Klimaatverandering

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Nuvola single chevron right.svg Dit artikel behandelt het fenomeen 'klimaatverandering'. Voor de op het moment waargenomen opwarming van de aarde, zie Opwarming van de Aarde.
Portaal AardwetenschappenEarth equator northern hemisphere.png
De Aarde vanuit de ruimte gezien

Klimaatverandering is de verandering van het gemiddelde weertype of klimaat over een bepaalde periode. De verandering manifesteert zich het duidelijkst in een stijging of daling van de gemiddelde temperatuur, veranderingen van luchtstromingen en van de waterkringloop en daarmee van de bewolking en de hoeveelheid neerslag op Aarde. Deze veranderingen hebben invloed op woestijnvorming, wetlands, overstromingen door buiten hun oevers tredende rivieren en de grootte van ijskappen en gletsjers. Op langere termijn hebben klimaatveranderingen ook invloed op zeestromingen, het zeeniveau en het zoutgehalte van het zeewater.

Klimaatverandering kwam in het begin van de 21e eeuw in de belangstelling vanwege een geobserveerde opwarming van de Aarde. Klimaatverandering is niet uniek aangezien het klimaat, net als het weer, continu verandert. In het geologische verleden zijn er perioden geweest waarin het op land meest warm en vochtig was of juist erg heet en droog. Ook zijn er perioden geweest waarin het op Aarde veel kouder was dan nu, zoals tijdens de ijstijden. De verschillen in klimaat gedurende de verschillende perioden zijn het grootst in de poolgebieden en rond breedtegraden waar in de moderne tijd een gematigd klimaat heerst. Ze zijn het kleinst rond de evenaar en tussen de keerkringen.

Oorzaken en onderzoek[bewerken]

Cooksonia, de oudst bekende landplant, uit het Midden-Siluur.

Het klimaat en klimaatveranderingen hangen in de eerste plaats af van veranderingen in de afstand van de Aarde tot de Zon en de zonneactiviteit. Verder spelen de hoek die de rotatieas van de Aarde maakt met het vlak van de Aardbaan rond de Zon, de verdeling van continenten over het aardoppervlak en de hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer een belangrijke rol. De continentale drift en de samenstelling van de atmosfeer zijn belangrijke grootheden voor het regelen van het klimaat. Grote natuurrampen hebben in het verleden vrijwel zeker klimaatveranderingen veroorzaakt of in gang gezet.

Het klimaat en klimaatveranderingen bepalen welke ecosystemen in bepaalde gebieden op aarde voorkomen en hoe die zich ontwikkelen. Daarmee zijn klimaatveranderingen, samen met de platentektoniek, belangrijke drijvende krachten achter de evolutie van de soorten die in de verschillende biotopen van deze ecosystemen voorkomen. Aan de andere kant beïnvloeden de organismen het klimaat en de klimaatveranderingen. Zodoende bestaat er een terugkoppeling van de verschillende soorten op het klimaat en het ecosysteem waarin ze leven. Die terugkoppeling kan zowel positief als negatief zijn. De mens vormt daarop geen uitzondering.

De snelheid waarmee klimaatveranderingen zich voltrekken varieert sterk. Deze veranderingen kunnen traag en geleidelijk verlopen maar ook snel en schoksgewijs. Bovendien verlopen klimaatveranderingen niet overal op Aarde even snel en op dezelfde manier. Over de oorzaak van de meeste klimaatveranderingen in het verleden is meestal niet erg veel bekend zodat deze fenomenen onderwerp van multidisciplinair natuurwetenschappelijk onderzoek zijn.[1] Vanwege het belang van behaalde onderzoeksresultaten voor maatschappelijke en technologische ontwikkelingen geven publicaties op dit terrein soms aanleiding tot verhitte discussies en ijzige controversen.

Klimaatveranderingen in het geologische verleden[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie voor meer informatie over de bestudering van het klimaat in vroegere tijden het artikel over paleoklimatologie.
Voor meer informatie over de geschiedenis en ontwikkeling van de Aarde zie het artikel geschiedenis van de Aarde.
All palaeotemps.png

In bovenstaande figuur is het temperatuurverloop op Aarde weergegeven over de afgelopen 542 miljoen jaar, sinds het begin van het Cambrium tot op heden. De periode van eerste vier miljard jaar van het Precambrium ontbreekt in deze afbeelding. De tijdschaal over de verschillende perioden is niet lineair maar wordt bij elke periode steeds verder opgerekt naarmate het heden nadert.

Geologische tijdschalen[bewerken]

Steamboat Rock, Garden of the Gods, Colorado Springs, rotspartij met een geologische gelaagdheid.

De indeling van de geologische tijdschalen zijn voortgekomen uit een combinatie van koppelingen tussen gegevens uit stratigrafisch onderzoek naar de gelaagde structuur van de afzettingen in de bodem en vondsten van fossielen en hun dateringen. In deze tijdsindelingen heeft de ontwikkeling van de fauna een groot gewicht ten opzichte de ontwikkeling van de flora. Bovendien is het niet duidelijk in hoeverre de gevonden afzettingen en fossielen gebeurtenissen en ontwikkelingen uit het verleden op een betrouwbare manier weergeven.

Voor de veranderingen van het klimaat hoeft deze tijdsindeling niet noodzakelijkerwijs de beste te zijn. Een tijdsindeling waarin de evolutie van de flora meer gewicht zou hebben past daarvoor mogelijk beter. Aangezien planten zuurstof produceren en het broeikasgas kooldioxide vastleggen spelen ze een belangrijke rol in de koolstofkringloop en voor de samenstelling van de atmosfeer. De continentale drift en de verdeling van de continenten over het aardoppervlak zijn eveneens belangrijk maar zijn evenmin zichtbaar in de gebruikte geologische tijdschalen.

Precambrium[bewerken]

Stromatolieten uit het Precambrium in de Siyeh Formatie, Glacier National Park (Montana V.S.)

Het Precambrium, tussen 4.560 en 542 miljoen jaar geleden, beslaat een periode van ongeveer vier miljard jaar, dat is meer dan 85 % van de tijd dat de Aarde bestaat. Aan het begin van het Precambrium werd de aardkorst gevormd. Deze periode kenmerkte zich, vooral aan het begin, door grote vulkanische activiteit en inslagen van meteorieten en kometen. Het eerste leven ontwikkelde zich na verloop van tijd waarna primitieve algen de koolstofdioxide, waaruit een groot gedeelte van de vroege atmosfeer bestond, door middel van fotosynthese begonnen om te zetten in zuurstof en organische verbindingen, zoals koolhydraten, vetzuren en aminozuren.

Archeïcum[bewerken]

Het klimaat tijdens het Archeïcum, aan het begin van het Precambrium tussen 4.560 miljoen jaar tot 2.500 miljoen jaar geleden, moet aanvankelijk, tijdens het Hadeïcum, zeer heet geweest zijn. Van de eerste 400 miljoen jaar na het ontstaan van de Aarde, het Crypticum, zijn tot op heden geen gesteenten gevonden. Tegen het eind van het Hadeïcum was de lithosfeer flink afgekoeld en relatief stabiel geworden. De atmosfeer bestond waarschijnlijk uit een mengsel van gassen waaronder waterdamp, stikstof, waterstof, methaan, waterstofsulfide, ammoniak, kooldioxide en koolmonoxide.

Continenten waren nog niet aanwezig en de dunne instabiele aardkorst bestond uit kratons die grotendeels onder water stonden. De wereldoceaan lag vol met kleine eilandjes. Het klimaat was daardoor waarschijnlijk relatief homogeen. De atmosfeer bevatte relatief hoge concentraties broeikasgassen als kooldioxide, methaan en ammoniak. Hoewel de zonneactiviteit relatief laag was was het mede door de aanwezigheid van deze broeikasgassen warm. De eerste vormen van leven zijn waarschijnlijk al rond 4,0 tot 3,6 miljard jaar geleden, halverwege het Archeïcum, ontstaan. Het betrof de eerste primitieve extremofiele soorten bacteriën die archaea genoemd worden. De oudste stromatolieten die op de aanwezigheid van leven wijzen zijn in West-Australië en Canada gevonden en zijn waarschijnlijk 3.500 miljoen jaar oud.

Paleoproterozoïcum[bewerken]

IJzeroxidelagen in gesteente uit het Paleoproterozoïcum

Het Paleoproterozoïcum duurde van 2.500 tot 1.600 miljoen jaar (Ma) geleden. De Huronische ijstijd is de oudste bekende ijstijd die duurde van 2.400 tot 2.100 miljoen jaar geleden gedurende het Siderium en het Rhyacium aan het begin van het Paleoproterozoïcum. Deze ijstijd was waarschijnlijk het gevolg van de eerste zuurstofcrisis.

Aanvankelijk werd vrijwel alle door de primitieve cyanobacteriën geproduceerde zuurstof aan het ijzer gebonden dat tijdens deze periode nog aan het aardoppervlak aanwezig was. Nadat alle ijzer aan het aardoppervlak geoxideerd was steeg de zuurstofconcentratie in de atmosfeer. Daardoor verdween vrijwel alle methaan uit de atmosfeer. Omdat methaan een sterk broeikasgas is koelde de atmosfeer sterk af nadat dit broeikasgas door oxidatie met zuurstof verdwenen was.

Neoproterozoïcum[bewerken]

Het omstreden supercontinent Pannotia

In de laatste periode van het Precambrium, het Neoproterozoïcum van 900 tot 542 miljoen jaar (Ma) geleden, kende de Aarde tijdens het Cryogenium twee ijstijden. Tijdens de laatste periode was vrijwel de hele Aarde met ijs bedekt, de zogenaamde sneeuwbalaarde van rond 650 Ma en mogelijk 710 of 750 Ma geleden. Het meeste kooldioxide was uit de atmosfeer verdwenen en opgeslagen in het ijs. Door de hoge reflectie was de inkomende warmte-energie van de Zon met ongeveer 8 % afgenomen. Tijdens deze periode zijn de eerste Metazoa en Bilateria, de voorouders van de meeste dieren, ontstaan.

De continentale massa was tussen 600 en 540 miljoen jaar geleden volgens sommige onderzoekers voornamelijk gelokaliseerd rond de huidige zuidpool op het supercontinent Pannotia. De ligging van een groot continent op of rond een van de polen, in combinatie met de sterk gedaalde kooldioxideconcentratie in de atmosfeer, kan het optreden van de ijstijden tijdens het Cryogenium verklaren.

Tijdens het Precambrium hebben zich grote en belangrijke klimatologische, geologische en evolutionaire veranderingen en ontwikkelingen voorgedaan waar nog niet veel van bekend is. In deze periode zijn de huidige olie- en gasvoorraden ontstaan.

Paleozoïcum[bewerken]

Tijdens het Paleozoïcum, de eerste era van het Fanerozoïcum tussen 542 en 251 miljoen jaar geleden, vindt een grote evolutionaire ontwikkeling plaats. Voor de klimatologische ontwikkelingen is de verovering van het land door levende organismen van het grootste belang. Die verovering van het vaste land vond plaats in een periode tussen ongeveer 450 en 300 miljoen jaar geleden.

