Wetenschappers weten al enige tijd dat de aarde cycli van klimaatverandering doormaakt. Als gevolg van veranderingen in de baan van de aarde, geologische factoren en/of veranderingen in de zonne-output, ervaart de aarde af en toe aanzienlijke verlagingen van het oppervlak en de atmosferische temperaturen. Dit resulteert in langdurige perioden van ijstijd, of wat in de volksmond bekend staat als een 'ijstijd'.
Deze perioden worden gekenmerkt door de groei en uitzetting van ijskappen over het aardoppervlak, die om de paar miljoen jaar plaatsvinden. We bevinden ons per definitie nog steeds in de laatste grote ijstijd – die begon tijdens het late Plioceen (ca. 2,58 miljoen jaar geleden) – en bevinden ons momenteel in een interglaciale periode, gekenmerkt door het terugtrekken van gletsjers.
Definitie:
Hoewel de term 'ijstijd' soms royaal wordt gebruikt om te verwijzen naar koude perioden in de geschiedenis van de aarde, heeft dit de neiging de complexiteit van ijstijden te logenstraffen. De meest nauwkeurige definitie zou zijn dat ijstijden perioden zijn waarin ijskappen en gletsjers zich over de planeet uitbreiden, wat overeenkomt met aanzienlijke dalingen van de mondiale temperatuur en miljoenen jaren kan duren.
De Antarctische ijskap, die tijdens de laatste ijstijd uitbreidde. Krediet: Wikipedia Commons/Stephen Hudson
Tijdens een ijstijd zijn er aanzienlijke temperatuurverschillen tussen de evenaar en de polen, en het is ook aangetoond dat de temperaturen op diepzeeniveau dalen. Hierdoor kunnen grote gletsjers (vergelijkbaar met continenten) uitzetten en een groot deel van het oppervlak van de planeet bedekken. Sinds het pre-Cambrium (ca. 600 miljoen jaar geleden) hebben ijstijden plaatsgevonden met grote ruimte-intervallen van ongeveer 200 miljoen jaar.
Geschiedenis van de studie:
De eerste wetenschapper die theoretiseerde over voorbije ijstijden was de 18e-eeuwse Zwitserse ingenieur en geograaf Pierre Martel. In 1742 schreef hij tijdens een bezoek aan een Alpenvallei over de verspreiding van grote rotsen in grillige formaties, die de lokale bevolking toeschreef aan de gletsjers die ooit veel verder waren uitgestrekt. Soortgelijke verklaringen kwamen in de daaropvolgende decennia naar voren voor vergelijkbare patronen van keiendistributie in andere delen van de wereld.
Vanaf het midden van de 18e eeuw begonnen Europese geleerden ijs steeds meer te beschouwen als een middel om rotsachtig materiaal te transporteren. Dit omvatte de aanwezigheid van keien in kustgebieden in de Baltische staten en het Scandinavische schiereiland. Het was echter de Deens-Noorse geoloog Jens Esmark (1762-1839) die voor het eerst het bestaan van een opeenvolging van wereldwijde ijstijden bepleitte.
Deze theorie werd gedetailleerd beschreven in een paper dat hij in 1824 publiceerde, waarin hij voorstelde dat veranderingen in het klimaat op aarde (die het gevolg waren van veranderingen in zijn baan) verantwoordelijk waren. Dit werd in 1832 gevolgd door de Duitse geoloog en bosbouwprofessor Albrecht Reinhard Bernhardi, die speculeerde over hoe de poolijskappen ooit de gematigde zones van de wereld hebben bereikt.
Uitzicht op de Grinnell-gletsjer in Glacier National Park, Montana. Krediet: USGS
Tegelijkertijd begonnen de Duitse botanicus Karl Friedrich Schimper en de Zwitsers-Amerikaanse bioloog Louis Agassiz onafhankelijk van elkaar hun eigen theorie over mondiale ijstijd te ontwikkelen, wat ertoe leidde dat Schimper in 1837 de term 'ijstijd' bedacht. Tegen het einde van de 19e eeuw begon de ijstijdtheorie geleidelijk begon wijdverbreide acceptatie te krijgen over het idee dat de aarde geleidelijk afkoelde van zijn oorspronkelijke, gesmolten toestand.
