De kennis over ijstijden stijgt – terwijl de bodem zakt.

NRC Handelsblad 3-6-1981 — IJstijden blijven tot de verbeelding spreken – mede omdat er moeilijk beantwoordbare vragen mee verband houden. Waarom duren ze ongeveer 100.000 jaar? Waarom houden ze dan zo plotseling op? Een Nederlands geofysicus heeft de computer op een aantal theorieën rond ijstijden losgelaten en komt tot verrassend heldere denkbeelden.

***

Een Zwitserse gemzenjager uit Lourtier en een houthakker uit Meiringen deden aan het begin van de vorige eeuw de weten­schappelijke wereld het idee aan de hand dat er wel eens zoiets als een ‘ijstijd’ geweest kon zijn.

Jean-Pierre Perraudin was de gemzenjager. In 1815 schrijft hij: “Omdat ik al lang krassen had ge­zien in harde rotsen die normaal nauwelijks kunnen verweren, en omdat ik tot aan de voet van de gletscher was gegaan waar ik zag dat diezelfde krassen ook waren, kwam ik ten slotte tot de conclu­sie dat die krassen gevormd moes ten zijn door enorme massa’s ijs, die over de rotsen, hadden ge­schuurd. Ik vond ze tot beneden aan toe. Dat bracht me tot de overtuiging dat het hele dal ooit onder het ijs gelegen moet heb­ben.”

Perraudin vertelde zijn ideeën bij gelegenheid eens aan Jean de Charpentier, directeur van een zoutmijn en met een grote belang­stelling voor geologie. Deze had grote moeite om het rare verhaal te geloven en vergat het, totdat hij veertien jaar later het woord ‘gletscherkrassen’ weer opving uit de mond van een ingenieur, die in hetzelfde dal aan het werk was ge­weest waar Perraudin zijn gemzen ving. Nu sprong er wél een vonk bij de Charpentier over en hij toog aan het werk om de moge­lijkheid van een ijstijd van een geologische basis te voorzien.

Luzern

Hij zou zijn nieuwe theorie in 1835 gaan verdedigen in Luzern, op een jaarvergadering van het Zwitsers genootschap voor na­tuurwetenschappen. “Onderweg”, schrijft hij, “reizend door het dal van Hasli en Inungern kwam ik een houthakker tegen. We wan­delden een eindje op. Toen ik een groot blok graniet bekeek dat naast de weg op de grond lag zei de houthakker dat er veel van die blokken lagen: ‘Ze komen van ver weg, van de Grimsel, want hier is het gesteente van de bergen heel anders. De Grimsgletscher moet ze hier hebben neergelegd, heel lang geleden’”.

De Charpentier was opgetogen! Niet alleen gletscherkrassen, maar ook de zwerfstenen duidden op voorbije periodes met kruiend ijs. Hij hield een gloedvol betoog in Luzern, maar niemand van de aanwezigen nam zijn denkbeelden serieus, integendeel. Onder de op­ponenten was ook de jonge, bril­jante Louis Agassiz die later de grootste baanbreker voor de ijs­ijd-theorie zou worden.

Agassiz hoorde tot de groep gel­eerden die ervan overtuigd waren dat de grote blokken zwerfsteen, die her en der in het landschap lagen, daar moesten zijn terecht­gekomen tijdens de zondvloed uit Noach’s tijd. In 1833 had George Lyell, de bekende Engelse ge­oloog, het denkbeeld geopperd dat deze stenen ingevroren waren ge­weest in ijsbergen, die met de rondvloed meedreven en na afsmelten hun last hadden laten vall­en.

Deze zienswijze was een variant op de heersende visie in de weten­schappelijke wereld dat de stenen door de kracht van de hoge vloed­golven van weleer waren meegev­oerd en over de aarde waren verspreid. Een probleem bij deze theorieën was natuurlijk dat de zondvloed op sommige plaatsen wel heel erg hoog gestaan moest hebben om de aanwezigheid van zwerfkeien in bergvalleien te verklaren. Maar dat was toch Gods werk geweest, dus waarom zouden de geologen in de eerste helft van ie negentiende eeuw daaraan twijfelen?

