Onze unieke CO₂-toestand

NRC-Handelsblad, 26-11-2005, Karel Knip.

Ingesloten lucht in de oudste ijsboorkern ooit maakt duidelijk
dat de huidige CO2-toestand van de atmosfeer zeer uitzonderlijk is.

NOOIT EERDER in de afgelopen 650.000 jaar is de CO2-concentratie van de aardse atmosfeer zo krankzinnig hoog geweest als nu. En nooit steeg de concentratie zo snel als hij nu doet. Dit blijkt uit lucht-onderzoek aan de oudste ijsboorkern die nu beschikbaar is. De boorkern is door een groep Europese onderzoekers omhooggehaald uit een kilometers dikke ijslaag onder `Dome C' op Oost-Antarctica. De onderzoeksgroep noemt zich EPICA, de boorkern heet daarom de EPICA Dome C-kern.
Deze week brengt Science (14 nov) de resultaten van detailonderzoek aan de luchtinsluitsels in het ijs dat informatie over acht opeenvolgende ijstijden bevat. De vermaarde Vostok-ijskern, die destijds door een Frans-Russische ploeg is omhooggehaald en geanalyseerd bevat gegevens over vier ijstijden (Nature, 3 juni 1999) en gaat 440.000 jaar terug. De nieuwe kern is nauwelijks langer dan de Vostok-kern maar komt uit een zuidpoolgebied waar de jaarlijkse hoeveelheid sneeuwval, door de grote afstand tot de zee, maar heel gering is. De hele laag is daar 3.200 meter dik en bevat onderin nog ijs van 900.000 jaar oud, maar dat is nog niet omhoog gehaald.
Vorig jaar bracht Nature (10 juni 2004) al de eerste uitkomsten van het Europese ijsonderzoek, maar de CO2-metingen zaten daar niet bij. Voor het eerste artikel over de Dome C-kern waren op vaste onderlinge afstanden langs de boorkern de elektrische geleidbaarheid, de aanwezigheid van stofdeeltjes en de verhouding zware waterstof (deuterium, D) tot gewone waterstof (H) bepaald. Proefondervindelijk onderzoek heeft aangetoond dat deze D/H-verhouding als maat kan dienen voor de temperatuur waarbij de sneeuw destijds ontstond. De aanwezigheid van stofdeeltjes is karakteristiek voor het dieptepunt van ijstijden, als veel landoppervlak dat niet door sneeuw en ijs werd bedekt droog en dor is en bloot staat aan hevige wind.

Afbeelding: Concordia Station, Dome C (coördinaten 75°06’Z; 123°21’O, 3233 m boven zeeniveau)
Bron: ESF

Het eerste onderzoek liet een schitterende overeenstemming zien met de resultaten van het onderzoek aan de Vostok-ijskern čn aan bodemslib uit de diepzee. Uit de fijne gelaagdheid van dat diepzeeslib komen tot dusver de sterkste aanwijzingen dat ijstijden in vaste regelmaat voorkomen. De laatste miljoen jaar is de frequentie ruwweg eens per 100.000 jaar, waaruit een verband met variaties in de vorm van de aardbaan wordt afgeleid.
Het mooie is dat het oude ijs in de vorm van luchtinsluitsels monsters bewaart van de lucht die destijds over de zuidpool woei. Het zuidpoolijs ontstaat uit losse sneeuwkristallen waartussen veel lucht achterblijft. Als de sneeuw onder het gewicht van versere sneeuw samenperst blijft een deel van de oude lucht in het ijs achter. Net zoals de Vostok-kern laat de Dome C-kern zien dat de CO2-concentraties ruwweg synchroon met de temperatuurvariaties meeschommelen. Is de temperatuur hoog dan is ook de CO2-concentratie van de atmosfeer hoog. Bij een lage temperatuur hoort een lage CO2-concentratie. De nieuwe Dome C-kern laat zien dat deze wetmatigheid ook tijdens de vier oudere ijstijden optrad, al blijken de CO2-variaties dan wat minder woest en is er soms duizenden jaar lang nauwelijks enige variatie in CO2-gehalte. Nooit komt de CO2-concentratie boven de 300 ppm. Tegenwoordig is hij al 380 ppm.
Van belang is dat de historische CO2-variaties achterlopen op de temperatuurvariaties. Pas als aan het eind van een ijstijd de temperatuur (door wat voor oorzaak dan ook) gaat oplopen gaat ook de CO2-concentratie stijgen. Die zal de opwarming zeker versterken, maar de volgorde is toch wezenlijk anders dan voor het huidige versterkte broeikaseffect wordt aangenomen. Tussen de reactie van het CO2-gehalte en de temperatuur bestaat een zogenoemde lag time (vertraging) die wel duizend tot tweeduizend jaar kan zijn. Precieze kennis van de grootte van die lag time is onmisbaar voor de analyse van de gebeurtenissen.
Een pijnlijke handicap is dat de luchtinsluitsels in het poolijs altijd veel ouder zijn dan het ijs zelf. Pas op een diepte van enige tientallen meters onder het sneeuwoppervlak is de oude sneeuw zozeer samengeperst dat afgesloten luchtbelletjes ontstaan die verder niet meer van samenstelling veranderen. Boven de zogenoemde firn-ijs-overgang staat de lucht in het ijs nog voortdurend in contact met de oppervlakte. Op plaatsen waar maar heel weinig sneeuw valt kan het leeftijdsverschil tussen ijs en lucht oplopen tot vele honderden jaren. Dat is dus bijna dezelfde orde van grootte als de lag time.
Voor het optreden van de ijstijden en de typische CO2-reactie van de aarde zijn nog geen goede verklaringen gevonden. Aannemelijk is dat de oceanen met CO2-uitstoot of -opname op temperatuurveranderingen reageren. Uit statistische samenhang tussen de D/H-temperatuur-reconstructie en de CO2-concentratie blijkt overtuigend dat het in ieder geval steeds hetzelfde mechanisme is dat in werking treedt.
In navolging van Milankovic (1930) wordt aangenomen dat ijstijden ontstaan in reactie op variaties in zonne-instraling die weer het gevolg zijn van veranderingen in de aardbaan of de stand van de aardas. Maar de heftigheid van de aardse reactie valt niet goed te rijmen met de betrekkelijk geringe variatie in de instraling.