Tegen de 20e eeuw ontwikkelde de Servische polyhistor Milutin Milankovic zijn concept van Milankovic-cycli, die klimaatveranderingen op de lange termijn koppelden aan periodieke veranderingen in de baan van de aarde rond de zon. Dit bood een aantoonbare verklaring voor ijstijden en stelde wetenschappers in staat om voorspellingen te doen over wanneer er opnieuw significante veranderingen in het klimaat op aarde zouden kunnen optreden.
Bewijs voor ijstijden:
Er zijn drie vormen van bewijs voor de ijstijdtheorie, die variëren van de geologische en de chemische tot de paleontologische (d.w.z. het fossielenbestand). Elk heeft zijn specifieke voor- en nadelen en heeft wetenschappers geholpen een algemeen begrip te ontwikkelen van het effect dat ijstijden hebben gehad op de geologische gegevens van de afgelopen paar miljard jaar.
Geologisch:Geologisch bewijs omvat schuren en krassen van rotsen, uitgehouwen valleien, de vorming van bijzondere soorten richels en de afzetting van niet-geconsolideerd materiaal (morenen) en grote rotsen in grillige formaties. Hoewel dit soort bewijs in de eerste plaats tot de ijstijdtheorie heeft geleid, blijft het temperamentvol.
Ten eerste hebben opeenvolgende ijstijden verschillende effecten op een regio, die de neiging heeft om geologisch bewijs in de loop van de tijd te vervormen of te wissen. Bovendien is geologisch bewijs moeilijk exact te dateren, wat problemen veroorzaakt als het gaat om het verkrijgen van een nauwkeurige beoordeling van hoe lang glaciale en interglaciale perioden hebben geduurd.
Hoefijzervormige zijmorenen aan de rand van de Penny Ice Cap op Baffin Island, Nunavut, Canada. Moraines zijn ophopingen van puin langs de zijkanten van een gletsjer, gevormd door materiaal dat van de valleiwand valt. Krediet: NASA/Michael Studinger
Chemisch:Dit bestaat grotendeels uit variaties in de verhoudingen van isotopen in fossielen die zijn ontdekt in sediment- en gesteentemonsters. Voor recentere ijstijden worden ijskernen gebruikt om een wereldwijd temperatuurrecord te construeren, grotendeels op basis van de aanwezigheid van zwaardere isotopen (die leiden tot hogere verdampingstemperaturen). Ze bevatten vaak ook luchtbellen, die worden onderzocht om de samenstelling van de atmosfeer op dat moment te beoordelen.
Beperkingen komen echter voort uit verschillende factoren. De belangrijkste hiervan zijn isotopenverhoudingen, die een verwarrend effect kunnen hebben op nauwkeurige datering. Maar voor zover het de meest recente glaciale en interglaciale perioden betreft (d.w.z. gedurende de afgelopen paar miljoen jaar), blijven de kernmonsters van ijskernen en oceaansedimenten de meest betrouwbare vorm van bewijs.
paleontologisch:Dit bewijs bestaat uit veranderingen in de geografische verspreiding van fossielen. Kortom, organismen die gedijen in warmere omstandigheden sterven uit tijdens ijstijden (of worden sterk beperkt op lagere breedtegraden), terwijl aan koude aangepaste organismen gedijen op dezelfde breedtegraden. Ergo, verminderde hoeveelheden fossielen op hogere breedtegraden is een indicatie van de verspreiding van gletsjerijs.
Dit bewijs kan ook moeilijk te interpreteren zijn omdat het vereist dat de fossielen relevant zijn voor de geologische periode die wordt bestudeerd. Het vereist ook dat sedimenten over grote breedtegraden en lange tijdsperioden een duidelijke correlatie vertonen (vanwege veranderingen in de aardkorst in de loop van de tijd). Bovendien zijn er veel oude organismen die het vermogen hebben getoond om gedurende miljoenen jaren veranderingen in omstandigheden te overleven.
