Het Vroeg Antropoceen en het voorkomen en uitstellen van een ijstijd

De afgelopen miljoen jaar zijn er diverse ijstijden en interglacialen geweest op aarde. Tijdens het Holoceen, dat circa 10,000 jaar geleden begon, is de mens afgestapt van het jagen en verzamelen, zijn we landbouw gaan bedrijven en sinds de industriële revolutie zijn we fossiele brandstoffen gaan gebruiken. Dit blogstuk gaat in op het ontstaan van de ijstijden, op de vraag of de activiteiten van de mens een ijstijd hebben voorkomen en in hoeverre die activiteiten de komst van een nieuwe ijstijd uitstellen.

In januari van dit jaar is er een nieuwe modelstudie van Ganopolski et al. verschenen waarin men heeft gekeken naar de aanvang van de ijstijden in de afgelopen 800.000 jaar en het mogelijke begin van een volgende ijstijd. Een ijstijd begint als er nieuwe ijskappen ontstaan op het noordelijk halfrond die langzaam maar zeker groter en groter groeien. De groei van ijskappen op het noordelijk halfrond wordt onder meer beïnvloed door de hoeveelheid zonne-energie die in de zomer op het noordelijk deel van het noordelijk halfrond valt en dat varieert onder invloed van wijzigingen in de baan van de aarde om de zon. In het kort: een ijskap begint te groeien op het land als er meer sneeuw valt dan er in de zomer weer wegsmelt, schematisch weergegeven in figuur 1. Voor een veel uitgebreidere uitleg zie de links onderaan dit blogstuk.

Figuur 1. Schematische weergave van het aangroeien van een ijskap op het noordelijk halfrond. De “Equilibrium line” is de grens tussen netto ijs-aangroei (boven de lijn) en -afname (onder de lijn). “P” is het zogenaamde climate point, het punt waar de equilibrium line het oppervlak raakt.
Bron: Ruddiman, Earth’s Climate Past and Future, 2008, second Edition, Figure 9-12 A-C.

Ganopolski en collega’s hebben uit hun modelberekeningen afgeleid dat voor het laten groeien van ijskappen op het noordelijk halfrond de relatie tussen de CO₂-concentratie en de maximale hoeveelheid zonne-energie die op 65 graden noorderbreedte valt (dat is dicht bij de poolcirkel) belangrijk is. Bij hoge CO₂-concentraties moet de maximale hoeveelheid zonne-energie die op het noordelijk deel van het noordelijk halfrond valt, lager zijn om een ijskap te doen groeien dan bij lage CO₂-concentraties. De startfase van de diverse ijstijden die er in de afgelopen 800.000 jaar zijn geweest, kunnen zij verklaren via deze relatie. Een blik in de toekomst geven Ganopolski e.a. ook via enkele koolstof-emissie scenario’s. Alleen als de mens niet meer dan circa 500 gigaton koolstof zou verbranden (over 1870 – 2014 was dat al circa 400 gigaton koolstof), zou er volgens hun berekeningen een volgende ijstijd op kunnen treden na ongeveer 100,000 jaar. Zie figuur 2.

Figuur 2. a. De relatie tussen maximale zomer insolatie bij 65 °N en de CO₂-concentratie. Bij omstandigheden beneden de lijn kan een ijstijd starten. b. Dezelfde relatie in vergelijking met de omstandigheden tijdens eerdere interglacialen (MIS = Marine Isotope Stage). MIS1 is het huidige interglaciaal, het Holoceen. c. Het ijsvolume (onderin), de CO₂-concentratie (blauw) en kritische CO₂-concentratie voor het starten van een ijstijd (zwart – midden) gedurende de laatste 800,000 jaar. De blauwe verticale strepen geven de perioden weer waarin de CO₂-concentratie beneden de kritische waarde ligt, dit correleert steeds met de start van de toename van het ijsvolume. Voor de tijd na 1950 zijn enkele koolstofemissie scenario’s weergegeven en alleen bij een uitstoot van 500 gigaton of minder, zou er over 100,000 jaar een volgende ijstijd kunnen starten (licht blauw-groene streep).
Bron: Ganopolski et al 2016, Figure 3.

Doordat CO₂ zeer langzaam uit de atmosfeer zal verdwijnen worden we met de huidige CO₂-concentraties volgens Ganopolski e.a. de eerste 100,000 jaar dus niet meer lastig gevallen door een ijstijd. Daar het voor de mensheid al een hele heksentoer zal zijn om in totaal minder dan 1000 gigaton koolstof aan fossiele brandstoffen op te stoken, gaan we waarschijnlijk ver over die 100,000 jaar heen: een enorme meteorietinslag daargelaten, is het begrip “volgende ijstijd” voor de mensheid een academisch begrip geworden. Een conclusie die ik een paar jaar geleden in feite ook al had getrokken in het blogstuk: “Voorlopig even geen nieuwe ijstijd”.

Volgens Ganopolski e.a. heeft het echter maar een haar gescheeld of we hadden al in de beginfase van een ijstijd gezeten. We zijn als het ware gered door de CO₂-concentratie die voor de industriële revolutie ongeveer 280 ppm bedroeg en niet een stukje lager was. Als deze bijvoorbeeld 240 ppm was geweest, waren er waarschijnlijk hier en daar al nieuwe ijskappen ontstaan op het noordelijk halfrond. Zie figuur 3. Die CO₂-concentratie van 240 ppm is overigens eerder ook genoemd in Tzedakis et al. 2012 als de CO₂-concentratie waarbij onder de huidige astronomische omstandigheden de komende 1500 jaar een ijstijd had kunnen starten.