Twee jaar na de lezing in Lu­zern bracht Louis Agassiz een be­zoek aan de Charpentier. Deze wist tijdens bergwandelingen zo­veel stenen en krassen te laten zien dat Agassiz alsnog tot het denkbeeld van ijstijden werd overgehaald. Vlug van begrip als hij was verdiepte hij zich serieus in het probleem en begon ‘plus royalist que le roi’ een theorie te ontwikkelen, waarin hij zijn fanta­sie soms de vrije loop liet. Hij zag grote delen van Europa verijsd voor zich liggen – dat bleek cor­rect – maar later in zijn leven raakte hij zó op drift dat hij be­paalde geologische afzettingen in het Amazone-gebied ook trachtte te verklaren met behulp van ijs­kappen, die vanaf de noordpool over de hele aardbol opgerukt zouden zijn.

Jaarcongres

Zóver ging hij op 26 juli 1837 nog niet, toen hij als voorzitter van het Zwitsers genootschap op een jaarcongres in Neuchâtel zijn visie onder de aandacht van de belangrijkste geleerden uit Europa bracht.

Desondanks veroorzaakte zijn lezing zo’n opwinding dat de rest van het dagprogramma in het wa­ter viel. Om emoties en denkbeel­den een beetje te stroomlijnen werd een excursie belegd. Het moet een mooi gezicht zijn ge­weest, koppige en excentrieke ge­leerden als Leopold von Buch en Jean-Baptiste Elie de Beaumont nors bijeen in een koets op weg naar de Jura onder leiding van de
jonge Agassiz, die verongelijkt uit het raam keek en die zijn gezel­schap tijdens de reis allerminst wist te overtuigen.

Een mede-excursist: “Eigenlijk was ik er zeker van dat er onder­ling nogal wat jaloezie en egoïsme bestond. Von Buch liep met zijn ogen naar de grond heel druk te praten tegen een Engelsman en de Beaumont sprak luid over de Py­reneeën terwijl we in de Jura wa­ren.”

Zo stond Agassiz’ ‘Verhande­ling van Neuchâtel’ aan het begin van een langdurige discussie, waarin pas rond 1865 een beetje overeenstemming in denkbeelden bereikt zou worden en die kop­stukken als Alexander von Hum­boldt naar de pen zou doen grij­pen.

In december 1837 raadde hij Agassiz vaderlijk aan om zijn vroegere zoeken naar fossiele vis­sen weer op te vatten. “Door dat te doen”, schreef von Humboldt, “zult u een positievere bijdrage aan de geologie leveren dan door uw ‘ijselijke’ beschouwingen over omwentelingen in de oertijd!”

Mammoeten

IJstijden zijn nu ingeburgerd. Ze behoren tot het aardrijkskun­depakket op de middelbare school en ingevroren mammoeten zijn beeldende onderwerpen voor dio­rama’s en kinderverhalen.

Kort geleden verscheen het boek ‘IJstijden’, geschreven door John Imbrie, één van de onder­zoekers van het Amerikaanse Cli­map-project dat in 1971 werd op­gezet met het doel het klimaat over de laatste zevenhonderddui­zend jaar te bestuderen. Imbrie behandelt de hele onderzoekhistorie op het gebied van de ijstij­den.

Het is een goed leesbaar en uit­stekend gedocumenteerd verhaal geworden, waarbij hoogstens op­gemerkt kan worden dat Imbrie naar het eind van zijn boek toe nogal detaillistisch wordt en het Amerikaanse onderzoek wel erg uitgebreid behandelt – waar­schijnlijk om de indruk te verster­ken dat zijn eigen werk en de vele subsidies goed besteed zijn ge­weest.

Er zijn meerdere ijstijden ge­weest, van verschillende duur en intensiteit. De bekendste namen in Europa zijn Günz-, Mindel-,  Riss- en Würm-ijstijd, eind vorige eeuw bedacht door de Duitse ge­ograaf Albrecht Penck. Het lang­ste ijstijdvak was de Biber-ijstijd, een strenge winter van achthonderdduizend jaar lang. De laatste was de Würm-ijstijd, die vijfenze­ventigduizend jaar duurde en die nog maar twintigduizend jaar ge­leden haar kille vingers van Euro­pa aftrok.