Als gevolg hiervan vertrouwen wetenschappers waar mogelijk op een gecombineerde aanpak en meerdere bewijslijnen.
IJstijden worden gekenmerkt door een daling van de gemiddelde temperatuur op aarde, waardoor de ijskappen wereldwijd uitzetten. Krediet: NASA
Oorzaken van ijstijden:
De wetenschappelijke consensus is dat verschillende factoren bijdragen aan het ontstaan van ijstijden. Deze omvatten veranderingen in de baan van de aarde rond de zon, de beweging van tektonische platen, variaties in de zonne-output, veranderingen in de atmosferische samenstelling, vulkanische activiteit en zelfs de impact van grote meteorieten. Veel van deze zijn met elkaar verbonden, en de exacte rol van elk spel is onderwerp van discussie.
Baan van de aarde:In wezen is de baan van de aarde rond de zon onderhevig aan cyclische variaties in de tijd, een fenomeen dat ook bekend staat als Milankovic (of Milankovitch) cycli. Deze worden gekenmerkt door veranderende afstanden tot de zon, de precessie van de aardas en de veranderende kanteling van de aardas - die allemaal resulteren in een herverdeling van het zonlicht dat door de aarde wordt ontvangen.
Het meest overtuigende bewijs voor de baanforcering van Milankovic komt nauw overeen met de meest recente (en bestudeerde) periode in de geschiedenis van de aarde (circa gedurende de laatste 400.000 jaar). Gedurende deze periode komt de timing van glaciale en interglaciale perioden zo dicht bij veranderingen in Milankovic orbitale forceringsperioden dat dit de meest algemeen aanvaarde verklaring is voor de laatste ijstijd.
Tektonische platen:Het geologische record laat een duidelijke correlatie zien tussen het begin van ijstijden en de posities van de continenten van de aarde. Tijdens deze perioden bevonden ze zich in posities die de stroom van warm water naar de polen verstoorden of blokkeerden, waardoor ijskappen konden ontstaan.
De tektonische platen van de aarde. Krediet: msnucleus.org
Dit verhoogde op zijn beurt het albedo van de aarde, waardoor de hoeveelheid zonne-energie die door de atmosfeer en korst van de aarde wordt geabsorbeerd, wordt verminderd. Dit resulteerde in een positieve feedbacklus, waarbij de opmars van ijskappen het albedo van de aarde verder verhoogde en meer afkoeling en meer ijstijd mogelijk maakte. Dit zou doorgaan tot het begin van een broeikaseffect de periode van ijstijd beëindigde.
Op basis van ijstijden uit het verleden zijn er drie configuraties geïdentificeerd die zouden kunnen leiden tot een ijstijd: een continent dat bovenop de pool van de aarde zit (zoals Antarctica tegenwoordig doet); een polaire zee die is ingesloten (zoals de Noordelijke IJszee vandaag is); en een supercontinent dat het grootste deel van de evenaar beslaat (zoals Rodinia deed tijdens de cryogenische periode).
Bovendien geloven sommige wetenschappers dat de Himalaya-bergketen - die 70 miljoen jaar geleden is gevormd - een grote rol heeft gespeeld in de meest recente ijstijd. Door de totale regenval op aarde te vergroten, is ook de snelheid waarmee CO² uit de atmosfeer wordt verwijderd, toegenomen (waardoor het broeikaseffect is verminderd). Het bestaan ervan loopt parallel met de langdurige daling van de gemiddelde temperatuur op aarde in de afgelopen 40 miljoen jaar.
Atmosferische Samenstelling:Er zijn aanwijzingen dat het niveau van broeikasgassen daalt met de opmars van ijskappen en stijgt met hun terugtrekking. Volgens de ' Sneeuwbal Aarde ”-hypothese - waarin ijs de planeet minstens één keer in het verleden volledig of bijna bedekte - de ijstijd van het late Proterozoïcum werd beëindigd door een toename van het CO2-gehalte in de atmosfeer, wat werd toegeschreven aan vulkaanuitbarstingen.
