College van de maand: Koud he?
Auteur: Kiki de Pau
Met de sneeuw en het ijs van januari moest ik denken aan de geologische ijstijden. Momenteel leven we er zelfs in een ijstijd. De Pleistocene of Kwartaire ijstijd genoemd. Ja, ja, zult u denken, we hebben te maken met opwarming van de aarde en toch een ijstijd, hoe kan dat?
Wat is een ijstijd
We spreken van een ijstijd wanneer de temperatuur op aarde zodanig daalt dat er grote ijskappen op land vormen die blijven liggen voor een langere periode. De ijskappen kunnen duizenden tot miljoenen jaren blijven liggen en zich uitspreiden over de continenten. Ook al is ons huidige klimaat steeds warmer aan het worden, toch, ligt er nog steeds landijs in de pool gebieden. Vandaar dat we spreken van: “leven in een ijstijd”.
Welke ijstijden heeft de aarde allemaal overleefd?
De oudst bekende ijstijd is de Huronische ijstijd, die ongeveer 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden plaatsvond in het Precambrium. De stratigrafie rondom het Huronmeer, gelegen tussen Canada en de Verenigde Staten, bevat dropstones, kleistenen en keileem. Dit is indicatief voor het sedimentatie proces van een watermassa dat gevoed werd door de voortbewegende gletsjers.
In de periode voor de Huronische ijstijd was het erg warm tijdens het Archeïcum. De atmosfeer bestond voornamelijk uit CO2 en methaan, maar bevatte nauwelijks zuurstof. Het leven bestond uit uiteenlopende groepen van microben die eenvoudig in elkaar zaten en zonder zuurstof konden leven i.e. anaeroob. Daar kwam verandering in door de revolutionaire uitvinding van fotosynthese. Van CO2 was er toch meer dan genoeg, waarom zou je dat dan niet opeten en gebruiken! Dat jij als alg dan zuurstof uitpoept, maakt je toch niet uit. Niemand die er last van heeft. Om in moderne termen te spreken, de uitvinding ging ‘viraal’. Ieder beetje leven op aarde wilde meedoen met de hype, wat ervoor zorgde dat de atmosferische samenstelling zodanig veranderde dat de temperatuur kelderde. CO2 is immers een broeikasgas wat de warmte van het zonlicht vasthoudt. Pas na zo’n 300 miljoen jaar kwam het broeikaseffect weer op gang om de aarde een beetje op te warmen.
De daaropvolgende ijstijd is de Cryogenische ijstijd, van ongeveer 720 tot 635 miljoen jaar geleden, die bekendstaat om de zogeheten ‘Sneeuwbal Aarde’-hypothese: het idee dat de planeet vrijwel geheel met ijs was bedekt. Deze theorie zou scenario’s hebben waarbij zelfs de oceanen dichtgevroren waren. Echter zijn er uiteraard ook tegenhangers van de Sneeuwbal Aarde theorie. Zij hebben de ‘natte sneeuwbal’ theorie waarbij er rond de evenaar nog open water beschikbaar zou blijven.
Welke theorie uiteindelijk de ijstijd correct beschrijft, de extreme omstandigheden hadden een enorme invloed op de evolutie van het leven, omdat alleen organismen die zich konden aanpassen, overleefden. Meerdere massa extincties moeten het leven op aarde flink opgeschud hebben.
Tijdens de Cryogenische ijstijd wordt er gesproken twee glaciale periodes, het Sturtien glaciaal van 720 tot 660 miljoen jaar en het Marinoan glaciaal van 650 tot 635 miljoen jaar. Tijdens een glaciale periode, in de volksmond ook vaak een ijstijd genoemd, is het koud. Kouder dan tijdens de interglaciale periodes in een ijstijd. In een interglaciale periode ligt er nog steeds landsijs, maar is de temperatuur ook gestegen. Dit is vaak terug te vinden doordat flora en fauna laten zien dat het warmer is geworden en zich dus anders gaan gedragen.
In het Paleozoïcum vond de Andees-Sahara ijstijd plaats. Deze ijstijd was relatief kort, van 460 tot 420 miljoen jaar geleden, maar intens en wordt vaak in verband gebracht met het uitsterven van veel mariene soorten. Tijdens het Ordovicium leefde veel marine soort in ondiepe en warme zeeën gelegen op het continentaal plat. Met het inzetten van de ijstijd zullen de zeeën zich hebben teruggetrokken wat de eerste golf van uitsterven tijdens de Laat-Ordovicische massa-extinctie kan verklaren.
