Ook dit jaar laat de lente op zich wachten. Langs de weg liggen metershoge hopen sneeuw van maanden, en de binnenzeeën en meren zijn dichtgevroren. De ijzige oostenwind waait door winterjassen, wollen mutsen en dikke wanten heen, zelfs als de zon midden op de dag hoog aan de hemel staat.
Welkom in de Lage Landen in de greep van de ijstijd.
Tijdens de kleine ijstijd werd er een markt gehouden op de bevroren Theems.
2020 begon met een van de zachtste winters sinds mensenheugenis, maar de kou is misschien niet ver weg. Astronomische metingen duiden erop dat de activiteit van de zon, en dus de energievoorziening van de aarde, de komende tien jaar zal dalen.
De laatste keer dat de zon zich zo koest hield was tijdens de kleine ijstijd, die duurde van circa 1450 tot 1850.
Tijdens de koudste jaren in de periode 1645 tot 1715 leden miljoenen West-Europeanen honger en kou en stierven ze bij bosjes.
Wetenschappers zijn het nog steeds niet eens over de oorzaken van de kleine ijstijd, maar de vraag is welk effect een vergelijkbare – of zelfs grotere – daling van de activiteit van de zon vandaag de dag zou hebben.
IJskappen groeien aan
De zon is cruciaal voor ons klimaat, want hij levert 99,97 procent van de energie aan het oppervlak, terwijl de aardkern slechts zo’n 0,03 procent voor zijn rekening neemt.
De hoeveelheid zonne-energie kan de temperatuur daardoor sterk beïnvloeden. Dat gebeurde ook tijdens de ijstijden die de aarde de laatste 2,6 miljoen jaar herhaaldelijk heeft meegemaakt.
Tijdens een ijstijd groeien de ijskappen in Groenland en Antarctica aan en ontstaan er nieuwe in Noord-Amerika, Siberië en Scandinavië.
Kilometersdikke ijstongen strekken zich uit, waardoor het landschap onherkenbaar verminkt raakt en dieren en planten op de vlucht slaan naar warmere contreien. Warmteminnende soorten die in onze tijd gedijen in Noord-Europa, overleven alleen als ze de Alpen oversteken en hun toevlucht zoeken tot de Middellandse Zee.
IJstijden teisteren Noord-Europa
500.000 - 337.000 jaar geleden: Elsterien kwam het verst naar Zuid-Europa
Het Elsterien is tweeledig en eindigt in het warmere Holsteinien. De koudste periode, toen het ijs het verst naar het zuiden kwam, is circa 425.000 jaar geleden.
300.000 - 130.000 jaar geleden: Gletsjers verzwelgen Rusland en West-Europa
Enorme gletsjers in het Saalien bedekken heel Scandinavië. Het ijs komt ver tot in het oosten en zuiden en bedekt grote delen van het huidige Nederland en Duitsland.
115.000 - 11.500 jaar geleden: IJs wijkt voor de laatste keer
Het Weichselien, de laatste ijstijd, gaat over in de huidige warme tijd, het Holoceen. De koudste periode was zo’n 20.000 jaar geleden en gletsjers kwamen nog veel voor.
Onderzoekers weten sinds halverwege de 19e eeuw van de grote ijstijden en zoeken al vanaf die tijd naar de verklaring. De eerste poging kwam in 1864 van de autodidactische Schotse natuurkundige James Croll.
Hij opperde dat het ijs zo rusteloos heen en weer trok door de ritmische veranderingen in de hoeveelheid zonlicht – en dus energie – die de aarde in de verschillende seizoenen ontvangt.
James Croll stelde zich voor dat een periode van extra koude winters deze kiem voor een ijstijd legde, die aanzwelt door allerlei zelfversterkende effecten. Croll wees er ook op dat het witte sneeuwdek van een strenge winter de energie van de zon tot ver in de lente terugkaatst naar de ruimte en zo de temperatuur jaar na jaar verlaagt.
Uit latere studies blijkt dat Crolls theorie over de oorzaak juist was, en sindsdien is deze slechts licht aangepast en uitgewerkt. IJstijden vinden plaats als gevolg van drie kleine variaties in de baan van de aarde rond de zon.
IJsvorming volgt ritme van de aarde
Welke processen het aanvriezen en smelten van ijs precies aansturen, staat ter discussie, maar de achterliggende oorzaak is al 100 jaar bekend. Door drie verschillende variaties in de baan van de aarde krijgt de planeet niet overal evenveel energie van de zon. Het ritme in die variaties komt precies overeen met de vele pieken en dalen in de grote ijstijden.