Afbeelding van het Harding-ijsveld op het Kenai-schiereiland in Alaska. Krediet: Amerikaanse Fish and Wildlife Service
Er zijn echter mensen die suggereren dat verhoogde niveaus van kooldioxide als feedbackmechanisme kunnen hebben gediend, in plaats van als oorzaak. In 2009 produceerde een internationaal team van wetenschappers bijvoorbeeld een studie - met de titel 'The Last Glacial Maximum' - die aangaf dat een toename van de zonnestraling (dwz door de zon geabsorbeerde energie) voor de eerste verandering zorgde, terwijl broeikasgassen verantwoordelijk waren voor de omvang van de verandering.
Grote ijstijden:
Wetenschappers hebben vastgesteld dat er in de geschiedenis van de aarde minstens vijf grote ijstijden hebben plaatsgevonden. Deze omvatten de Huronian, Cryogenian, Andes-Sahara, Karoo en de Qauternaire ijstijden. De Huronische ijstijd dateert uit de vroege Protzerozoïcum Eon, ongeveer 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden, op basis van geologisch bewijs waargenomen in het noorden en noordoosten van Lake Huron (en gecorreleerd met afzettingen gevonden in Michigan en West-Australië).
De cryogene ijstijd duurde van ongeveer 850 tot 630 miljoen jaar geleden en was misschien wel de zwaarste in de geschiedenis van de aarde. Er wordt aangenomen dat tijdens deze periode de glaciale ijskappen de evenaar bereikten, wat leidde tot een 'Sneeuwbal-aarde'-scenario. Er wordt ook aangenomen dat dit eindigde als gevolg van een plotselinge toename van vulkanische activiteit die een broeikaseffect veroorzaakte, hoewel (zoals opgemerkt) dit onderwerp van discussie is.
De Andes-Sahara ijstijd vond plaats tijdens het Laat-Ordovicium en het Siluur (ongeveer 460 tot 420 miljoen jaar geleden). Zoals de naam al doet vermoeden, is het bewijs hier gebaseerd op geologische monsters genomen uit het Tassili n'Ajjer-gebergte in de westelijke Sahara, en gecorreleerd door bewijs verkregen uit de Andes-bergketen in Zuid-Amerika (evenals het Arabische schiereiland en het zuiden Amazonebekken).
Drijvend ijs aan het afkalffront van de Groenlandse Kangerdlugssuaq-gletsjer, gefotografeerd in 2011 tijdens Operatie IceBridge. Krediet: NASA/Michael Studinger
De Karoo-ijstijd wordt toegeschreven aan de evolutie van landplanten tijdens het begin van de Devoon-periode (ca. 360 tot 260 miljoen jaar geleden) die een langdurige toename van het planetaire zuurstofgehalte en een verlaging van het CO²-gehalte veroorzaakte - wat leidde tot wereldwijde koeling. Het is genoemd naar sedimentaire afzettingen die werden ontdekt in de Karoo-regio van Zuid-Afrika, met correlerend bewijs gevonden in Argentinië.
De huidige ijstijd, bekend als de Plioceen-Kwartaire ijstijd, begon ongeveer 2,58 miljoen jaar geleden tijdens het late Plioceen, toen de verspreiding van ijskappen op het noordelijk halfrond begon. Sindsdien heeft de wereld verschillende glaciale en interglaciale perioden meegemaakt, waarin ijskappen op tijdschalen van 40.000 tot 100.000 jaar vooruit- en terugtrekken.
De aarde bevindt zich momenteel in een interglaciale periode en de laatste ijstijd eindigde ongeveer 10.000 jaar geleden. Wat overblijft van de continentale ijskappen die zich ooit over de hele wereld uitstrekten, zijn nu beperkt tot Groenland en Antarctica, evenals kleinere gletsjers - zoals die op Baffin Island.