Cambrium tot Carboon[bewerken]

Cambrianmap.svg

Toen aan het einde van het Precambrium, 542 miljoen jaar geleden, het ijs smolt kwam het kooldioxide uit het ijs vrij en veranderde het klimaat van een "koelkast" in een "broeikas". Aangenomen wordt dat deze geologisch gezien plotselinge klimaatverandering aan het begin van het Cambrium de Cambrische explosie heeft veroorzaakt. De zeebodem was begroeid met eenvoudige wieren en koralen en werd bevolkt door weekdiersoorten.

Na het Cambrium volgde 488 miljoen jaar geleden het Ordovicium dat warm begon met een hoog zeeniveau en na een afkoeling in een ijstijd eindigde tijdens het Hirnantien. Tijdens het Siluur, van 443,7 tot 416 miljoen jaar geleden, liep de temperatuur weer op en heerste er een warm en vochtig klimaat. De biodiversiteit in de wereldzeeën groeide sterk. Er zijn aanwijzingen dat het klimaat gedomineerd werd door stormen. De zee werd bevolkt door vissen die in een vegetatie van wieren rondzwommen. Op land ontstonden de eerste primitieve plantensoorten, zoals mossen en varens, en primitieve insecten zoals springstaarten.

In het midden van het Devoon, van 416 tot 359,2 miljoen jaar geleden, veranderde het klimaat van vochtig en warm naar droog en heet. Op land ontstonden de eerste primitieve bossen. Aan het eind van het Devoon doet zich de Laat-Devonische extinctie voor die vermoedelijk het gevolg geweest is van klimaatverandering ten gevolge van de daling van de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer. Deze daling van de kooldioxideconcentratie zou het gevolg geweest zijn van de efficiënte fotosynthese door de nieuw geëvolueerde landplanten.

Carboon tot Perm[bewerken]

Het supercontinent Pangea zoals het 250 tot 210 miljoen jaar geleden bestond

Het Carboon, van 359,2 tot 299 miljoen jaar geleden, werd bij aanvang gekenmerkt door een warm en vochtig klimaat. De plantengroei ontwikkelde zich explosief en er ontstonden uitgestrekte bossen en kustmoerassen met bomen tot zo'n 30 meter hoogte. Voor het eerst in de evolutie raakte een aanzienlijk deel van de continenten dicht begroeid met planten en bomen. Reptielen, amfibieën en insecten gedijden goed in deze omgeving. Het was in het Westfalien dat de in noordwest Europa en het noordoosten van Noord-Amerika uitgestrekte koolvoorkomens werden afgezet. Aan het einde van het Carboon was de Aarde aanzienlijk afgekoeld waarschijnlijk door de afname van de kooldioxodeconcentratie in de atmosfeer.

In het Perm, van 299 tot 251 miljoen jaar geleden, heerste er een droog klimaat met grote temperatuurverschillen en er zijn aanwijzingen gevonden voor gletsjers en ijstijden in deze periode. Op grote delen van de continenten heerste een klimaat dat waarschijnlijk te vergelijken met het huidige klimaat in delen van Centraal-Azië en Noord- en Oost-Afrika.

Perm-Trias-massa-extinctie en Trias[bewerken]

De grens tussen het Perm en het Trias, 251 miljoen jaar geleden, werd bepaald door de Perm-Trias-massa-extinctie. Dat was de grootste massa-extinctie uit de Aardse geschiedenis die zich over een periode van ongeveer 80.000 jaar uitstrekte. Ze is waarschijnlijk veroorzaakt door een hoge vulkanische activiteit in de Siberische Trappen die voorafgegaan werd door een lange periode van verlaagde vulkanische activiteit. Volgens de huidige inzichten was er in de periode voor deze massa-extinctie sprake van een gestage klimatologische opwarming door de vertraging van geofysische processen die de vulkanische activiteit bepalen. De toename van de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer die daarvan het gevolg was veroorzaakte een opwarming van het oceaanwater. Als er geen ijskappen op de polen zijn vertragen zeestromingen over het algemeen aanzienlijk. Bij een hogere temperatuur komt het oceaanwater vrijwel stil te staan omdat de temperatuur aan het oppervlak het hoogst is en afneemt op grotere diepte. De zuurstof verdween daardoor vrijwel geheel uit het oceaanwater waardoor hogere organismen verdwenen en er hoofdzakelijk anaerobe micro-organismen overbleven. Die micro-organismen produceerden methaan en waterstofsulfide dat op grotere diepte in gashydraten vastgelegd werd.

De apocalyptische vulkanische activiteit tijdens de vorming van de Siberische Trappen had een verdere opwarming van het klimaat tot gevolg. Mogelijk heeft in dezelfde periode een meteorietinslag plaatsgevonden. Tijdens deze periode van extreme opwarming is een grote hoeveelheid van het zeer giftige waterstofsulfide in de atmosfeer terechtgekomen die eerder als gashydraat op de oceaanbodem opgeslagen was. Tijdens deze extreme klimaatverandering liep de gemiddelde temperatuur op Aarde met ongeveer 10 °C op.

Mesozoïcum[bewerken]

Sharovipteryx BW.jpg

Het Mesozoïcum, de tweede era van het Fanerozoïcum, duurde van 251 tot 65 miljoen jaar geleden en omvat het Trias, de Jura en het Krijt. Het Mesozoïcum was vrij warm, er zijn gedurende de hele periode geen ijskappen op de polen geweest en er zijn evenmin aanwijzingen dat er veel gletsjers geweest zijn.

Het zeeniveau lag ongeveer 100 meter hoger dan tegenwoordig en het kooldioxide- en zuurstofgehalte van de atmosfeer waren veel hoger dan tegenwoordig. De lucht had een hogere dichtheid zodat vliegen gemakkelijker was dan tegenwoordig en planten en bomen konden sneller vlamvatten. De hele landmassa op Aarde lag op het supercontinent Pangea dat aan het begin van het Mesozoïcum aaneen gesloten was en in de loop der tijd begon op te breken. Grote delen van Pangea stonden onder water en vormden warme ondiepe binnenzeeën.

Tijdens het Trias, van 251 tot 199 miljoen jaar geleden, was het klimaat relatief droog en warm met aan de polen een nat en gematigd klimaat. Pangea had waarschijnlijk voor het grootste deel een landklimaat met grote verschillen tussen de seizoenen en verschillende droge en natte moessons in de streken rond de evenaar. Aan het eind van het Trias vond over een periode van ongeveer 20.000 jaar de Trias-Jura-extinctie plaats waarvan de oorzaak niet duidelijk is. Mogelijk heeft klimaatverandering door vulkanisme of het vrijkomen van methaan uit gashydraat daarbij een rol gespeeld.

Tijdens de Jura, van 199 tot 145,5 miljoen jaar geleden, en vrijwel het gehele Krijt, 145,5 tot 65,5 miljoen jaar geleden, was het warm met een paar koelere perioden rond de overgang van Jura naar Krijt, zoals tijdens het Berriasien. Halverwege het Krijt was het weer zoveel warmer dat er palmen in het noordelijk poolgebied groeiden. De temperatuur van het zeewater in de huidige Noordelijke IJszee lag waarschijnlijk boven de 20°C zodat het gebied tijdens de poolnacht overdekt werd met een deken van dichte isolerende mist. Daardoor bleef de temperatuur in de poolgebieden ruim boven het vriespunt.

Macronaria scrubbed enh.jpg

Volgens sommige onderzoekers was de snelheid van de koolstofkringloop tijdens deze perioden hoog omdat grote groepen giraffe-achtige dinosauriërs de vegetatie afgraasden waarbij ze een enorme ravage aanrichtten. Deze dieren hadden een slechte spijsvertering waardoor ze weinig energie uit het slecht verteerbare voedsel konden halen. Daarom moesten ze veel eten waardoor ze veel feces met onverteerde plantenresten achterlieten. Deze resten werden door bacteriën en schimmels verder verteerd. Op deze manier bleef de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer hoog zodat de temperatuur op Aarde ook hoog bleef. Door het hoge kooldioxidegehalte van de atmosfeer en de hoge temperaturen was de plantengroei zeer weelderig zodat de schade die de dinosauriërs aan de vegetatie toegebracht hadden relatief snel weer hersteld was.

Het einde van het Krijt wordt gekenmerkt door een afkoeling van het klimaat, die mogelijk werd versneld door de global dimming ten gevolge van de vulkanische activiteit van de Deccan Traps en de inslag van een meteoriet bij Chicxulub. De inslag van de meteoriet markeert de K-T-overgang, het begin van het Paleogeen, en maakte een eind aan de hegemonie van de dinosauriërs.

Cenozoïcum[bewerken]

De verhouding van zuurstofisotopen in sedimentlagen uit de laatste 70 miljoen jaar. Deze verhouding is een proxy voor de temperatuur op Aarde.

Het Cenozoïcum, de laatste era van het Fanerozoïcum, begon direct na de massa-extinctie aan het einde van het Krijt 65 miljoen jaar geleden. Het klimaat was naar hedendaagse maatstaven vrij warm en veranderde aanvankelijk slechts weinig. In de eerste deel van het Paleogeen warmde het klimaat op om vervolgens naar het Kwartair af te koelen.

Paleogeen tot Kwartair[bewerken]

Rond 50 miljoen jaar geleden werd het klimaat geleidelijk warmer, met het Azolla event en een kortstondige uitschieter rond 55 Ma, op de overgang tussen het Paleoceen naar het Eoceen. Deze snelle en kortstondige opwarming wordt het Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM) genoemd. De grassen ontstonden waardoor grote oppervlakten met graslanden bedekt werden. De klimaatverandering ging samen met een stijging in de biodiversiteit van zoogdieren en de evolutie van grotere en complexere soorten. De klimaatverandering is vermoedelijk veroorzaakt door het vrijkomen van grote hoeveelheden methaan uit gashydraat op de bodem van de zee. Tijdens het Oligoceen was het iets koeler geworden met ijskappen op de polen. In de bossen ontstonden grotere open plekken met grasland waarop grote grazers graasden.

De gemiddelde temperatuur op Aarde lag tegen het eind van deze periode iets boven het hedendaagse niveau. Tijdens het Mioceen warmde het klimaat aanvankelijk op om halverwege deze periode weer af te koelen. Een meteorietinslag, waarbij de Nördlinger Rieskrater in het tegenwoordige zuiden van Duitsland gevormd werd, is hiervan de vermoedelijke oorzaak geweest. Door de afkoeling werd het aardse klimaat ook droger.

Tijdens het Plioceen werden klimaten wereldwijd droger en ongeveer 3 °C koeler. Het klimaat was daarmee nog iets warmer dan het huidige klimaat. Het zeeniveau daalde naar het einde van deze periode met ongeveer 50 meter doordat de ijskappen aan de polen aangroeiden.