Excentriciteit
Cyclus van 100.000 jaar
De baan van de aarde is nu eens rond en dan weer ovaal.
Precessie
Cyclus van 23.000 jaar.
De rotatieas van de aarde draait rond als die van een instabiele tol.
Inclinatie
Cyclus van 41.000 jaar.
De helling van de rotatieas van de aarde zwiept heen en weer tussen 21,39° en 24,36°.
Samen creëren die variaties de zogeheten Milanković-cycli, die in de loop van millennia leiden tot gecompliceerde verschuivingen in de hoeveelheid energie die de aarde op verschillende seizoenen en plaatsen ontvangt.
Croll had op één punt echter ongelijk: niet de strenge winters bepalen of we een ijstijd krijgen of niet.
De meeste klimaatwetenschappers zijn het erover eens dat de verschuiving naar de ijstijd samenvalt met perioden waarin een zone rond de 65e graad noorderbreedte in de zomer zeer weinig zonne-energie ontvangt.
Vlekvrije periode koelt de aarde af
De laatste ijstijd, het weichselien, eindigde zo’n 11.500 jaar geleden. De wetenschappers weten niet precies hoeveel ijstijden aan het weichselien voorafgingen, maar ze zijn niet op de vingers van twee handen te tellen.
De afgelopen 800.000 jaar kwam en ging de kou in een ritme waarbij de ijstijden zo’n 100.000 jaar duren, onderbroken door milde perioden van 10.000 tot 20.000 jaar – zoals we momenteel ervaren.
Maar zelfs in de warme perioden is het klimaat instabiel en is het soms tientallen of zelfs honderden jaren verrassend koud. Weer ligt de oorzaak bij de zon – of liever er binnenin.
De zon zit vol met sproeten
Rustig magnetisch veld geeft een gladde zonneschijf
Als er een zonnevlekcyclus begint, lijkt het magnetisch veld op dat van de aarde en liggen de magnetische polen van de zon vlak bij de geografische polen. Op dat moment is de zon rustig en veelal vrij van zonnevlekken.
Snelheidsverschillen vervormen magneetlijnen
De magnetische veldlijnen van de zon bevriezen in de zogeheten convectiezone, die niet overal even snel draait. De rotatie is het snelst bij de evenaar en het langzaamst bij de polen, waardoor de veldlijnen gaan uitstulpen.
Magnetische wirwar breekt het oppervlak van de zon
Mettertijd raken de veldlijnen vervlochten tot een complex magnetisch veld. De veldlijnen liggen vlak bij elkaar en de zon krijgt meerdere noord- en zuidpoolgebieden. De magnetische lussen breken door het oppervlak.
Donkere vlekken zijn sproeten op de zon
De magnetische lussen remmen de energiestroom uit de zonnekern naar het oppervlak. Dat leidt tot een koude donkere vlek: een zonnevlek. In perioden met veel zonnevlekken neemt de straling van de zon toe – vooral de ultraviolette – en krijgt de aarde meer energie.
Van 1645 tot 1715, tijdens het zogeheten Maunderminimum, bedaarde de zon sterk en was het oppervlak grotendeels verstoken van de donkere zonnevlekken die ontstaan door knopen in het magnetische veld van de bovenste zonne-atmosfeer.
Toen de Duitse astronoom Gustav Spörer eind 18e eeuw oude archieven doorspitte, ontdekte hij dat er van 1672 tot 1700 slechts 50 zonnevlekken waren. Bij een hoge zonneactiviteit zijn er in zo’n periode wel 40.000 tot 50.000.
Volgens klimaatonderzoekers van het project PAGES 2k werd de aardbol tijdens het Maunderminimum en de koudste decennia van de kleine ijstijd 0,4 graden kouder.
Daling van zonneactiviteit
Onderzoekers koppelen het aantal zonnevlekken aan de temperatuur tijdens het koudste deel van de kleine ijstijd. Metingen wijzen uit dat de zon nu op een vergelijkbaar niveau afstevent, maar ijzig wordt het niet.
Zonnevlekken waren geheel verdwenen
In de kleine ijstijd waren de Nederlandse havens afgesloten door zee-ijs tot 30 kilometer uit de kust.
Schaatsen op de Theems
Aan het eind van de kleine ijstijd zakte de gemiddelde temperatuur 1 °C en bevroor onder meer de Londense Theems.
Zonneactiviteit daalt weer
Metingen wijzen uit dat de zon vanaf 2020 weer een periode met weinig activiteit en zonnevlekken krijgt.