In het Carboon en Perm kende de aarde opnieuw een langdurige periode van glaciatie van 326 tot 260 miljoen jaar geleden. Deze heeft onder andere bijgedragen aan de vorming van steenkoollagen die we tegenwoordig nog steeds gebruiken. De theorie gaat dat de evolutie en grote hoeveelheid landplanten tijdens het Devoon zorgde voor hogere concentraties zuurstof en juist lagere concentraties CO2 in de atmosfeer. Fotosynthese was geen eendagsvliegje. In het Carboon waren er grote tropische moerassen over heel EUR Amerika. In deze moerassen kon veel koolstof begraven worden, wat voor lagere CO2 concentraties in de lucht zorgde. Pas tijdens het Perm kwam de CO2 concentratie pas weer omhoog.
De meest recente en bekendste ijstijd valt in het Kwartair, een ijstijd die ongeveer 2,6 miljoen jaar geleden begon en tot op heden voortduurt. Binnen deze periode wisselden koude glaciale periodes en warmere interglacialen periodes elkaar af. De laatste grote ijstijd, het Weichselien of het Würm-glaciaal, bereikte zijn hoogtepunt zo’n 11.650 jaar geleden. Tijdens deze tijd was een groot deel van Noord-Europa, Azië en Noord-Amerika bedekt onder dikke ijskappen, zie figuur 1. Sindsdien leven we in een relatief warme tussenperiode, het Holoceen.
Hoe weten we dat er ergens landijs heeft gelegen?
Hoe kunnen we weten dat er vroeger in een bepaald gebied ijs op het land heeft moeten liggen? Dat is vast te stellen doordat een ijstijd verschillende sporen in het landschap achterlaat en bepaalde types sediment afzet. Gletsjers laten karakteristieke afzettingen achter, zoals morenen, zwerfkeien en U-vormige dalen. Daarnaast bevatten sedimentlagen op de zeebodem en in meren aanwijzingen door de aanwezigheid van specifieke soorten stuifmeelkorrels of fossiele diatomeeën die wijzen op koude omstandigheden. Ook wordt gekeken naar de verhouding van zuurstofisotopen in ijskernen en fossiele schelpen, wat een directe indicatie geeft van vroegere temperaturen en ijskapgroottes.
De verhouding tussen de hoeveelheid zuurstof 16 en zuurstof 18, twee stabiele zuurstof isotopen, wordt gebruikt om te bepalen of het in een bepaalde periode warmer of kouder was. Zuurstof 18 is 12% zwaarder dan zuurstof 16. Dit houdt in dat zuurstof 16 makkelijker uit zeewater verdampt én dat tijdens neerslag zuurstof 18 eerder uitregent. Tijdens warme periodes is er een redelijk evenwicht doordat alle neerslag ontstaan uit de verdamping van de oceanen weer in de oceanen terecht komt dankzij de waterkringloop. Als het kouder is, bestaat de neerslag vooral uit sneeuw. Sneeuw en ijs blijven tijdens koude periodes liggen op het land. Als sneeuw en ijs langer blijft liggen dan de ontregelende sneeuwstorm van januari jongst leden, onderbreekt dit de waterkringloop. Het oceaanwater bevat dus relatief meer zuurstof 18, omdat de zuurstof 16 vastzit in de sneeuw en het ijs. Zee-organismes leggen deze verhoudingen en eventuele veranderingen vast tijdens het aanmaken van calciumcarbonaat CaCO3. Kalkskeletten van foraminiferen worden vaak gebruikt om een paleo-klimaat reconstructie en klimaatveranderingen te bepalen. IJskernen genomen van ijskappen worden eveneens gebruikt bij het bepalen van ijstijden en hoe lang deze hebben plaatsgevonden.
De aarde heeft een lange en complexe geschiedenis van ijstijden, die telkens weer het klimaat, het landschap en het leven op onze planeet grondig hebben beïnvloed. Door deze ijstijden te bestuderen, krijgen we niet alleen inzicht in het verleden, maar ook in de mogelijke toekomstige klimaatschommelingen.