Klimaathistorie

Nu zijn de belangrijkste gassen 78% stikstof, 21% zuurstof, 1% argon en 0.04% koolstofdioxide; aangevuld met waterdamp dat het weer bepaalt. De waterdamp bevindt zich vooral nabij de evenaar op geringe hoogte boven zeeniveau. Weeramateurs kijken ook graag naar regionale verschillen in klimaat. Men moet beseffen dat over de regionale verschillen op zo'n tijdschaal niet heel veel bekend is. We kijken al gauw naar het mondiale klimaat.

De geschiedenis van de atmosfeer, zon en Aarde
Zo'n 4.600 miljoen jaar begon het verhaal van ons zonnestelsel. Ruimtemateriaal (gassen) kwam samen door de eigen zwaartekracht en door de vrijkomende zwaarte-energie werd onze zon gevormd zoals die nu ongeveer is, alsmede planeten. Dat duurde wel nog even, want pas enkele honderden miljoenen jaren later was de maan bijvoorbeeld ook present.

Leven
Zo'n ruime drie tot krappe vier miljard jaar geleden (zo denkt de wetenschap op dit moment) startte het leven op aarde. Een belangrijk probleem was dat er nog geen zuurstof was. Het leven van toen putte energie uit andere chemische reacties dan de fotosynthese van koolstofdioxide naar zuurstof die we nu kennen (door planten). Er werd toen koolstofdioxide en waterstof gebruikt om methaan te vormen. Daarmee is het niet vreemd dat de concentraties methaan en koolstofdioxide in die tijd (drie miljard jaar geleden) veel hoger lagen, dan nu. Dit betekent dat het broeikaseffect zoals we dat nu kennen ook veel sterker was. Niet zo gek, want de energieproductie op de zon door de processen die daar plaatsvinden was nog lager. Als we dit tegen elkaar weg zetten, een nog sterker broeikaseffect, maar een zwakkere zon, is het ook niet vreemd dat er toen een enigszins vergelijkbaar klimaat met nu heerst, met als belangrijkste kenmerk vloeibaar water. Voor het bestaan van vloeibaar water op Aarde in die tijd is bewijs. Hoe het er is gekomen, is nog niet duidelijk. Eén van de hypotheses is dat het vloeibare water door kometen (die bestaan ten dele uit ijs) hier werd gebracht. Dat is geen vreemd idee, want in die tijd waren er veel meer inslagen van kometen, dan nu op Aarde.

Zuurstof
Zo'n 2.200 tot 2.400 miljoen jaar geleden kwam er zuurstof in de aardatmosfeer. Voor sommige organismen was zuurstof giftig en voor deze organismen was de zuurstoftoename een regelrechte ramp. Die moesten zich terugtrekken tot milieus zonder directe connectie met de atmosfeer. Andere organismen profiteerden juist en versterkten de zuurstofproductie. Met die sterke zuurstofproductie ging de aardatmosfeer lijken op de huidige.

Zuurstoftoename in de atmosfeer van 0 tot circa 5% ruim 2000 miljoen jaar geleden.

Een volgend probleem in deze periode was de afname van concentraties koolstofdioxide en methaan (methaan en zuurstof gaan slecht samen, zuurstof zorgt voor een afname van methaanconcentraties door betrokken chemische reacties). Het broeikaseffect werd veel minder. De zonne-energie was tevens minder dan nu (zo'n 15% zwakker) en er werd een afkoeling ingezet. De aarde werd een sneeuwbal met temperaturen van tientallen graden onder nul (welke winterliefhebber wil daar niet eens beelden van zien?!). Geleidelijk werd de koolstofdioxideconcentratie weer wat opgebouwd (op een sneeuwbal heb je nauwelijks verliezen van koolstofdioxide) en werd het broeikaseffect weer sterker. Zo ontsnapte de aarde na honderdduizenden jaren weer aan sneeuw en ijs. Nu kon de koolstofdioxide weer wat afnemen tot een meer stabiele waarde en er was een veel stabieler klimaat. Soms was het wat warmer, soms wat kouder. Maar over het algemeen was de temperatuur gemiddeld over de aardbol boven het vriespunt van water en onder de circa 35 graden Celsius (nu 14-15 graden Celsius). De precieze temperatuur hangt vooral af van de concentratie van koolstofdioxide af.

IJstijden
De laatste twee miljoen jaren werd het klimaat op Aarde vooral gekenmerkt door een afwisseling van ijstijden en tussen-ijstijden. In een ijstijd was de gemiddelde temperatuur over de hele aardbol weinig boven het vriespunt, in de buurt van 0-10 graden. Tussen de ijstijden in was de gemiddelde temperatuur op Aarde boven de 10 graden, maar niet boven de 20 graden Celsius. De afwisseling tussen ijstijden vond plaats door de zogenaamde Milankovisch Cycli. Dit zijn drie cycli die totale instraling en verschillen tussen regio's van onze Aarde bepalen. Ze ontstaan door de baan van de Aarde om de zon.
De belangrijkste oorzaak van een ijstijd is de afname van de hoeveelheid instraling op de hoge geografische breedtegraden in de zomer. Deze bepalen namelijk hoe ver het ijs in de zomer smelt. IJs op zijn beurt heeft weer invloed op de straling. Dit komt doordat ijs veel straling terugkaast (wat aangeduid wordt met de term Albedo). Daardoor is het bij de aanwezigheid van ijs in de zomer kouder dan bij de afwezigheid van ijs. Dit heeft weer invloed op het smelten van ijs. Zo'n zichzelf versterkend mechanisme wordt ook wel positieve terugkoppeling genoemd en is een belangrijke oorzaak voor het ontstaan van ijstijden.
Zo'n tienduizend jaar geleden kwam onze Aarde uit een ijstijd. In ijstijden is het met name op hoge breedtegraden kouder door het ijs dat daar aanwezig is. De laatste tienduizend jaar zitten we dus in een warme periode.

Stralingscycli: de drie cycli eerst apart. Daarna de som van deze cycli,
van toepassing op 65 noorderbreedte. Daaronder de temperaturen die
erbij horen.

Klimaatverandering
Het is zeer waarschijnlijk dat we door de huidige klimaatverandering, de uitstoot van koolstofdioxide de laatste honderdvijftig jaar, ontsnappen aan het komen van een nieuwe ijstijd. De koolstofdioxide concentratie in de atmosfeer is gedurende de cycli van ijstijden zo'n 50 tot 70% van de huidige geweest, waarmee we met de uitstoot van koolstofdioxide relatief onbekend terrein zullen verkennen. Dit betekent dat andere gevoelige onderdelen van het klimaatsysteem zouden kunnen gaan wankelen. Daarom zijn modellen een belangrijk onderdeel van klimaatverwachtingen. Hierin worden zoveel mogelijk van de door het verleden bekende onderdelen van het systeem Aarde met haar klimaat verwerkt om een verwachting van de toekomst te maken. Om te controleren of die verwachting voldoet, worden zulke modellen ook vaak met metingen uit verleden vergeleken. Tevens worden allerlei metingen gebruikt om de Aarde te monitoren.

Auteur: Edward Groot