Midden in deze laatste ‘glaciaal’ – zoals een ijstijd in wetenschap­pelijke kring wordt genoemd – waren grote delen van noord Amerika, Europa en Rusland met ijs bedekt. Totaal was zeventig miljoen kubieke kilometer water in gletschervorm opgeslagen, dat is driemaal zoveel als nu de noord­- en de zuidpool tezamen. Hierdoor was het zeeniveau meer dan hon­derd meter lager dan nu en grote delen van de zeebodem lagen droog. In Nederland kwam het ijs tot de lijn Haarlem-Nijmegen. Ten zuiden daarvan lagen boom­loze toendra’s, begroeid met hei en andere taaie, plantjes, waarop rendieren en mammoeten graas­den als prooi voor jagers uit de Steentijd.

Poolkappen

Deze romantische beelden spre­ken voor zich, maar laten de vraag buiten beschouwing: waar­om waren er ijstijden? Wat was de reden dat de poolkappen begon­nen te groeien en na verloop van tienduizenden jaren weer als sneeuw voor de zon verdwenen?

De eerste die een poging waag­de om een verklaring aan te geven was Joseph Adhémar, een wis­kundige uit Parijs, die in 1842 een ‘astronomische theorie’ lanceerde: de baan van de aarde om de zon is nooit constant; bepaalde wijzi­gingen in die baan kunnen verant­woordelijk zijn voor minder in­stralend zonlicht op bepaalde plaatsen op aarde; dit kan dus pe­riodes van koude teweeg brengen aan de polen, waardoor een ijstijd ontstaat.

Deze methode om klimaatsver­anderingen te verklaren met be­hulp van zich wijzigende ‘baan-parameters’ van de aarde onder­scheidt zich van een andere groep theorieën, waarin een afkoeling is te wijten aan zaken als interstel­laire stofwolken die voor de zon hangen, vermindering van de stralingskracht van de zon zelf, of vulkaanas dat zich na een eruptie hoog in de atmosfeer nestelt en als een soort zonnescherm een tijdlang om de aarde zweeft.

Equinoxen

Adhémars theorie was geba­seerd op de ‘processie der equi­noxen’, een mystieke naam voor het verschijnsel dat de aarde als een wiebelende tol – in een ellips – om de zon draait (dus niet keurig in een cirkel onder een constante hoek). Door dit wiebe­len kon Adhémar verklaren dat het soms aan de polen kouder werd dan anders, met een periodi­citeit van elfduizend jaar. Helaas werd zijn theorie door Alexander von Humboldt ontkracht.

De volgende die het probeerde was James Croll, van oorsprong een Schotse timmerman met een tijdrovende hobby voor astrono­mie en geologie. Deze kwam na jaren rekenen in 1864 met het denkbeeld dat de aarde afkoelde omdat óók de ellips, waarin wij om de zon draaien, verandert. Soms is het meer een cirkel, dan weer een plattere baan.

Samen met de berekeningen van Adhémar kwam Croll tot een overzicht van de opwarming en de afkoeling van de aarde over de af­gelopen drie miljoen jaar. Ook zijn theorie raakte onder het stof.

De derde en bekendste bereke­naar van astronomische theorieën was Milutin Milankovitch. Hij becijferde aan het begian van deze eeuw de kracht, waarmee de zon op verschillende geografische breedtes op het aardoppervlak straalt, rekening houdend met alle baanwijzigingen. Hij vond voor de afgelopen 650.000 jaar op 55, 60 en 65 graden noorderbreedte een aantal temperatuurminima, waar­in de laatste vier ijstijden mooi zouden passen.

Zijn theorie trok – en trekt nog steeds – grote aandacht: Mi­lankovitch was zo tevreden over zijn werk dat hij, toen hij later alles netjes had opgeschreven en vond dat hij klaar was, tegen zijn vrouw zei: “Ik heb nu niets meer te doen, ik ben te oud om een nieuw project te starten. Ik ga dus nu mijn biografie schrijven want dat moet toch gebeuren en als iemand anders dat probeert zal die het waarschijnlijk niet goed doen.” Zijn boek verscheen in 1952 – en zes jaar later stierf hij, 79 jaar oud.

Stopwatch

De geologen hadden intussen ook niet stilgezeten en waren op vele keileemlagen, lössafzettingen en veenbodems gestuit. De situa­tie aan het begin van de vijftiger jaren was: een grote hoeveelheid theorieën omtrent ijstijden, en evengrote on­enigheid onder de opstellers daar­van. Er werd een sterke behoefte gevoeld aan een techniek, waar­mee men in het verleden de tijd kon meten. Een soort ‘geologische stopwatch’ om de winnende theo­rie aan te wijzen.

Die kwam; de ‘grootste door­braak in het ijstijd-onderzoek sinds het ontdekken van de gletscherkrassen’ wordt de methode ge­noemd, die gebaseerd is op een idee van de Amerikaanse onder­zoeker Harold Urey uit 1947. Er bleek namelijk een verband te be­staan tussen de samenstelling van kalkskeletjes van fossiele plank­tondiertjes en de hoeveelheid ijs die tijdens het leven van dat plankton op aarde bevroren lag.

Door in de oceaanbodem te boren kreeg men – keurig conti­nu op volgorde vanaf nu tot vele duizenden jaren geleden – gege­vens omhoog waaruit men de hoeveelheid ijs kon aflezen. Deze elegante onderzoeksmethode, waaraan dertig jaar werd ge­schaafd, had vanaf het begin van de jaren zeventig een aantal over­tuigende grafieken tot resultaat.

Langzaam

IJstijden blijken langzaam te komen maar weer snel te gaan. Met moeite bouwen ze hun ijspakketten op, telkens weer wat terugvallend, maar langzaam en zeker komen ze over een periode van vijftig- tot honderdduizend jaar tot volle wasdom, waarna ze plotseling en onbegrijpelijk snel besluiten te verdwijnen.

Daarnaast bleek uit berekenin­gen dat relatief kleine oorzaken als het slingeren van de aardbaan om de zon, vulkaanas in de at­mosfeer of dergelijke verkoelende verschijnselen nooit zulke enorme klimaatgevolgen als een ijstijd kunnen hebben. Dat zou hetzelf­de zijn als wanneer het afstrijken van een lucifer net zoveel warmte tot resultaat zou hebben als een laaiend strovuur.

Wat wel zou kunnen ­– en wat het ‘slaghoedje-ëffect’ wordt ge­noemd – is dat een lucifer ge­bruikt kan worden om een stro­vuur aan te steken. In termen van ijstijden: kleine afkoelingen op aarde zorgden ervoor dat een ijs­kap aan de pool een beetje kon groeien en werd opgestart. Vanuit die situatie kon hij het verder zelf; hij ging een eigen leven leiden en trok zich niet veel meer aan van het klimaat. Het begin van een ijs­tijd is dus zeer temperatuurgevoelig, maar het verloop verder niet.

De redenen dat ijspakketten zichzelf opbouwen zijn twee schoolvoorbeelden van het ver­schijnsel ‘positieve terugkoppe­ling’. Als een ijskap groter wordt kaatst hij meer zonlicht terug de ruimte in, waardoor het kouder wordt, waardoor de ijskap weer sneller groeit. Etcetera.

De andere groeifactor: hoe ho­ger een ijskap, des te kouder daar­boven, des te meer sneeuw blijft liggen waardoor de ijsberg weer hoger wordt. Eenvoudiger kan het niet.

Computer

Het kenmerkt onze tijd dat een bij uitstek tot de verbeelding spre­kend begrip als een ‘ijstijd’ niet kon ontsnappen aan verwerking per computer. Dr. J. Oerlemans, geofysicus in Utrecht is hierop zo­juist gepromoveerd. Hij heeft in zijn modelstudies een ijstijd weten te abstraheren tot een ingewikkel­de formule, waar geen mammoet meer in voorkomt maar waaruit wel een aantal verrassende conclusies tevoorschijn kwamen die in de wetenschappelijke wereld veel aandacht hebben getrokken.

Zo blijken ijstijden de neiging te hebben om honderdduizend jaar te duren. Deze cyclus blijkt in werkelijkheid ook min of meer te zijn opgetreden in het verleden, zoals duidelijk is geworden uit het planktononderzoek. Tot nu toe werd eigenlijk gedacht dat deze periodiciteit het gevolg was van temperatuurvariaties op aarde en de periode van honderdduizend jaar werd ook al door Milankovich berekend. Oerlemans zegt nu dat dit op toeval berust.

De werkelijke reden is volgens hem dat de duur van honderdduizend jaar ‘intern gegenereerd’ wordt. Hierbij blijkt het inzakken van de aardbodem een belangrijke rol te, spelen. Zonder dit ver­schijnsel zou een ijstijd namelijk niet willen ophouden volgens de modelstudie. Hij zou dan tot in lengte van dagen in een soort evenwichtsfase verkeren waarbij Utrecht niet meer onder de gletschers vandaan zou komen.

Als de aardkorst echter inzakt, ligt dat anders. Deze taaie, vicieu­ze schil bezwijkt langzaam maar zeker onder de druk van miljoe­nen tonnen ijs en begint te dalen, waardoor bijvoorbeeld in de laat­ste ijstijd Scandinavië een kilome­ter naar beneden ging. Hierdoor raakte de top van het ijspakket onder een bepaalde kritische hoogte, waarbeneden het te warm werd zodat het ijs begon te smelten. Aan smelten is geen limiet, dat kan net zo snel gaan als het warm is, in tegenstelling tot de groeisnelheid van een ijskap; die afhankelijk is van neerslag (en dat is aan de pool net zo weinig als in e woestijn).

Ondanks het afsmelten daalde de bodem toch nog verder door; eenmaal in beweging gezet was dit gigantische proces niet zo ineens te stoppen. Dit verder zakken be­vorderde de afsmelting weer extra, waardoor het hele proces nog eens werd versterkt. Dit vertraagd in­zakken van de aardbodem is dus de variabele in de formule van dr. Oerlemans die er verantwoordelijk voor is dat de ijstijden zo snel ter­rein verloren.

Broeikas

Belangwekkender voor het le­ven van alle dag is: wanneer krij­gen we de volgende? Oerle­mans in zijn proefschrift: “We kunnen er tamelijk zeker van zijn dat in de toekomst een nieuwe ijstijdperiode zal aanbreken. Het is echter heel moeilijk om te zeggen wanneer dit zal gebeuren omdat het begin van ijstijd niet een dui­delijk aanwijsbare oorzaak heeft.” Het lijkt af te hangen van een toe­vallige samenloop van – elkaar versterkende – kleine omstandig­heden die bij elkaar opgeteld vol­doende oorzaak kunnen vormen om ijskappen te laten ‘starten’.

Voorlopig lijkt er geen reden tot zorg. Onze baan om de zon is – zo hebben astronomen berekend – de komende tijd tamelijk cirkelvor­mig en de hoek van de aarde is zodanig dat de polen genoeg zonlicht vangen om het ijs koest te houden.

Daarnaast zijn we bezig om de aarde op te warmen door alsmaar meer kooldioxide aan de lucht toe te voegen door het ongelimiteerd stoken van fossiele brandstoffen. Kooldioxide ‘vangt’ het zonlicht waardoor de temperatuur op de wereld zal stijgen op den duur. Dit verschijnsel heet het ‘broeikaseffect’.

Aan de andere kant is gemeten dat het sinds de Tweede Wereld­oorlog eerder koeler is geworden dan omgekeerd. In dertig jaar is de temperatuur gemiddeld een halve graad gezakt. Dus hebben we toch een ijstijd voor de boeg?

Hoe dan ook, je ziet ze wel aankomen. IJskappen doen er vijf­tigduizend jaar over om bij Gro­ningen ons land binnen te kruipen en in die tijd zullen we er wel een middel tegen gevonden hebben.

Mocht dat onverhoopt niet het geval zijn kunnen we altijd nog verhuizen naar Australië of Zuid Amerika, waar ijstijden niet voor­kwamen. Omdat Antarctica tot in de verre omtrek is omgeven met oceanen kreeg het ijs geen kans om op degelijke basis te beginnen en verder te groeien. Zo ontsnapte de zuidelijke helft van de aarde aan de enorme bevriezingen waardoor de noordelijke helft mil­joenen jaren lang werd geteisterd.

 

– ‘De IJstijd’, John Imbrie en Ka­therine Palmer Imbrie, Standaard wetenschappelijke Uitgeverij Ant­werpen/Amsterdam

– ‘Model experiments on the 100.000 year glacial cycle’, J. Oer­lemans, Nature, Vol. 287, no. 5781, pp. 430-432, October 2, 1980.

 

 

KADER

Een goed inzicht in de hoeveelheid ijs dat op de aarde aanwezig was, werd verkregen door fossiele kalkskeletjes van bepaalde planktonsoorten (Foraminiferen) te analyseren. Waar het om gaat is de verhouding tussen twee zuurstof-isotopen (¹⁸0 en ¹⁶0), een zware uitvoering (atoomgewicht 18) en een lichte uitvoering (16) van een zuurstofatoom. Deze twee soorten zuurstofatomen komen van nature naast elkaar voor en hebben dezelfde chemische eigenschappen. Fysisch verschillen ze echter.

De verhouding waarin de twee isotopen ¹⁸0 en ¹⁶0 in het planktonskeletje voorkomen is dezelfde verhouding van ¹⁸0 en ¹⁶0 in het zeewater op het moment dat het plankton leeft en zijn skelet opbouwt. Als het plankton dood gaat wordt de ¹⁸0/¹⁶0 verhouding van het zeewater mee het graf ingenomen en daar vastgelegd voor eeuwig.

Hoe kan de ¹⁸0/¹⁶0 verhouding nu met de grootte van ijskappen in verband worden gebracht? Al het ijs op aarde is afkomstig van regen of sneeuw, en dat is verdampt water uit de oceanen. Water (H₂O)) dat ‘licht’ zuurstof (¹⁶0) bevat verdampt gemakkelijker dan water met ‘zwaar’ zuurstof (¹⁸0). Dit betekent dat, wanneer er veel ijs is, er relatief ook veel licht zuurstof (¹⁶O) verdampt moet zijn, en dat er dus relatief veel zwaar zuurstof (¹⁸0) achter gebleven is in het water. Dat kan teruggevonden worden in de planktonresten uit die tijd. met andere woorden: als er veel ijs was op aarde, is de verhouding ¹⁸0/¹⁶O in de fossiele planktonresten uit die periode groot. Dat kan gemeten worden in een laboratorium.

Door in de oceaanbodem te boren en lange ‘kernen’ omhoog te halen vindt men fossiel plankton tot honderdduizenden jaren geleden. Het – door overal in de boorkern de ¹⁸0/¹⁶O verhouding te onderzoeken – is mogelijk een continue grafiek te maken van de hoeveelheid ijs op aarde over dezelfde periode als de boorkern lang is.

Belangrijk is nu: waar ligt een geschikt startpunt in het verleden? Hoe oud is bijvoorbeeld een punt op 15 meter diepte in de boorkern? Duizend jaar, of honderdduizend jaar? Het bepalen hiervan gebeurt met ‘geomagnetische datering’.

Het is namelijk gebleken dat de richting van het aardmagnetisch veld in het verleden wel eens omdraaide. Zo’n omdraaiing vond 700.000 jaar geleden voor het laatst plaats. Deze omkering van het magnetisch veld is ‘fossiel’ in gesteentes vastgelegd en kan men meten. Het punt kan ook in sommige boorkernen teruggevonden worden en dat geeft dus een duidelijke tijdsmarkering. Door nu vanaf dat punt langs de boorkern naar boven toe keurige streepjes te zetten verdeelt men het verleden in kleinere onderdelen en heeft men zijn geologische klok.

 

Bijschrift:

Om het ontstaan van ijskappen en ijstijden te begrijpen kan men in gedachten een evenwichtslijn trekken, waarboven ijskappen blijven liggen en waar beneden ze afsmeken. Als door de één of andere oorzaak (een verandering in de baan om de zon bijvoorbeeld een ijskap ontstaat zal deze blijven groeien als eenmaal de evenwichtslijn is bereikt. De ijskap groeit dan maar door tot ongeveer na 100.000 jaar de bodem gaat inzakken en de kap beneden de lijn zakt en gaat afsmelten.