Antropogene klimaatverandering:
De exacte rol van alle mechanismen waaraan ijstijden worden toegeschreven - d.w.z. orbitale forcering, zonneforcering, geologische en vulkanische activiteit - is nog niet helemaal duidelijk. Gezien de rol van de uitstoot van kooldioxide en andere broeikasgassen, is er de afgelopen decennia echter grote bezorgdheid ontstaan over de langetermijneffecten die menselijke activiteit op de planeet zal hebben.
Zo wordt aangenomen dat in ten minste twee grote ijstijden, de cryogene en Karoo-ijstijden, toename en afname van atmosferische broeikasgassen een belangrijke rol hebben gespeeld. In alle andere gevallen, waarin wordt aangenomen dat orbitale forcering de belangrijkste oorzaak is van het einde van een ijstijd, was de verhoogde uitstoot van broeikasgassen nog steeds verantwoordelijk voor de negatieve feedback die leidde tot nog grotere temperatuurstijgingen.
De toevoeging van CO2 door menselijke activiteit heeft ook een directe rol gespeeld bij klimaatveranderingen die overal ter wereld plaatsvinden. Momenteel vormt de verbranding van fossiele brandstoffen door mensen wereldwijd de grootste bron van uitstoot van kooldioxide (ongeveer 90%), een van de belangrijkste broeikasgassen die stralingsforcering (ook bekend als het broeikaseffect) mogelijk maakt.
In 2013 kondigde de National Oceanic and Atmospheric Administration aan dat de CO²-niveaus in de bovenste atmosfeer de 400 delen per miljoen (ppm) voor het eerst sinds het begin van de metingen in de 19e eeuw. Op basis van het huidige tempo waarin de uitstoot toeneemt, NASA schattingen dat de koolstofniveaus in de komende eeuw tussen de 550 en 800 ppm kunnen bereiken.
Als het eerste scenario het geval is, verwacht NASA een stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde met 2,5 ° C (4,5 ° F), wat duurzaam zou zijn. Mocht dit laatste scenario echter het geval blijken te zijn, dan zullen de mondiale temperaturen met gemiddeld 4,5 °C (8 °F) stijgen, wat het leven voor veel delen van de planeet onhoudbaar zou maken. Om deze reden wordt gezocht naar alternatieven voor ontwikkeling en brede commerciële acceptatie.
Wat meer is, volgens een onderzoek uit 2012 gepubliceerd inNatuur Geowetenschappen– getiteld “ Bepalen van de natuurlijke lengte van het huidige interglaciaal ” – de menselijke uitstoot van CO² zal naar verwachting ook de volgende ijstijd uitstellen. Met behulp van gegevens over de baan van de aarde om de lengte van interglaciale perioden te berekenen, concludeerde het onderzoeksteam dat het volgende ijs (verwacht over 1500 jaar) atmosferische CO²-niveaus zou vereisen om onder ongeveer 240 ppm te blijven.
Meer leren over de langere ijstijden en de kortere ijstijden die in het verleden van de aarde hebben plaatsgevonden, is een belangrijke stap om te begrijpen hoe het klimaat op aarde in de loop van de tijd verandert. Dit is vooral belangrijk omdat wetenschappers proberen te bepalen hoeveel van de moderne klimaatverandering door de mens is veroorzaakt en welke mogelijke tegenmaatregelen kunnen worden ontwikkeld.
We hebben veel artikelen geschreven over de ijstijd voor het universum van vandaag. Hier is Nieuwe studie onthult kleine ijstijd gedreven door vulkanisme , Heeft een dodelijke asteroïde de planeet in een ijstijd gedreven? , Was er een Slushball-aarde? , en Komt Mars uit een ijstijd?
Als je meer informatie over aarde wilt, ga dan naar NASA's zonnestelsel-verkenningsgids op aarde . En hier is een link naar NASA's Earth Observatory .
We hebben ook een aflevering opgenomen van Astronomy Cast over planeet Aarde. Luister, Aflevering 51: Aarde en Aflevering 308: Klimaatverandering .
Bron: