijn.
Mariene Isotopen Etages & Pollen diagrammen
Nu we weten hoe we temperatuur kunnen reconstrueren en we ook weten wanneer we veel landijs bij de polen hebben kunnen we ook de ecologische bewegingen op de continenten gaan volgen. Hier leggen we dan verschillende proxies naast elkaar om een analyse te maken van de lokale omstandigheden.
Hier kijken we dus naar pollendiagrammen, moraines(gletsjer schuivers) en warven(smeltwaterpulsen in meer afzettingen). De belangrijkste indicatoren zijn houtvormende planten, “bomen” dus, zomereik (Quercus robur) , Fijnspar en Grove den komen vaak voor. Er zijn echter nog veel specifieke soorten die iets kunnen vertellen over de staat van het klimaat op dat moment, denk aan Berk(Betula sp.) en Taxus( Taxus baccata). Hierin zijn er soorten van de Berk die het goed doen in arctische tundra, maar wel dwerggroei vertonen en dus kunnen Berkenpollen hierin een rol spelen bij het vaststellen van het klimaat type. Anderzijds is voor Taxus het omgekeerde waar, aangezien deze boom juist warmte minnend is (vrieskou is limiterend, dus ook hoogte is limiterend voor deze soort). De ecologische kennis van kruidachtige soorten in deze context is tegenwoordig ook zodanig toegenomen dat men de laatste 30 jaar dit ook veelvuldig meeneemt in alle analyses en dit geeft ook specifieke mogelijkheden voor resolutie en eventueel (menselijk) gebruik. Veruit de meeste boringen voor pollenanalyse worden uitgevoerd in meren en/of moerasachtige gebieden vanwege de gunstige (anoxische/zuurstofarme) condities en ouderdom van deze plaatsen in het landschap. Ook is de toevoer van pollen en ander biologisch materiaal vaak zeer regelmatig en relatief langzaam zodat je een mooi beeld krijgt van de variaties door de tijd. Hierdoor heb je dus de hoogst mogelijke informatiegraad uit dit materiaal en dat is wetenschappelijk verantwoordt. Waarom kunnen we eigenlijk werken met pollenkorrels?
Pollenkorrels wat zijn dat eigenlijk?
U kent het wellicht ook als stuifmeel of pollen en het is een onderdeel van de voortplantingscyclus der landplanten. Pollen zijn haploïde structuren die genetisch materiaal van bloem 1 naar bloem x overbrengen om daar zaad te vormen. Dit geldt voor zowel de zogeheten angiospermen(bedektzadigen) als de gymnospermen(naaktzadigen). Deze groep collectief de zaadplanten hebben een gereduceerde en gespecialiseerde structuur van hun microsporen t.o.v. primitievere groepen (bijvoorbeeld varens). Ze zijn variabel tussen groepen, maar hebben wel altijd een vaste structuur (interne opbouw), polariteit (“uiterlijk”) en enkele andere deterministische kenmerken (waaronder aantal openingen e.d.). Deze eigenschappen helpen ons landschappen te kunnen reconstrueren en onze kennis over het heden en verleden samen te voegen. Een kanttekening hierin is dat het mogelijk is om bij deze vorm van analyse oververtegenwoordiging van wind bestuivende planten te hebben, dit is dus iets wat goed gedocumenteerd dient te worden. Nu kunnen we de pollendiagrammen die we hebben verkregen naast de boorkernen leggen die we met andere methodes hebben gekregen. De combinatie hiervan laat ons de klimaatgolven door de tijd heen volgen. Laten we nu kijken naar een aantal van de bij ons bekende etages: MIS 1 tot MIS 6 (we kennen tot boven de 100 etages tegenwoordig).
Etages MIS 1 tot MIS 6
Ik begin hier met een overzicht van de laatste 800 kya ( achthonderdduizendjaar terug).
bron1: https://ourworldindata.org/explorers/climate-change?time=-140412..latest&facet=none&Metric=CO%E2%82%82+concentrations&Long-run+series%3F=true&country=ATA~Gulkana+Glacier~Lemon+Creek+Glacier~North+America~South+Cascade+Glacier~Wolverine+Glacier~OWID_WRL
bron 2: Lan, X., Tans, P. and K.W. Thoning: Trends in globally-averaged CO2 determined from NOAA Global Monitoring Laboratory measurements. Version 2023-02 NOAA/GML (gml.noaa.gov/ccgg/trends/)
Hier in figuur 1 is goed te zien hoe de cyclus loopt door de jaren heen en wat daar aan verandering is gekomen in de 20ste en 21ste eeuw. Pieken in de concentratie CO2 vertegenwoordigen warme periodes, dalen zijn de koude periodes. In de literatuur heet dat dan interstadiaal en stadiaal of interglaciaal en glaciaal. Het zeeniveau dat we aan de hand hiervan kunnen verkrijgen laat ook een interessant patroon zien.