Pleistoceen[bewerken]

Ruim 2,5 miljoen jaar geleden brak aan het begin van het Kwartair het Pleistoceen aan, een ijstijd waarin koude glacialen en warmere interglacialen elkaar begonnen af te wisselen. Inmiddels hebben zich ongeveer vijftig van zulke grotere en kleinere ijstijden voorgedaan. De laatste 1 miljoen jaar waren er ongeveer tien grotere interglacialen tussen de glacialen in.

Verandering van de zuurstof-18 isotoop concentraties in sediment die wijst op een periodieke zeeniveau- en temperatuurdaling in de afgelopen 5,5 miljoen jaar.

Veel water was tijdens het laatste glaciaal als sneeuw en ijs op de poolkappen en in gletsjers gebonden. De zeespiegel lag 120 meter lager dan nu, de kustlijn van de Noordzee bevond zich enkele honderden kilometers noordwaarts en het deel tussen Noord-Nederland en Groot-Brittannië lag boven water. Mammoeten en andere dieren trokken over deze drooggevallen vlakte. Er lagen ook menselijke nederzettingen over het hele gebied verspreid.

De periodieke omslag van koude glacialen naar warmere interglacialen is volgens sommige evolutiebiologen van cruciaal belang geweest voor de ontwikkeling van de hersenen van Hominiden als de neanderthaler en de mens.[2] Het Pleistoceen eindigde met de Jonge Dryas.

Holoceen[bewerken]

Het Holoceen is het huidige interglaciaal, dat 11.700 jaar geleden begon, met een klimaat zoals dat de afgelopen 10.000 jaar geheerst heeft. Het is niet helemaal duidelijk wanneer het huidige interglaciaal afloopt.

Changes in temperature Chinese holocene.PNG

Temperatuurveranderingen in China over de afgelopen 18.000 jaar.
Let op: de temperatuuras staat onderste boven!
Blauw is afkoeling, rood is opwarming.

Volgens sommige onderzoekers was er tussen 7.000 en 3.000 jaar geleden sprake van een klimatologisch temperatuur optimum en hebben de landbouwactiviteiten die de mens ontplooid heeft de laatste 2.000 jaar invloed gehad op het klimaat op Aarde. Over de effecten van de uitstoot van broeikasgassen op het klimaat bestaat in wetenschappelijke kringen brede overeenstemming. Wat de invloed van de mens op de verdere ontwikkelingen zal zijn is onderwerp van onderzoek en discussie (zie Opwarming van de Aarde en IJstijden en Milankovitch cycli).

Historische extremen[bewerken]

In de recente geschiedenis hebben zich een aantal malen voor langere of kortere tijd wereldwijd extreme weersomstandigheden voorgedaan die waarschijnlijk door grote natuurrampen, bepaalde cycli of spontane fluctuaties veroorzaakt zijn.[3][4][5][6]

Het voormalige hospitium van de abdij van Aduard
Vulkaan bij de Lakispleet op IJsland
Kaart van de Tambora die het jaar zonder zomer in 1816 veroorzaakt heeft
  • In de jaren 535-536 na Chr. heersen wereldwijd hongersnoden wegens misoogsten. Er zijn in China, Europa, het Midden-Oosten en Peru historische bronnen ontdekt die melding maken van een jarenlange malaise. Veel historici zijn van mening dat er na 535 wereldwijd een langdurige culturele crisisperiode aangebroken is. Er is dendrologisch bewijs voor global dimming rond deze tijd en ijskernen uit zowel Groenland als Antarctica bevatten in dat jaar een hoge zwavelzuurconcentratie. Er zijn veel theorieën over de oorzaak van de extreme weersomstandigheden in omloop die meestal wijzen naar vulkanisme in de omgeving van de evenaar.[7] De crisis zou volgens sommige onderzoekers aanleiding geweest kunnen zijn voor het ontstaan en de opkomst van de islam.[bron?]
  • Van ongeveer 800 tot 1300 na Chr. breekt een warme periode aan die het Middeleeuws klimaatoptimum genoemd wordt. De temperatuurstijging tijdens deze periode bleef waarschijnlijk beperkt tot (een deel) van het Noordelijk halfrond. In ijskernen uit Antarctica zijn daar geen sporen van terug te vinden. In tegenstelling tot de periode na 535 kenmerkt deze periode zich door culturele bloei. Het Christendom vestigt zich definitief in Europa. Overal worden kloosters, kerken en kathedralen gebouwd, zoals de Notre-Dame van Parijs, gebouwd van 1163 tot 1345. Vanuit de Abdij van Aduard werd na 1192 het kwelderlandschap in de omgeving van Aduard door honderden monniken ingepolderd.[8] Rond dezelfde tijd breekt er in Midden-Amerika en het huidige Californië een periode van droogte aan waardoor onder anderen de precolumbiaanse culturen van de Maya's en de Pueblo's verdwenen.[9]
  • Van ongeveer 1350 tot ongeveer 1800 was er een daling in de gemiddelde temperatuur op Aarde. Dit wordt de kleine ijstijd genoemd. De winters waren kouder en duurden langer, de zomers minder warm en duurden korter. Er waren meer misoogsten, hongersnoden, economische crises, er braken pestepidemieën uit en er was vooral in de 14e eeuw regelmatig sprake van substantiële bevolkingskrimp. De gletsjers over de hele wereld groeiden. De Alpen lagen vol sneeuw. Het lijkt er sterk op dat dit geen eenmalig verschijnsel is.[10] De Kleine IJstijd wordt door veel zonneonderzoekers gezien als een gevolg van het Maunderminimum, een periode waarin er weinig zonnevlekken waren en waarin de zonneactiviteit waarschijnlijk verlaagd was. De zonnewind die in 1859 de Aarde trof werd volgens sommige onderzoekers veroorzaakt door zonnevlammen die het begin van een periode met een hogere zonneactiviteit zouden markeren.
  • In juni 1783 begon een serie van tien uitbarstingen van de Laki op IJsland die een maand of acht duurde en waarbij ongeveer honderdmiljoen ton SO2 in de hogere lagen van de atmosfeer uitgestoten werd. Na deze uitbarsting traden drie jaar lang extreme weersverschijnselen op over het gehele noordelijk halfrond met zeer strenge winters. Daarbij zou het ijs in de Mississippi tot New Orleans gedreven zijn, in India veranderde de windrichting voor een groot deel van het jaar waardoor grote droogte optrad en in Japan was het weer bijvoorbeeld ongewoon nat en koud. Over het hele noordelijk halfrond waren misoogsten en hongersnoden. Volgens sommige onderzoekers waren de resulterende economische malaise en maatschappelijke onrust en wanorde de oorzaak van de Franse Revolutie en de toestand van anarchie en banditisme die de laatste decennia van de 18e eeuw kenmerkte.
  • In 1815 barst na 1600 jaar rust in het toenmalige Nederlands-Indië de vulkaan de Tambora uit. Deze uitbarsting met een kracht van VEI-7 veroorzaakt het trieste jaar zonder zomer in 1816.[11] Later, in 1883, zou de Krakatau uitbarsten met minder ernstige gevolgen dan de uitbarsting van de Tambora. De Krakatau zou volgens historische bronnen ook in 535 uitgebarsten zijn.[12] De uitbarsting van Mount Pinatubo in 1991 op de Filipijnen veroorzaakte een wereldwijde temperatuurdaling van gemiddeld 0,5 °C. Dat is niet extreem en nauwelijks direct merkbaar, maar evenmin verwaarloosbaar en bovendien goed meetbaar.



2000 Jahre Temperaturverlauf LoehleE&E2007.svg


Uit o.a. metingen in 2004 in de Groenlandse ijskap is vastgesteld dat na het laatste glaciaal er verschillende kortere perioden van klimaatverschillen zijn vast te stellen. De kleine ijstijd zou een verschijnsel zijn dat zich regelmatig herhaalt na ongeveer 1470 tot 1480 jaar. Dit zijn de zogenaamde Dansgaard-Oeschger-cycli.

IJstijden en Milankovitch cycli[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie voor meer informatie over cyclische klimaatveranderingen het artikel Milankovitch cycli.

Het Pleistoceen is een ijstijd die uit grote en kleine glacialen bestaat die afgewisseld worden met interglacialen. Glacialen treden op met een periodiciteit die bepaald wordt door de Milankovitch cycli. De Milankovitch cycli bestaan uit drie periodes die ongeveer 100.000, 41.000 en 26.000 jaar duren. Het geologisch tijdvak waarin wij leven wordt het Holoceen genoemd. Dit is eigenlijk te beschouwen als het laatste interglaciaal: een geologisch gezien vrij korte, warme periode van ongeveer 10.000 jaar tussen twee glacialen in. Zo'n 11.000 jaar geleden eindigde het laatste glaciaal.

De oorzaken van de periodiciteit van de glacialen zijn een combinatie en interferentie van de effecten van de ellipticiteit van de aardbaan, de excentriciteit van de aardbaan en de precessie van de aardas. De baanvariaties zijn het gevolg van de storende zwaartekrachtsvelden van de planeten Jupiter en Saturnus op de aardbaan. De precessie van de aardas wordt veroorzaakt door getijdenvelden van de Zon en de Maan. Vermoedelijk heeft de aardas in het Precambrium zelfs een hoek van 54 graden met vlak van de aardbaan gehad. Daardoor was het verschil tussen de seizoenen op hogere breedtegraden veel groter dan tegenwoordig.

Door deze baanvariaties en precessiebewegingen wordt op bepaalde plaatsen op Aarde soms meer en soms minder zonne-energie van het zonlicht ingevangen. Bovendien is er een versterkend effect: als er veel ijs is op een bepaalde plaats wordt meer zonlicht de ruimte in gereflecteerd, waardoor het kouder wordt en er weer meer ijs ontstaat. Het omgekeerde proces versterkt zichzelf ook: als eenmaal het ijs gemiddeld over een aantal jaren vermindert dan wordt er meer zonnestraling geabsorbeerd door de landmassa's op Aarde en wordt het weer warmer. Daardoor smelten de gletsjers en de sneeuw weer sneller. Ten gevolge daarvan varieert het albedo van de Aarde.

Atmospheric CO2 with glaciers cycles.gif

In bovenstaande figuur is de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer weergegeven over de afgelopen 650.000 jaar. De concentraties zijn gemeten in ijskernen verzameld door het Vostokstation op de Zuidpool. In deze afbeelding is de 100.000 jarige periodiciteit van de Milankovitch cycli duidelijk zichtbaar. Verder valt het op dat er veel ruis op het signaal zit waardoor fijnere details onzichtbaar zijn. Het is niet bekend waardoor deze ruis veroorzaakt wordt.

Vostok 420ky 4curves insolation.jpg

In deze figuur zijn de gegevens uit verschillende bronnen gecombineerd om een optimaal beeld te krijgen van de klimatologische ontwikkelingen over de afgelopen 400.000 jaar. Er is bovendien een berekende instralingscurve toegevoegd. De gegevens van de gemeten kooldioxide- en methaanconcentraties lijken te suggereren dat glacialen abrupt eindigen en langzaam hun intrede doen. IJskernen met jaargelaagdheid in de Groenlandse ijskap waarin het laatste deel van het vorige interglaciaal, het Eemien bewaard was, suggereren dat het klimaat binnen enkele tientallen jaren omsloeg van een interglaciale naar een glaciale modus. De gegevens van de zuurstof-18 concentraties in sedimenten geven vooral informatie over het zeeniveau in dezelfde periode. Deze gegevens lijken de 26.000 en 41.000 jarige cycli ook weer te geven. Blijkbaar lopen de gemiddelde temperatuur op aarde, het zeeniveau en de instraling van de Zon, zoals ze hier gepresenteerd zijn, niet helemaal synchroon.

Door extrapolatie van de Milankovitch cyclus verwachten sommige klimatologen dat het huidige interglaciaal eindigt over 15.000 à 20.000 jaar. De huidige cyclus lijkt namelijk zeer veel op die van ongeveer 400.000 jaar geleden, waarin de meeste onderzoekers het Holsteinien plaatsen (MIS 11). Echter, volgens anderen zou het volgende minimum van de gemiddelde temperatuur op Aarde al binnen 6.000 tot 10.000 jaar bereikt kunnen worden. Dan zullen de poolkappen weer sterk groeien waardoor de zeespiegel weer tientallen meters daalt, de Noordzee droogvalt en gedeeltelijk bedekt wordt met sneeuw en ijs.

Continentale drift[bewerken]

Pangea animation 03.gif
Nuvola single chevron right.svg Zie voor meer informatie over continentale drift het artikel platentektoniek.

De drift van de continenten wordt als één van de oorzaken voor de grote klimaatverschillen in de verschillende geologische perioden gezien. Zowel de verdeling van de continenten over het aardoppervlak als de plaats ten opzichte van de aardas is van invloed. Als alle continenten bij elkaar liggen (zoals tijdens het supercontinent Pangaea) heerst er op veel plekken op de Aarde een landklimaat, droog en met extreme temperatuurschommelingen. Als er geen grote landmassa's zijn of als de landmassa's voor een groot deel onder water staan, zoals in verschillende perioden gedurende het Mesozoïcum, kan er op veel plaatsen een warmer en vochtiger klimaat heersen.

Poolgebieden en ijstijden[bewerken]

Double well.png

Als er grote landmassa's dicht bij of op de polen liggen, zoals tegenwoordig Groenland en Antarctica, dan worden enorme massa's water gebonden als sneeuw en ijs in ijskappen. Daardoor daalt het zeeniveau en neemt het albedogehalte sterk toe. Gevolg is dat de gemiddelde temperatuur op Aarde afneemt en de ijskap verder groeit.

Deze situatie vertoont een sterke overeenkomst met het mechanische probleem van de dubbele potentiaalput zoals dat links afgebeeld is. De positie van de knikker ten opzichte van de horizontale as staat voor de gemiddelde temperatuur op Aarde. De wisseling der seizoenen houdt in deze vergelijking de knikker in beweging waardoor hij over de potentiaalbarrière in het midden kan springen als de omstandigheden daarvoor gunstig zijn. Door de Milankovitch cycli verschuift het absolute minimum tussen de twee putten periodiek van links naar rechts en weer terug. Deze vergelijking zou de afwisseling tussen glacialen en interglacialen ten gevolge van de Milankovitch cycli verklaren. Gedurende andere ijstijden, zoals het geval was tijdens het Cryogenium, was het verschil tussen de twee klimatologische toestanden waarschijnlijk groter zodat er geen sprake van een afwisseling tussen glacialen en interglacialen geweest is.

De continentverschuiving wordt veroorzaakt door de platentektoniek die het gevolg is van convectiestromen van magma in de aardmantel. De continentverschuiving die daardoor optreedt gaat over afstanden in de orde van grootte van 0,5 tot 8,5 cm per jaar. Dat zou een verschuiving over een afstand van minimaal enkele tientallen tot maximaal enkele honderden kilometers zijn over de afgelopen 2,5 miljoen jaar sinds het begin van het Pleistoceen. Het is niet bewezen dat de continentverschuiving de enige factor is die bepaalt of er een periode van ijstijden aanbreekt.

De afkoeling tijdens het Carboon kan door de verlaging van het kooldioxodegehalte van de atmosfeer veroorzaakt zijn. Sommige wetenschappers hebben het vermoeden dat de ontwikkeling van de vegetatie een grote invloed op het aanbreken van het Pleistoceen heeft gehad. Nu zou er door de uitstoot van broeikasgassen en de huidige opwarming van de Aarde een warmere periode in de klimaatontwikkeling aan kunnen breken. Het IPCC is van mening dat de stijging van de gemiddelde temperatuur op Aarde tot 2 °C beperkt moet blijven om ernstige problemen en een ontregeling van het klimaat te voorkomen.

Het reliëf van het landschap[bewerken]

De Fitz Roy (3406 m) in het zuiden van de Argentijnse Andes

Behalve op ijstijden en ijskappen op de polen heeft de continentale drift ook invloed op het reliëf van het landschap en het plaatselijke klimaat. De verdeling en ligging van verschillende gebergten en vlakten op een continent hebben grote invloed op de waterkringloop en luchtstromingen en daarmee ook op de verschillende klimaten die op de verschillende continenten kunnen heersen.

Het reliëf in het landschap heeft soms veel invloed op neerslagpatronen. Zo is aan de zuidpunt van Zuid-Amerika de windrichting overwegend westelijk. Hoewel Patagonië omringd is door zee, is het achter de Andes droog omdat de relatieve luchtvochtigheid verlaagd is door de stijgingsregens aan de westkant van de Andes. West-Europa ligt op een vergelijkbare breedte, ongeveer 40 tot 55 °NB, ten noorden van de evenaar als Patagonië ten zuiden van de evenaar ligt. De windrichting is in het grootste deel van Europa wisselend maar overwegend westelijk. Er valt tot aan de Oeral jaarlijks een ruime hoeveelheid neerslag. Ten oosten van de Oeral, in de Gobiwoestijn, Mongolië en Mantsjoerije is het rond dezelfde breedtegraad, vanwege de grotere hoogten en de grote afstand tot de oceanen, relatief droog en voor het grootste deel van het jaar aanzienlijk kouder.

Zuid-China ligt op een vergelijkbare breedtegraad als Noord-Afrika, het Middellandse Zeegebied en het Midden-Oosten, ongeveer 25 tot 40 °NB. Het gebied is bergachtig en van nature vrij dicht bebost. Hier heerst een gematigd chinaklimaat volgens de klimaatclassificatie van Köppen. Op deze breedte bevinden zich gewoonlijk de drogere gebieden doordat hier de lucht in de Hadley- en Ferrelcellen meestal daalt. In het zuidelijke deel van China is dat anders. In de hogere delen van Ethiopië, Bolivia en Zimbabwe doen zich vergelijkbare situaties voor.

Continentale platen verschuiven met snelheden van enkele centimeters per jaar ten opzichte van elkaar terwijl de daling en stijging van de bodem enige millimeters per jaar bedraagt. Gebergten worden gevormd en zinken weer in de aarde weg op een tijdschaal van tientallen tot enkele honderden miljoenen jaren. Op die tijdschaal verschuiven continenten honderden tot duizenden kilometers ten opzichte van elkaar.

Bodemgesteldheid en vegetatie[bewerken]

De bodemgesteldheid op een bepaalde plaats is soms heel eenvoudig te verklaren uit de continentale drift: in het Carboon ontstond de steenkool die nu in Europa gedolven wordt in een tropisch klimaat omdat Europa toen rond de evenaar lag. De relatief snelle noordwaartse verschuiving van India tussen 60 en 20 miljoen jaar geleden heeft ervoor gezorgd dat dit continent achtereenvolgens een aantal verschillende klimaten en vegetatiezones kende.

Permafrost met een hexagonaal patroon dat door de druk wegens uitzetting gevormd is.

De huidige bodemgesteldheid wordt bepaald door het geologische verleden. Veel van de oudste gesteenten op Aarde bevinden zich in Australië, delen van Afrika, het noorden van Canada en op Groenland. De bodem is in die gebieden zeer arm aan voedingsstoffen omdat ze in de loop der tijd helemaal uitgeput en uitgeloogd is. Dat heeft gevolgen voor de flora en de fauna die van de vruchtbaarheid van de bodem afhankelijk is. De koolstof- en de waterkringloop draaien in ecosystemen die op deze droge arme bodems leven erg traag. Deze ecosystemen zijn erg kwetsbaar en herstellen na beschadiging niet of bijzonder traag.

Grote delen van het tropisch regenwoud in de Amazone staan op een relatief arme bodem zodat bijna alle voedingsstoffen, mineralen en het water in het ecosysteem zelf zijn opgeslagen. De koolstofkringloop draait in dit ecosysteem veel sneller dan in de droge Australische ecosystemen maar ze valt vrijwel stil als het ecosysteem te zwaar aangetast wordt. Als het bos verdwijnt blijft er vaak alleen een relatief onvruchtbare zandlaag over, verandert het klimaat van vochtig naar droog en verandert het ecosysteem in een savanne.

Een modern akkerbouwbedrijf in Polen. Deze grond zou zonder menselijke activiteit dicht bebost geweest zijn.

De situatie in Europa is geheel anders. Hier is de bodem vaak alluviaal, jong en gevarieerd en bestaat voor een deel uit klei en löss. Hier zijn de bodems rijk aan mineralen en is er ruim voldoende water om te laten groeien wat groeien wil als het weer het toelaat. Andere gebieden die met een vergelijkbare rijke bodemgesteldheid gezegend zijn zijn bijvoorbeeld de Indus-Gangesvlakte en de Nijldelta. Bodems die door vulkanische activiteit gevormd zijn zijn ook jong en vruchtbaar. Samen met de alluviale gebieden behoren vulkanische eilanden als Java en delen van de Filipijnen en Japan tot de dichtst bevolkte gebieden ter wereld. Ze hebben allemaal een weelderige plantengroei en een hoge flux van water en koolstof in hun water- en koolstofkringloop.

Sommige wetenschappers zijn van mening dat de landbouw de laatste 2.000 jaar een natuurlijke temperatuurdaling voorkomen heeft. Het is mogelijk dat door een combinatie van een verhoging van de snelheid van de koolstofkringloop, het methaangehalte van de atmosfeer en de verminderde koeling door ontbossing en andere nog onbekende effecten een temperatuurdaling voorkomen is. Er is bijvoorbeeld weinig met zekerheid te zeggen over het effect dat de landbouw en de verstoring van ecosystemen op het leven van micro-organismen gehad heeft.[13]

Invloed van het ecosysteem[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie voor meer informatie over de ontwikkeling van het leven en ecosystemen de artikelen over evolutie en ecologie.

Het ecosysteem op Aarde heeft vanaf de opkomst en bloei van de eerste generaties algen een grote invloed gehad op de samenstelling van de atmosfeer. Daarmee is het ecosysteem vrijwel vanaf het begin bepalend geweest voor de ontwikkeling van het klimaat. Het ecosysteem bepaalt voor een groot deel de koolstofkringloop en de zuurstofconcentratie en de concentraties van een aantal broeikasgassen in de atmosfeer. Het ecosysteem heeft op veel plaatsen boven land ook invloed op de waterkringloop.

Zuurstofcrises[bewerken]

Equisetum arvense een vuurvaste paardenstaart

Als het leven in het Precambrium niet was ontstaan dan zou de samenstelling van atmosfeer er nu heel anders hebben uitgezien. De Huronische ijstijd, van 2.400 tot 2.100 miljoen jaar geleden, is voor zover bekend de eerste grote klimaatverandering geweest die door levende organismen veroorzaakt is. De zuurstofconcentratie in de atmosfeer was flink opgelopen tijdens de zuurstofcrisis die aan deze ijstijd vooraf ging.

Als de zuurstofconcentratie of de zuurstofdruk in de atmosfeer oploopt dan verlopen oxidatieprocessen sneller. Methaan, dat een sterk broeikasgas is en vanaf het ontstaan van de Aarde in de atmosfeer aanwezig geweest is, wordt bij een hogere zuurstofdruk sneller afgebroken. Een temperatuurdaling is het gevolg. De grote ijstijden tijdens het Cryogenium aan het eind van het Precambrium, de sneeuwbalaardes, zijn door een zuurstofcrisis vooraf gegaan. De zuurstofconcentratie liep in die perioden op tot ver boven de 20 %, mogelijk zelfs tot boven de 30 %.

Tijdens het Mesozoïcum zijn de luchtdruk en de zuurstofdruk over langere perioden relatief hoog geweest. Voor dieren die het luchtruim als leefgebied prefereren, zoals pterosauriërs, heeft dat als voordeel dat vliegen in een zwaarder gasmengsel gemakkelijker gaat. Voor veel planten en bomen heeft het als nadeel dat ze licht ontvlambaar worden. De vegetatie bestond in deze perioden voor een groot deel uit coniferen, varens en paardenstaarten die moeilijk vlam konden vatten.

Gebrek aan zuurstof[bewerken]

In verschillende milieus ontbreekt het aan voldoende zuurstof om de in het voedsel aanwezige organische verbindingen te kunnen oxideren tot water en kooldioxide. Een dergelijke situatie doet zich voor in moerassen, in diepe meren met stilstaand water of in de darmstelsels van veel dierensoorten. Het zijn voorbeelden van voedselrijke anaerobe of zuurstofarme milieus. Veel bacteriën en gisten die in zo'n milieu leven kunnen de bindingen in de aanwezige voedingsstoffen zo herschikken dat er voldoende energie vrij komt om te kunnen voortbestaan.

Venenivibrio.jpg

Vaak komt er methaan vrij bij deze fermentatie en soms ook waterstofsulfide en zelfs een kleine hoeveelheid trichloorethaan. De gassen kunnen ontsnappen naar de buitenlucht maar ze kunnen ook in het milieu waar ze gevormd zijn achterblijven. De methaan die in de pens van runderen gevormd wordt komt meestal volledig vrij. Methaan die in moerassen gevormd wordt blijft deels in het moeras achter. De methaan die gevormd wordt in troggen op grote diepte in zee wordt waarschijnlijk voor het overgrote deel opgeslagen als methaanhydraat.

De effecten van het al dan niet vrijkomen van de gevormde methaan voor de klimaatverandering zijn tegengesteld. Er is door wetenschappers het vermoeden geuit dat grote hoeveelheden methaan, zoals die op dit moment in het permafrost van de bevroren toendra in de omgeving van de Noordpool opgeslagen zijn, in het verleden in korte tijd zijn vrijgekomen. Daardoor kan de temperatuur op Aarde in het verleden meermalen voor korte tijd sterk verhoogd geweest zijn.

Dat zou kunnen gebeuren na een periode van verhoogde temperatuur waardoor in een bepaald jaar uit de permafrost genoeg methaan vrijkomt om de temperatuur in het daarop volgende jaar verder te verhogen. Zo zou in een reeks van jaren een temperatuurstijging kunnen optreden totdat de laag aan het permafrostoppervlak uitgeput is. Door de beperkte verblijfstijd van 12 jaar van methaan in de atmosfeer is na enkele decennia de vrijgekomen methaan weer uit de atmosfeer verdwenen. Vervolgens zou het klimaat terug kunnen keren naar een toestand die vergelijkbaar is met die voordat het methaan vrij kwam.

Voor de Trias-Jura-extinctie en het Paleocene-Eocene Thermal Maximum is het vrijkomen van methaan uit hydraat als hypothetische oorzaak voor klimaatverandering naar voren geschoven. Tijdens de Perm-Trias-massa-extinctie zijn er grote hoeveelheden van het gevaarlijke en zeer giftige waterstofsulfide vrijgekomen.

Vegetatie, koolstoffixatie en afkoeling[bewerken]

Na het Siluur kruipt het leven uit de zee omhoog en raakt het vaste land steeds sneller begroeid met planten en bomen. Het hoogtepunt van deze plantaardige revolutie wordt in het Carboon bereikt. De vegetatie verlaagt de temperatuur op verschillende manieren:

Aantal zonuren per jaar boven land.
Rood is veel, blauw is weinig zonuren per jaar.
  • Door fotosynthese wordt het broeikasgas kooldioxide uit de atmosfeer geabsorbeerd.
  • Boven de vegetatie is de temperatuur meestal lager en is de luchtvochtigheid hoger dan boven een kale ondergrond.
  • Doordat planten water absorberen en lucht koel en vochtig houden neemt de bewolking op veel plaatsen boven land toe.

Onderzoek naar de waterkringloop in tropische regenwouden heeft aangetoond dat deze kringlopen grotendeels gesloten zijn. Het water dat verdampt komt elders in het regenwoud of in de omgeving weer naar beneden. Boven tropische regenwouden hangt gemiddeld veel bewolking zoals in de figuur rechts te zien is: het gemiddelde aantal zonuren per jaar behoren boven het Amazonegebied en het Kongogebied wegens de bewolking tot de laagste ter wereld.

Door een combinatie van bovengenoemde factoren en het vastleggen van koolstof in veenlagen op land is er tijdens het Carboon waarschijnlijk een daling van de gemiddelde temperatuur op Aarde opgetreden. Sinds het ontstaan van de grassen ligt sinds 50 miljoen jaar een aanzienlijk deel van hun biomassa opgeslagen in hun wortelstelsels die bij veel soorten het grootste deel van het gewicht uitmaken. Daardoor zijn gebieden die voorheen relatief kaal gebleven waren begroeid geraakt zoals in het geval van savannen en steppen. Het ecosysteem in natuurlijk grasland is vaak kwetsbaar zoals gebleken is toen boeren in de Verenigde Staten van de jaren 20 van de 20e eeuw akkerbouw probeerden toe te passen in droge prairie van Great Plains. De beschadiging van de wortellaag van de grassen leidde na een periode van droogte en stormen tot de beruchte Dust Bowl van de jaren 30.

Opwarming van de aarde[bewerken]

Family 3.svg

Een paar duizend jaar geleden is door de Mens een ontwikkeling in gang gezet die tegengesteld is aan de ontwikkeling tijdens het Carboon. Door de landbouw werden grote gebieden ontbost, steenkool werd verbrand en veengebieden werden in oplopend tempo drooggelegd en ontgonnen. Honderd jaar geleden kwam de exploitatie van de in het Precambrium opgebouwde olievoorraden op gang die al snel gevolgd werd door de exploitatie van de gasvoorraden. Sommige klimaatwetenschappers zijn van mening dat de afkoeling van het klimaat onder normale omstandigheden al geruime tijd gaande geweest zou zijn. In plaats daarvan lijkt er sprake van een opwarming te zijn die door de activiteiten van de Mens veroorzaakt is.

Organismen en populaties hebben invloed op hun omgeving die een positieve of negatieve terugkoppeling kan hebben op het organisme of de populatie zelf.[14] Als de hypothese klopt dat de landbouw een afkoeling van de Aarde heeft voorkomen, dan is de landbouw de afgelopen 2.000 jaar waarschijnlijk een positieve terugkoppeling geweest voor het evolutionaire succes en het voortbestaan van de Mens.

De meeste wetenschappers zijn van mening dat de afname van de biodiversiteit en de opwarming van de Aarde die geobserveerd worden door de Mens veroorzaakt zijn. Over het verdere verloop wordt veel gespeculeerd. De meeste scenario's schetsen een somber toekomstbeeld, tot het uitsterven van de Mens aan toe. Een minderheid ziet minder of weinig problemen of zelfs positieve ontwikkelingen en nieuwe kansen.

Klimatologische meetgegevens, cycli en fluctuaties[bewerken]

Atractor Poisson Saturne.jpg

Het weer en het klimaat worden onder anderen bepaald door de rotatie van de Aarde om haar as, de baan van de Aarde om de Zon, de banen van Jupiter en Saturnus om de Zon, de baan van de Maan om de Aarde en mogelijk zelfs door de baan van het Zonnestelsel in de Melkweg. Dit zijn allemaal min of meer cyclische bewegingen die samen een ingewikkeld interferentiepatroon vormen dat met vrij eenvoudige middelen redelijk nauwkeurig te berekenen is.

Daarnaast worden het weer en het klimaat onder andere bepaald door de platentektoniek, convectiestromen in de atmosfeer, de water- en koolstofkringloop en het ecosysteem op Aarde. Deze veranderingen zijn ingewikkelder dan de baanbewegingen van planeten en sterren. Het betreft vaak stromingsverschijnselen die beschreven worden door de aerodynamica, hydrodynamica en hydraulica en die soms turbulent kunnen verlopen.

Meteorologie en klimatologie draaien voor een groot deel om het meten en analyseren van meteorologische en klimatologische gegevens en het opstellen van modellen die weer en klimaat zo goed mogelijk beschrijven. Weermodellen zijn dynamische systemen die vaak niet-lineaire eigenschappen hebben. Het beroemde vlindereffect werd door de Amerikaanse meteoroloog Edward Lorenz in weerberekeningen ontdekt. Dat was vooral tijdens de jaren 70 van de 20e eeuw een aanzet voor de ontwikkelingen en computersimulaties op het gebied van de zogenaamde chaostheorie en systemen met een fractale dimensie.

Herkomst en waarde van meetgegevens[bewerken]

In de klimatologie speelt het begrip gemiddelde temperatuur op Aarde een centrale rol. Deze denkbeeldige temperatuur kan niet direct gemeten worden. De gemiddelde jaartemperatuur werd door verschillende weerinstituten over de wereld in een groeiend aantal landen vanaf de tweede helft van de 19e eeuw berekend uit gegevens van de gemeten buitenluchttemperatuur. Voor 1850 zijn door een aantal wetenschappers en instituten klimatologische gegevens gemeten en vastgelegd die voor onderzoek echter weinig gebruikt worden omdat er vaak te veel gegevens over de meetmethode ontbreken. Dat is voldoende reden om aan de waarde van deze gegevens te twijfelen.

METEOSAT.gif

Tegenwoordig worden door onder anderen de NASA, de ESA en de NOAA verschillende soorten satellieten ingezet om wereldwijd meteorologische metingen te doen. De ESA heeft een serie Meteosat satellieten in een baan om de Aarde gebracht. Hoewel satellieten veel soorten metingen kunnen doen die op een andere manier bijna niet mogelijk zijn blinken ze niet uit in het meten van de luchttemperatuur op de grond.

Temperaturen en andere klimaatgegevens van voor de tijd dat ze systematisch gemeten werden worden bepaald met methoden uit de paleoklimatologie. De klimaatgegevens worden afgeleid uit een combinatie van onderzoeksgegevens zoals de samenstelling van gassen die opgeslagen zijn in ijskernen, dendrologische gegevens, gegevens van pollen en metingen van zuurstofisotopenanalyse uit monsters van sedimenten.

Alle onderzoeksmethoden hebben hun beperkingen en deskundigen verschillen vaak van mening over de waarde van de uitkomsten van verschillende meetmethoden. Zo zijn er verschillen tussen de uitkomsten van metingen aan gassen in ijskernen uit Antarctica en Groenland. Die verschillen kunnen veroorzaakt worden door verschillen in klimaat op het noordelijk en het zuidelijk halfrond. Het kan ook komen doordat Antarctica klimatologisch geïsoleerd ligt op de Zuidpool, omringd door de relatief gesloten zeestroom rond de Zuidelijke Oceaan.

De kooldioxide- en methaanconcentraties die in ijskernen gemeten worden worden vaak als maat genomen voor het bepalen van de gemiddelde temperatuur over een bepaalde periode. Als deze gegevens vergeleken worden met de gegevens van de zuurstofisotopenanalyse uit sediment, waarmee de hoogte van het zeeniveau bepaald wordt, dan ontstaat er niet zelden een probleem.

Analyse van meetgegevens[bewerken]

Op een reeks tijdsafhankelijke meetgegevens kan een Fouriertransformatie toegepast worden. De Fouriertransformatie van een reeks tijdsafhankelijke meetgegevens levert een frequentiespectrum op. Als f(t) bijvoorbeeld de gemeten temperatuur is tussen de tijdstippen t1 en t2 dan wordt de Fouriergetransformeerde temperatuur gegeven door:

Resonantiepiek met een Gausslijnvorm
 \mathcal{F}(\omega) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{t_1}^{t_2} f(t) e^{- i\omega t}\,dt

De functie \mathcal{F}(\omega) vertoont pieken rond de frequenties waarop oscillaties optreden zoals weergegeven in de figuur rechts voor een enkele frequentie.[15]

Lijnvormen en lijnbreedten[bewerken]

Een piek zoals weergegeven in de figuur rechts heeft een intensiteit, een lijnvorm en een lijnbreedte of bandbreedte. Bekende lijnvormen zijn de Gauss- en de Lorentzlijnvorm. Meestal komen er meerdere pieken voor in een frequentiespectrum die verschillende intensiteiten, lijnvormen en lijnbreedtes kunnen hebben. De lijnvorm en lijnbreedte worden bepaald door een reeks van factoren, zoals de correlatie over langere tijd en het aantal perioden van de oscillatie in het signaal.

Fluctuaties en ruis[bewerken]

Vrijwel alle meetreeksen bevatten behalve een signaal ook een hoeveelheid ruis. Ruis wordt veroorzaakt door fluctuaties in een signaal die niet periodiek zijn en geen correlatie vertonen. Ook ruis heeft een (continu) spectrum dat in veel gevallen gegeven wordt door de functie:

 |\mathcal{F}(\omega)| = \frac{C}{\omega^n}

De waarde van n geeft aan om welk type ruis het gaat. Witte ruis is niet afhankelijk van de frequentie zodat n = 0. Roze ruis wordt zwakker naarmate de frequentie toeneemt waarbij n = 1. Vervolgens wordt er nog onderscheid gemaakt tussen bruine en zwarte ruis met respectievelijk n = 2 en n > 2. De waarde van n hoeft geen geheel getal te zijn en kan zelfs (gedeeltelijk) afhankelijk zijn van de frequentie.

In het geval van een signaal met witte ruis gaat de basislijn van het spectrum omhoog. In andere gevallen moet het ruisspectrum bij het frequentiespectrum opgeteld worden. Ruisspectra en lijnvormen van resonanties kunnen belangrijke informatie bevatten over het systeem waaraan gemeten is en de processen die zich daarin afspelen.

In de praktijk kunnen meetgegevens van slechte kwaliteit zijn zodat Fouriertransformaties van die meetgegevens er ongeveer even chaotisch uitzien als het oorspronkelijke signaal. Meetreeksen die voor klimatologisch onderzoek gebruikt worden lijden vaak aan zulke tekortkomingen. Meer meetgegevens verzamelen en nauwkeuriger meten is de enige manier om daar verbetering in aan te brengen.

Voorbeelden[bewerken]

Als over een lange reeks van jaren in een stedelijke omgeving op elk uur van de dag op een bepaalde plaats de buitentemperatuur gemeten zou worden dan vertoont het frequentiespectrum waarschijnlijk een scherpe piek bij de frequentie 1 / 24 uur−1, een minder scherpe piek bij 1 / 365,2425 dag−1 en mogelijk een antropogeen piekje bij 1 / 7 dag−1 ten gevolge van het weekritme dat mensen erop nahouden. Het is de vraag of dat laatste piekje te onderscheiden zal zijn van de ruis in het spectrum.

Temperatuurverloop tijdens het Fanerozoïcum

Fouriertransformaties kunnen goed gebruikt worden voor het manipuleren van signalen, zoals het wegfilteren van ruis of bepaalde frequentiegebieden of het middelen over een tijdsdomein door middel van convoluties. In de figuur rechts is in grijs het temperatuurverloop tijdens het Fanerozoïcum weergegeven met twee tijdsgemiddelden, blauw voor een tijdsgemiddelde van korte duur en zwart voor een tijdsgemiddelde van lange duur.

De zwarte lijn lijkt te suggereren dat er een oscillatie optreedt met een periode van ongeveer 135 miljoen jaar terwijl de blauwe blokken op de tijdas suggereren dat zich met dezelfde frequentie ijstijden voordoen. Nadere beschouwing leert dat zich rond de grens tussen Jura en Krijt, waar een lichtblauw blokje geplaatst is, voor zover bekend geen sprake geweest is van een ijstijd of iets wat daar op leek. Er zijn hooguit een aantal bergen en bergruggen geweest met gletsjers op de toppen. Waarschijnlijk waren de polen al die tijd ijsvrij. Met de gesuggereerde periodiciteit blijkt het bij nadere beschouwing eveneens tegen te vallen. Er zit een forse spreiding tussen de afstanden tussen pieken en dalen over slechts 3 à 4 perioden. Een afbeelding van een Fouriertransformatie ontbreekt.

In dit soort gevallen is het voor velen lastig om wetenschap van tasseografie te onderscheiden. De filter- en selectiemogelijkheden van Fouriertransformatietechnieken kunnen de gebruiker ten dienste staan om storende ruis en andere vertekeningen die door een meetmethode veroorzaakt worden te onderdrukken. Dezelfde technieken kunnen de gebruiker ook de nodige toverkracht verlenen om op creatieve wijze het perspectief en de kleur van de belichting op een bepaalde zaak naar wens aan te passen of door het toepassen van een speciale toverspreuk iets nieuws uit de ruis te scheppen.

Oceanische oscillaties[bewerken]

Luchtdrukverschillen van december tot maart tussen Lissabon en Reykjavik

Zeestromingen hebben een grote invloed op het klimaat. Boven warm zeewater is de verdamping bijvoorbeeld hoog zodat de lucht vochtig wordt, opstijgt en wolken vormt waarbij tegelijkertijd warmte van het zeewater naar de hogere luchtlagen getransporteerd wordt. Dit proces is de oorzaak van het ontstaan van tropische cyclonen. Hoe warmer het zeewater, hoe zwaarder de tropische cyclonen.

De temperaturen van het zeewater en de sterkte en richting van zeestromen varieert op sommige plaatsen met de seizoenen. Bovendien kunnen die watermassa's in sommige gevallen in verschillende richtingen bewegen. Dat is bijvoorbeeld het geval in het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan en in het zuidelijk deel van de Stille Oceaan.

De verdeling warm en koud water over het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan verschilt per jaar. Die verschillen zijn bepalend voor luchtdrukverschillen tussen de Azoren en Groenland gedurende de wintermaanden en ook voor luchtstromingen en het weer in deze omgeving. Deze jaarlijkse variatie wordt de Noord-Atlantische oscillatie (NAO) genoemd.

Zoals in de figuur rechts te zien is lijkt er geen correlatie tussen de situaties tussen opeenvolgende jaren te bestaan en er lijkt geen periodiciteit te zijn. Een vergelijkbaar fenomeen doet zich voor in het zuidelijk deel van de Stille Oceaan met El Niño en La Niña. El Niño doet zich gemiddeld ongeveer eens per vijf jaar voor maar duidelijke correlaties of een vorm van periodiciteit zijn moeilijk te ontdekken.

Dansgaard-Oeschger-cycli[bewerken]

De Dansgaard-Oeschger-cycli doen zich voor over een lange periode en lijken als resonantie significant boven de ruis uit te komen met 23 perioden over een tijdspanne van bijna 90.000 jaar. Ze hebben een periode van 1.470 jaar met een brede spreiding van ±532 jaar. Er ontbreekt echter een goede sluitende verklaring voor deze cycli hetgeen in combinatie met de brede spreiding bij sommigen de nodige twijfel oproept.

Kosmische straling en zonnewind[bewerken]

Kosmische straling (rood) en temperatuur (zwart) over de afgelopen 520 Ma

Het is lastig te verklaren hoe een bliksemschicht op grote hoogte kan ontstaan. Een plausibele verklaring zou kunnen zijn dat een kosmisch stralingsdeeltje een geïoniseerd spoortje trekt in een gebied met een voldoend hoge potentiaalgradiënt om een gasontlading op gang te brengen. Het gemiddelde aantal bliksemontladingen wereldwijd is bovendien niet gelijkmatig over de dag verdeeld wat ook op een rol van kosmische straling of zonnewind zou kunnen wijzen.[16]

Net als in het geval dat geladen deeltjes in een bellenvat gasbelletjes kunnen laten ontstaan, zouden geladen deeltjes uit de kosmische straling onder bepaalde omstandigheden druppeltjes in de atmosfeer kunnen creëren. Dat zou de wolkvorming kunnen beïnvloeden en versterken. De Deen Henrik Svensmark is een warm pleitbezorger van een theorie dat kosmische straling en de zonnewind een grote invloed op wolkvorming en klimaatverandering zouden hebben. Hij is zelfs van mening dat de momenteel geobserveerde opwarming van de aarde door variaties in de kosmische straling en de zonnewind veroorzaakt worden. De eerste resultaten[17] van het onderzoek "CLOUD" met behulp van de deeltjesversneller bij CERN lijken Svensmark daarin gelijk te geven.

Variaties in de kosmische straling zouden een gevolg kunnen zijn van de bewegingen van ons Zonnestelsel in het Melkwegstelsel. De omlooptijd van ons Zonnestelsel binnen de Melkweg bedraagt ongeveer 220 miljoen jaar. De figuur suggereert dat ons Zonnestelsel tijdens een omloopcyclus twee maal een verhoogde dosis kosmische straling ontvangt. Deze afbeelding ziet er zeer overtuigend uit. Een blik op de ongefilterde gegevens doet vermoeden dat hier een moderne toverstaf gehanteerd zou kunnen zijn.

Extreme weersomstandigheden[bewerken]

De waarde van n in de formule van de ruisspectra hoeft geen geheel getal te zijn zoals in de gevallen van witte, roze of bruine ruis. Het is voor organisaties en instellingen als verzekeringsmaatschappijen of waterschappen van levensbelang om inzicht te hebben in het verloop van frequentiespectra van chaotische verschijnselen als extreme weersomstandigheden en klimaatveranderingen. Daarin is de exponent n de bepalende factor.

Voor het bouwen van dijken of het berekenen van premies voor schadeverzekeringen zijn risicocalculaties voor betrekkelijk zeldzame gebeurtenissen vereist. De zwaarste stormen, hoogste waterstanden, grootste vulkaanuitbarstingen of zwaarste aardbevingen zijn betrekkelijk zeldzaam. Lichtere versies van deze verschijnselen zijn al wat algemener en de lichtste versies treden met enige regelmaat op. Op grond van de mathematische analyse van dit soort chaotische verschijnselen wordt aangenomen dat de kans op het optreden van een verschijnsel van grootheid x gegeven wordt door een uitdrukking als:

 P(x) = p_0 \, e^{-k x}

Met de grootheid x kan bijvoorbeeld de hoogte van de waterstand bedoeld worden of de maximale windsnelheid, hoeveelheid neerslag of duur van een droogteperiode. Risicoberekeningen worden vaak aan de hand van extrapolaties van frequentiespectra van meetgegevens en exponentiële functies gemaakt. Daarin speelt de exponent k de hoofdrol. Door de klimaatverandering in de afgelopen decennia is de waarde van de exponent k helaas ook gaan veranderen zodat meetgegevens uit het verleden geen garantie vormen voor de toekomst.

Huidige en toekomstige ontwikkelingen[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie Opwarming van de Aarde voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Het onderzoek naar het klimaat in het geologische verleden heeft laten zien dat zich grote variaties in het klimaat voorgedaan hebben. Het huidige klimaat lijkt in dit perspectief relatief koel te zijn. De ijstijden die zich de laatste twee miljoen jaar van het Pleistoceen voorgedaan hebben waren mild in vergelijking met de ijstijden in het Precambrium, zoals tijdens het Cryogenium. Momenteel wordt een stijging van de gemiddelde temperatuur op Aarde waargenomen. Deze constateringen roepen vragen op over de verandering van het klimaat op kortere termijn, zoals de klimaatverandering in de komende eeuw, en op de geologische tijdschaal, zoals de ontwikkelingen over de komende miljoenen of miljarden jaren.

Koolstofkringloop[bewerken]

Industrie langs de Jangtsekiang in China

De koolstofflux in de koolstofkringloop die tussen de atmosfeer en andere systemen op Aarde verloopt bedraagt naar schatting rond de 150 gigaton per jaar.[18] De atmosfeer zelf bevat ongeveer 750 gigaton koolstof zodat ongeveer 20 % van deze hoeveelheid jaarlijks met andere systemen op Aarde uitgewisseld wordt. Daarbij gaat het voornamelijk om de opname en afgifte met de vegetatie van ongeveer 60 gigaton en de opname en afgifte door het zeewater van rond de 90 gigaton koolstof per jaar. De totale uitstoot als resultaat van menselijke activiteiten bedroeg volgens gegevens uit 1995 naar schatting 22 gigaton per jaar.[19] In 2010 zou die uitstoot zijn gestegen tot naar schatting 30,6 gigaton. Dat is ongeveer 15 à 20 % van de totale kooldioxide-uitstoot op Aarde en dat is veel. Daarvan was in 1995 ongeveer 5,5 gigaton uitstoot per jaar, ongeveer een kwart, door de verbranding van fossiele brandstoffen.

De verblijftijd van kooldioxide in de atmosfeer is onbekend en wordt geschat tussen de 5 en 200 jaar. De grootste onbekende factoren in de flux zijn de uitwisselingsprocessen tussen de atmosfeer en het water in de oceanen. Daarnaast is er veel onduidelijkheid over de rol van verschillende micro-organismen in de koolstofkringloop. Effecten als sedimentatie van kalkrijke resten en vulkanisme zijn op korte termijn waarschijnlijk vrij klein maar kunnen op de geologische tijdschaal veel gewicht in de schaal leggen. Het kooldioxidegehalte van de atmosfeer heeft invloed op de pH, of zuurgraad, van het zeewater en daarmee ook op de oplosbaarheid van kooldioxide, het leven in zee en de sedimentatie. De pH van het zeewater is sinds de industriële revolutie gedaald van 8,2 naar 8,1. Hoe de koolstofkringloop zich de komende eeuw gaat ontwikkelen is onderwerp van onderzoek en discussie.

Waarnemingen en modelberekeningen[bewerken]

Svea field station, een klimatologisch meetstation op Antarctica

Sinds het begin van de 20e eeuw is de gemiddelde temperatuur met ongeveer 0,74 °C gestegen. Deze temperatuurstijging wordt zeer waarschijnlijk veroorzaakt door menselijke activiteiten: door het verbranden van fossiele brandstoffen, ontbossing en bepaalde industriële en landbouwactiviteiten is de concentratie aan broeikasgassen in de aardatmosfeer sterk gestegen sinds 1750.

Modelberekeningen geven aan dat de gemiddelde temperatuur op Aarde tussen 1990 en 2100 met 1,1 °C tot 6,4 °C stijgt. Met name temperatuurstijgingen van meer dan 2 °C zouden grote veranderingen met zich meebrengen voor mens en milieu, door zeespiegelstijging, toename van droogte- en hitteperioden, extreme neerslag en andere effecten.[20] Van verschillende kanten wordt ook de nodige kritiek geleverd op de rapporten van het IPCC.

In het Kyotoprotocol hebben industrielanden afgesproken om de uitstoot van CO2 in de periode 2008-2012 gemiddeld met 5 % te verminderen ten opzichte van 1990. De onderhandelingen over uitstootverminderingen na 2012 zijn nog in volle gang.

Geochemie en de koolstofkringloop[bewerken]

Florenciet, een magnesiumcarbonaat (MgCO3) of magnesiet

Volgens de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica gaat het Systeem Aarde uiteindelijk naar een toestand van evenwicht met een zo laag mogelijke energie en maximale entropie. Met deze fysisch chemische wet kan eenvoudig bepaald worden hoe de uiteindelijke chemische evenwichtstoestand van een systeem eruit zal zien.

De hoeveelheid koolstof die zich in de atmosfeer, fossiele brandstofvoorraden, veenpakketten en de biomassa in de biosfeer bevindt, bedraagt in totaal enkele duizenden gigaton. Dat is weinig vergeleken bij de hoeveelheid koolstof die in de vorm van carbonaten in gesteenten en zeewater opgeslagen is, een hoeveelheid in de orde van 100.000.000 gigaton. Bovendien zijn er ruim voldoende magnesium-ionen in de aardkorst aanwezig, in basaltlagen als olivijn, om alle koolstof uit de atmosfeer en biosfeer via verweringsprocessen in de vorm van het carbonaat magnesiet te binden. Magnesiet heeft een lage energie en olivijn bindt kooldioxide op efficiënte wijze.

Als de zonneactiviteit buiten beschouwing gelaten wordt is de Aarde thermodynamisch gezien een open systeem in een Universum met een gemiddelde temperatuur van ongeveer 2,7 Kelvin of ongeveer -270 °C. Op geologische tijdschaal valt het te verwachten dat de kern van de Aarde in deze koude omgeving langzaam afkoelt. Koolstof die in de aardkorst opgeslagen is zal minder snel weer vrijkomen door het afnemende vulkanisme. De koolstof die in de koolstofkringloop tijdens verweringsprocessen oplost, neerslaat en in sedimenten wordt vastgelegd, wordt daardoor in toenemende mate aan de atmosfeer en de biosfeer onttrokken. Uiteindelijk zal de CO2-concentratie in de atmosfeer dalen en zullen ijstijden vaker voorkomen en langer duren als alle andere omstandigheden ongewijzigd blijven.

Geofysische processen[bewerken]

Subductie van een oceanische onder een continentale plaat. 1 - oceanische korst; 2 - lithosferische mantel; 3 - asthenosfeer; 4 - continentale korst; 5 - gebergtevorming en vulkaanboog; 6 - oceanische trog.

De convectie in de aardmantel is de drijvende kracht achter de Wilsoncyclus en de platentektoniek die de verdeling van aardmassa's over het aardoppervlak bepaalt. De oceaanbodem bestaat voor het grootste deel uit zwaar mafisch basalt. De plaat groeit vanuit een mid-oceanische rug aan en zakt na afkoeling in een subductiezone weer onder de lithosfeer terug in de aardmantel. De dikte van de plaat is dan gegroeid van enkele tientallen kilometers boven de mid-oceanische rug tot ongeveer 200 km bij de subductiezone. Aan de randen van de continentale korsten worden vaak relatief smalle bergruggen met vulkanen gevormd die uit lichtere stollingsgesteenten bestaan. In het geval van continentale collisie vormen zich bredere bergruggen en hoogvlakten zoals in het geval van de Alpen, de Himalaya en Tibet. De afstanden waarover platen ten opzichte van elkaar verschuiven bedraagt nu ongeveer 1 tot 5 cm per jaar. De snelheid waarmee de bodem kan stijgen of dalen waardoor gebergten gevormd worden en in de aarde wegzinken varieert tegenwoordig van enkele millimeters tot een centimeter per jaar.

De zware basische of mafische basalten bestaan voor een groot deel uit verbindingen tussen ijzer, SiO2 en magnesium. De lichtere zure of felsische stollings- en afzettingsgesteenten, waaruit de continenten en veel bergruggen opgebouwd zijn, bestaan voor een groot deel uit graniet en mineralen variërend van kwarts (SiO2) en veldspaat (zoals albiet NaAlSi3O8) tot pyriet (FeS) en mengsels als graniet. Daarnaast bestaan grote delen van het continentaal plat uit krijtgesteente en kalksteen (CaCO3) of afzettingen van zand, klei en löss met een relatief laag soortelijk gewicht. Veel graniet wordt aan basis van de continentale massa gevormd boven de Mohorovičić-discontinuïteit, de overgang naar de diepere basaltlaag meestal op 35 à 60 km diepte.

De zure of mafische basaltlagen, zoals olivijn, kunnen kooldioxide goed binden maar ze liggen meestal niet direct aan het oppervlak zoals veel felsische gesteenten. Tijdens vulkaanuitbarstingen kunnen kooldioxide en zwaveloxiden (SOx) vrijkomen die in magmakamers door de thermische metamorfose of pyrolyse van gesteenten gevormd zijn. Vulkanisme verhoogt de concentraties van zwaveloxiden en kooldioxide die het milieu verzuren waardoor veel soorten veelal jonge gesteenten kunnen verweren. Bij verwering wordt veel kooldioxide gebonden.

De aardkern en de aardmantel worden hoofdzakelijk op temperatuur gehouden door het spontane radioactieve verval van radioactieve isotopen waaronder de uranium-235-, uranium-238-, thorium-232- en kalium-40-isotopen. Het 235U-isotoop heeft een halfwaardetijd van 700 miljoen jaar zodat de warmteontwikkeling ten gevolge van het verval van uranium-235 in de Aarde elke 700 miljoen jaar met de helft vermindert. Sinds het ontstaan van de Aarde is de warmteontwikkeling ten gevolge van het verval van uranium-235 al met 99 % gedaald. De daling van de warmteontwikkeling heeft op langere termijn gevolgen voor de convectie in de aardmantel en de platentektoniek. Het vulkanisme zal daardoor op lange termijn afnemen en de platentektoniek zal vertragen. De stijging en daling van de bodem die voor gebergtevorming zorgt zal vertragen. Daardoor neemt de verwering af waardoor de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer per saldo toeneemt en het klimaat warmer wordt. Geofysici verwachten dat de huidige continenten over 250 miljoen jaar samengesmolten zullen zijn tot een nieuw supercontinent waarop extreme klimaten zullen heersen.

Variërende obliquiteit[bewerken]

Obliquiteit van de aardas

De obliquiteit, of de hoek die de aardas maakt met de normaalvector van het vlak van de aardbaan, varieerde de afgelopen 5 miljoen jaar tussen 22.0425° en 24.5044° met een periode van 41.000 jaar. De afstand tot de Maan heeft invloed op deze variaties. De afstand van de Maan tot de Aarde neemt in de komende 1,5 miljard jaar ten gevolge van getijdenvelden toe van 60 tot 66,5 keer de aardstraal. Hierdoor gaat de obliquiteit variëren tussen 22° en 38°. Over 2 miljard jaar zal de variatie in obliquiteit verder opgelopen zijn tot tussen 27° en 60°.

De grotere obliquiteit heeft tot gevolg dat op lagere breedtegraden de verschillen tussen de seizoenen groter worden omdat de variatie in de stand van de Zon boven de horizon groter wordt waardoor ze gemiddeld minder hoog aan de hemel staat. Het gevolg is dat de gemiddelde jaartemperatuur daalt op lagere breedtegraden. Op hogere breedtegraden en op de polen gebeurt het omgekeerde. Tijdens de winterperioden daalt de temperatuur ongeveer naar dezelfde waarde als voorheen maar tijdens de zomerperioden stijgt de gemiddelde temperatuur naar hogere waarden omdat de dagen langer worden en de Zon gemiddeld hoger boven de horizon komt te staan. De gemiddelde jaartemperatuur zal daardoor toenemen op hogere breedtegraden.

De huidige waarde van de obliquiteit is 23,44° en ze is aan het afnemen. Dat betekent dat de gemiddelde jaartemperatuur op de polen en in streken met een gematigd klimaat momenteel zou moeten dalen en dat de Aarde op weg is naar een volgend glaciaal.

Zonneactiviteit[bewerken]

Ontwikkeling van de Zon tijdens de hoofdreeksfase,
na <300, 650, 2000 en 4500 miljoen jaar.

Naast het effect van de concentraties van broeikasgassen heeft onder andere de zonneactiviteit grote invloed op het klimaatsysteem. Kort na het ontstaan van de Zon uit de zonnenevel, als G2 ster uit de hoofdreeks, was de activiteit van de Zon aanvankelijk ongeveer 30 % lager dan nu. Daarbij zond ze echter honderden malen meer ultraviolette en röntgenstraling uit dan tegenwoordig. Na enige honderden miljoenen jaren was de Zon redelijk gestabiliseerd. De zonneactiviteit neemt langzaam toe omdat de massa, de dichtheid en de druk in de kern van de zon langzaam toenemen. Deze veranderingen zijn het gevolg van de toename ven de concentratie ven zwaardere atoomkernen waardoor het kernfusieproces in de zonnekern zichzelf versnelt. De mantel wordt daardoor heter en zet steeds verder uit.

Onderzoek en huidige ontwikkelingen[bewerken]

Volgens sommige onderzoekers kan de zonneactiviteit tot ongeveer 10 % variëren over langere perioden. Metingen van de vermogensflux van de zonnestraling op Aarde tijdens de laatste perioden van de zonnecyclus, van 1975 tot 2005, laten een periodieke variatie zien van minder dan 0,1 % die tussen 1365,5 en 1366,5 W / m² ligt.

Volgens sommige onderzoekers is mede onder invloed van een lage zonneactiviteit in 2007 de wereldtemperatuur met 0,7 °C gedaald ten opzichte van 2006[21][22] tot een niveau dat rond 1930 gebruikelijk was. In de 20e eeuw was volgens hen de zonneactiviteit, zoals te zien is aan zonnevlekken, zonnewind en magnetische stormen, extreem hoog. De laatste jaren is er volgens sommigen onverwacht een sterke afname in de zonneactiviteit. Sterrenkundige Kees de Jager[23][24] meent een duidelijke overeenkomst te zien met de goed gedocumenteerde geringe zonneactiviteit tijdens de "kleine ijstijd". Hij verwacht dat er nu een periode van lagere temperaturen zal aanbreken. Als dat waar is, zou de significante daling van de temperatuur al te merken moeten zijn in de jaren 2012 tot 2020. De intensiteit van de in juni 2009 begonnen 24ste 11-jarige zonnevlekkenperiode zal volgens De Jager zijn lagere maximum waarschijnlijk in 2012 of 2013 bereiken. De effecten daarvan op het klimaat lopen daar wat op achter.

Een kritische beschouwing van de wetenschappelijke literatuur leert overigens dat de invloed van de zon waarschijnlijk te klein is om de waargenomen temperatuurstijgingen sinds de industriële revolutie te verklaren.[25][26][27][28] Echter deze onderzoekingen lijken achterhaald te zijn. Ze houden geen rekening met de wolkenvorming volgens de theorie van Svensmark. Niet de straling van de zon is daarbij van belang maar het magnetisch veld van de zon. Dat veld heeft invloed op de kosmische deeltjes. Een laboratoriumexperiment, het CLOUD experiment bij CERN, zal hier duidelijkheid in moeten verschaffen.[29] Het persbericht van 25 augustus 2011 dat het eerste resultaat bespreekt van dit onderzoek[17] laat zien dat kosmische straling een significante (tienvoudige) invloed heeft in de vorming van aerosolen. Het lijkt erop dat de klimaatmodellen ook daarmee rekening dienen te houden. Op een hoogte van enkele kilometers zal kosmische straling een tienvoudige of grotere snelheid bewerkstelligen tot clustering van moleculen waar zwavelzuur en waterdamp aanwezig zijn dan zonder die straling. Echter op lagere hoogten is het mechanisme nog onbegrepen en dient verder onderzoek nodig te zijn.

Verre toekomst[bewerken]

Levenscyclus van de Zon van protoster via hoofdreeksster naar rode reus en de overgang naar witte dwerg waarbij de mantel afgestoten wordt.

Op langere termijn wordt de zon steeds warmer en groter. Over ruim een miljard jaar zou het daardoor op Aarde zo warm zijn dat het grootste deel van het water in de oceanen verdampt. Alleen extremofiele organismen kunnen onder zulke omstandigheden overleven. Over ongeveer twee miljard jaar begint het klimaat op Aarde veel op het huidige klimaat op Venus te lijken. Daarna begint de waterdamp in de atmosfeer te ontleden waarbij het waterstofgas aan de zwaartekracht van de Aarde ontsnapt en in de interplanetaire ruimte opgenomen wordt. Over 5,5 miljard jaar bereikt de Zon het stadium van rode reus. Daarbij neemt de straal van de Zon toe tot voorbij de baan van de planeet Venus en mogelijk zelfs tot voorbij de aardbaan. De Aarde zal voor die tijd verbranden en door getijdenvelden fijngemalen worden en uit elkaar vallen. De resten zullen verdampen en oplossen in de planetaire nevel die ontstaat uit de buitenste lagen die door de Zon afgestoten worden. De kern van de Zon trekt hierbij samen tot een witte dwerg.

Zie ook[bewerken]


Externe links[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  • Het onderdeel klimaatverandering door de mens of een eerdere versie daarvan is afkomstig van de website van Postbus 51.

  1. Earth Story DVD box BBC 1998
  2. Carl Zimmer Soul Made Flesh
  3. Extreem weer| door Jan Buisman, 2011
  4. Duizend jaar weer, wind en water in de Lage Landen door Jan Buisman
  5. Times of Feast, Times of Famine door Emmanuel Le Roy Ladurie, 1967
  6. Historicus Le Roy Ladurie over klimaatgeschiedenis in het Historisch Nieuwsblad, 2006
  7. William Hutton, Jonathan Eagle - Earth's Catastrophic Past and Future: A Scientific Analysis of Information 2004
  8. Geschiedenis van Aduard - De St. Bernardusabdij website
  9. Jared Diamond - Ondergang over de ondergang van beschavingen
  10. KNMI Nader Verklaard - Kleine IJstijd
  11. Trouw.nl - Vulkaan Tambora zorgde voor jaar zonder zomer 21-4-2010
  12. Simon Winchester - KRAKATAU de dag dat de wereld ontplofte Veen 2005
  13. Brajesh K. Singh, Richard D. Bardgett, Pete Smith & Dave S. Reay Microorganisms and climate change: terrestrial feedbacks and mitigation options Nature Reviews Microbiology 8 November 2010
  14. Richard Dawkins The Extended Phenotype Oxford University Press 1982
  15. Erwin Kreyszig - Advanced engineering mathematics - Wiley 2006
  16. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands - The Feynman Lectures on Physics 1961-63
  17. a b [1]
  18. UNEP/GRID Present Carbon Cycle
  19. UNEP/GRID Emissions of CO2 (1995)
  20. IPCC (2007). Fourth Assessment Report
  21. The daily galaxy 21 nov 2008
  22. Overigens was 2006 een extreem warm jaar
  23. Kees de Jager (2007). Zon en klimaat, Kennislink, geraadpleegd op 21 juli 2009.
  24. De Klimatosoof (2009). Prof. Kees de Jager: Wordt het kouder door de zon?, geraadpleegd op 21 juli 2009.
  25. C. de Jager, G.J.M. Versteegh en R. van Dorland (2006). Zongedreven klimaatveranderingen: een wetenschappelijke verkenning (WAB), KNMI, NIOZ.
  26. De rol van kosmische straling op Klimaatportaal.nl
  27. No solar hiding place for greenhouse sceptics. Nature (2007-07-09) Geraadpleegd op 2007-07-09
  28. M.J. Stevens en G.R. North (2006). Detection of the Climate Response to the Solar Cycle, Journal of the Atmospheric Sciences 53:18.
  29. http://cdsweb.cern.ch/record/1181073/