In Europa was de daling plaatselijk 1,5 graden, zoals in de centrale Alpen, waar de gletsjers groeiden. Elders bevroren rivieren, waardoor scheepvaart onmogelijk was en hele oogsten mislukten, met als resultaat hongersnood, ziekte en dood. Vulkaanuitbarstingen waren een deeloorzaak, maar tegelijkertijd ontving de aarde minder energie.
Onderzoekers van de universiteit van Colorado schatten dat de zon circa 1360,25 watt/m2 leverde, terwijl dat in de 20e eeuw 1361,5 watt/m2 was.
Astrofysicus Irina Kitiashvili van Ames Research Center van NASA onderzoekt de variaties in het magnetische veld van de zon. Ze bootste de ontwikkeling van 1976 tot 2019 na en zette de informatie in een model.
Dit laat goed zien hoe elektrisch geleidende gassen en vloeistoffen zich gedragen in een magnetisch veld en helpt het aantal zonnevlekken in de toekomst te voorspellen.
Het aantal zonnevlekken varieert over een periode van circa 11 jaar van weinig tot veel en weer terug. De astronomen hebben de cycli genummerd en zijn nu bij cyclus 24, die begon in 2008 en eindigt in 2020.
Irina Kitiashvili’s model voorspelde cyclus 24 vrij nauwkeurig, wat grote belangstelling heeft gewekt voor haar voorspelling van cyclus 25, die volgens het model de zwakste in 200 jaar zal zijn.
De zonnevlekactiviteit is gehalveerd ten opzichte van cyclus 24, die zelf slechts half zo actief was als cyclus 21 en 22 – van 1976 tot 1996. Toch zijn er nog nooit zulke hoge temperaturen gemeten als nu.
Getouwtrek tussen warmte en kou
De oorzaak is dat het gehalte van het broeikasgas CO2 in de lucht sinds de industriële revolutie halverwege de 19e eeuw met 45 procent is gestegen, terwijl de hoeveelheid van het nog krachtiger broeikasgas methaan met maar liefst 150 procent is toegenomen.
De broeikasgassen zijn de oorzaak van de huidige opwarming van de aarde en bieden de kou uit de ruimte flink tegenspel.
Als alle broeikasgassen uit de atmosfeer zouden verdwijnen, dan zou de temperatuur van de aarde dalen tot -18 °C gemiddeld, tegen een comfortabele 15 °C vandaag de dag.
In 2017 namen drie Amerikaanse wetenschappers van de University of California in San Diego 20 jaar astronomische gegevens van 33 zonachtige sterren door. Zo wilden ze bepalen hoezeer de straling van de sterren varieert. Daaruit bleek dat bijna alleen de energie in de vorm van ultraviolette straling daalt wanneer een ster zoals de zon in een Maunderminimum belandt.
Op basis van de 33 sterren wordt geschat dat de daling 5,5 tot 8,4 procent bedraagt. Op aarde zou een Maunderminimum leiden tot een natuurlijke temperatuurdaling van maximaal 0,5 °C.
Docent Michael Brown van de Monash University in Australië heeft het getouwtrek tussen warmte en kou nader bekeken.
Volgens hem zal zelfs een herhaling van het Maunderminimum niet leiden tot een serieuze temperatuurdaling, vooral omdat er steeds meer broeikasgassen in de atmosfeer komen, die de aarde sinds 1850 ongeveer 1 °C hebben verwarmd.
We pompen zo veel CO2 de atmosfeer in dat we de komende 100.000 jaar vast geen ijstijd krijgen. Michael Sandstrom, Paleoklimatoloog
Het Internationaal Energieagentschap laat zien dat de totale energiebehoefte van de aarde in 2018 2,3 procent hoger lag dan in 2017.
Daarin werd voornamelijk voorzien door kolen, olie en gas, en niet door groene energiebronnen als zonne- en windenergie. En daarmee duidt niets er voorlopig op dat de temperatuurstijging snel zal vertragen.
Nieuwe ijstijd krijgt uitstel
Pas over 1500 jaar op zijn vroegst dreigt een nieuwe ‘echte’ ijstijd. In tegenstelling tot een kleine ijstijd is een echte niet zomaar een temperatuurdipje van enkele decennia; die strekt zich uit over tienduizenden jaren, en dan is het zeker 5 °C kouder dan nu.
Voorlopig hoeven we echter geen nieuwe gigantische ijskappen te verwachten, denkt paleoklimatoloog Michael Sandstrom van Columbia University in New York. Hij heeft onderzocht hoeveel CO2 de lucht bevat in respectievelijk warme perioden en ijstijden. De hoeveelheid CO2 wordt gemeten per miljoen luchtmoleculen, ppm.
Voor een ijstijd mag het CO2-gehalte in de atmosfeer maar 170 ppm zijn: dan bevat de lucht 170 CO2-moleculen op 1 miljoen luchtmoleculen.
Voor een warme periode zoals nu moet het gehalte CO2-moleculen 280 ppm bedragen. Voordat de verbranding van fossiele brandstoffen halverwege de 19e eeuw goed op gang kwam, bedroeg het CO2-gehalte van de atmosfeer precies die 280 ppm. Sindsdien is de concentratie gestegen tot 410 ppm.
IJsvrije toekomst dreigt
Als de opwarming van de aarde uit de hand loopt, is het voor honderdduizenden jaren gedaan met ijstijden. Het ijs stort in en miljoenen kubieke kilometers water belanden in de wereldzeeën.
1. Aarde krijgt zonnesteek van hoge doses CO2
De uitstoot van CO2 heeft het gehalte broeikasgassen in de atmosfeer al opgedreven van 280 tot 410 ppm (parts per million) – een stijging van circa 45 procent. Als dat zo doorgaat, is een gehalte van 1000 ppm in het jaar 2100 niet ondenkbaar.
2. Smeltwater stroomt de oceanen in
Nu al smelt het ijs op Antarctica en Groenland in een recordtempo. In een 4 tot 6 °C warmere toekomst kan het ijs totaal instorten, waardoor er alleen in de hoogste en koudste streken nog wat over is. Het smeltwater komt in de oceanen terecht.
3,50 meter water veegt Nederland van de kaart
Door het smeltwater stijgen de zeeën meer dan 50 meter. Zonder bescherming verdwijnen grote delen van laaggelegen landen als Nederland en Denemarken in de golven, terwijl de landkaart van de rest van Europa flink verandert.
De laatste keer dat het op aarde zo warm werd, was ongeveer 56 miljoen jaar geleden tijdens het Paleocene-Eocene temperatuursmaximum (PETM). In 10.000 jaar werd het hier 5 tot 8 °C warmer doordat onderzeese vulkanen methaanijs op de oceaanbodem deden smelten en er veel broeikasgassen vrijkwamen.
Toen de uitstoot stopte, duurde het 170.000 jaar voordat de temperatuur tot het oorspronkelijke niveau was gedaald.
De afkoeling gaat zo langzaam doordat de thermostaat van de aarde inefficiënt is en lang nodig heeft om CO2 uit de atmosfeer te verwijderen.
Bovendien gaan veel processen die door een opwarming beginnen te lopen, veel sneller vooruit dan achteruit. Zo smelten de grote ijskappen op Antarctica en Groenland veel sneller dan dat ze aangroeien.
Verder heeft gesmolten ijs een zelfversterkend effect. Stukken zee en land die zichtbaar worden door het smelten, zijn donker en weerkaatsen zonnestralen minder goed dan het witte ijs – ze absorberen die en zetten ze om in warmte.
Dat maakt het moeilijker om een stijging van de temperatuur om te zetten in een daling.
De zon werkt met ons mee
De uitstoot van broeikasgassen warmt de aarde dus niet alleen nú op, maar verstoort ook de natuurlijke schommeling tussen kou en warmte in de toekomst
Video: Hoeveel ijs moet er smelten voordat je huis onder water staat?
Als de grote ijskappen verdwijnen, zijn de gevolgen niet te overzien. Volg het effect van de zeestijging op het land meter voor meter.
En dat kan het klimaat redden. Als het klopt wat astrofysici als Irina Kitiashvili zeggen – dat we weer een periode van zeer lage zonneactiviteit ingaan – krijgen we de komende decennia misschien slechts kortstondig te maken met de ernstigste klimaatveranderingen door eigen toedoen, want terwijl broeikasgassen de temperatuur opdrijven, dempt de geringe zonne-activiteit hun effect op het klimaat.
Dit geeft de energiesector de tijd om over te schakelen op groene energiebronnen, terwijl de industrie alternatieven kan zoeken voor bijvoorbeeld beton en staal, waarvan de productie enorm veel CO2 uitstoot.
Het uitstel duurt echter niet eeuwig, en keren de zon en de zonnevlekken terug met hernieuwde kracht, dan zal de temperatuur met een raketvaart omhoog schieten – tenzij de door ons veroorzaakte opwarming van de aarde tegen die tijd onder controle is.