Figuur 3. Het oppervlak en hoogte van een gesimuleerde ijskap op het noordelijk halfrond voor de huidige astronomische parameters en een CO₂-concentratie van 280 ppm (a) en van 240 ppm (b).
Bron: Ganopolski et al 2016, Extended Data Figure 1.

Dat we niet in het begin van een ijstijd zaten bij de aanvang van de industriële revolutie noemen Ganopolski en collega’s een “narrow escape”. Is deze ‘ontsnapping’ gewoon het gevolg van natuurlijke processen geweest of hebben menselijke activiteiten hierbij een handje geholpen? Deze vraagstelling is het onderwerp waar klimaatwetenschapper William Ruddiman zich na zijn emeritaat mee bezig heeft gehouden: de Early Anthropocene Hypothesis. In een artikel in 2003 lanceerde Ruddiman zijn hypothese dat het zogenaamde Antropoceen (het tijdperk dat gekenmerkt wordt door sterke menselijke invloed) al duizenden jaren geleden is begonnen nadat de mens landbouw begon te bedrijven. De daaropvolgende ontbossing, groei van de veestapel en rijstbouw hebben er in zijn visie vervolgens voor gezorgd dat de concentraties van de broeikasgassen CO₂ en CH₄ (methaan) niet verder daalden maar enigszins zijn gestegen. Die stijging zou voldoende zijn geweest om de start van een ijstijd, het aangroeien van ijskappen op het noordelijk halfrond, te voorkomen.

Vanaf het begin van het Holoceen, ongeveer 10,000 jaar geleden, daalden de CO₂– en CH₄-concentraties in de atmosfeer. Niet snel maar wel gestaag. Die dalende trend van de CO₂-concentratie is circa 7000 jaar geleden omgebogen en die van de CH₄-concentratie circa 5000 jaar geleden. Extrapoleren van de dalende trend zou in de huidige tijd hebben geleid tot een CO₂-concentratie in de atmosfeer van circa 245 ppm. Dus dicht bij de CO₂-concentratie die door Ganopolski en eerder door Tzedakis zijn genoemd waarbij een ijstijd had kunnen starten. Zie figuur 4.

Figuur 4. De CH₄-concentratie (links) en de CO₂-concentratie (rechts) gedurende het Holoceen. De zwarte pijlen geven een extrapolatie weer van de concentraties zonder de trendbreuk.
Bron: Ruddiman et al. 2016, Figure B2.

Volgens de hypothese van Ruddiman zou deze trendverandering in de CO₂– en CH₄-concentratie tijdens het Holoceen dus grotendeels door menselijk handelen kunnen zijn veroorzaakt. Ruddiman baseerde deze hypothese op de volgende argumenten:
• Eerdere interglacialen lieten bij vergelijkbare astronomische omstandigheden voor de aarde wel een daling in de CO₂– en CH₄-concentratie zien die zich doorzette naarmate de tijd vorderde.
• Veel archeologisch, cultureel, historisch en geologisch bewijs wijst op een start van ontbossing (waar CO₂ bij vrijkomt) circa 7000 jaar geleden en irrigatie van rijstvelden (waar CH₄ bij vrijkomt) circa 5000 jaar geleden.
De grafieken A en B in figuur 5 illustreren het eerste argument en het plaatje daaronder, de verspreiding van de rijstbouw in Azië, een deel van het tweede argument.

Figuur 5. Een vergelijking tussen de trend in de CH₄-concentratie (A) en de CO₂-concentratie (B) tijdens het huidige interglaciaal in rood en eerdere, vergelijkbare perioden van interglacialen in blauw (met de onzekerheid in lichtblauw). Onderaan de verspreiding van rijstbouw gedurende de afgelopen 5000 jaar in Azië.
Bron: Ruddiman et al. 2016, Figure 3A en 3B (boven) en Figure 7A (onder).

En passant probeerde Ruddiman in zijn eerste artikel in 2003 óók kleinere schommelingen in de CO₂-concentratie in de afgelopen paar duizend jaar te verklaren door ontvolking als gevolg van epidemieën zoals de pest. Door ontvolking konden bossen opnieuw aangroeien en daarmee CO₂ uit de atmosfeer opnemen en vastleggen als biomassa. Een voorbeeld is de daling van de CO₂-concentratie van circa 10 ppm bij het begin van de kleine ijstijd. Deze weet Ruddiman o.a. aan het decimeren van de inheemse Amerikaanse bevolking door ziekten als gevolg van het contact met Europeanen. Zie figuur 6.

Figuur 6. De stijgende trend in de CO₂-concentratie (de lichtrode balk) in de afgelopen 2500 jaar die volgens Ruddiman onderbroken zou zijn door epidemieën (weergegeven met de zwart balken).
Bron: Ruddiman 2007, Figure 2.

Zoals dat vaak gaat in de wetenschap is, is ook de hypothese Ruddiman kritisch ontvangen door een aantal andere klimaatwetenschappers. Hij kreeg bijvoorbeeld kritiek van onderzoekers van de Universiteit van Bern, waaronder Thomas Stocker, bekend van het IPCC.  Zo berekenden Fortunat Joos e.a. in 2004 via een klimaatmodel dat de menselijke bijdrage aan de stijgende CO₂-concentratie in het holoceen circa ongeveer 4 – 6 ppm was geweest, i.p.v. de 40 ppm die Ruddiman had genoemd. In 2009 kwamen Elsig e.a. met een modelstudie die zowel de verandering in de CO₂-concentratie als veranderingen in de koolstofisotoopverhoudingen tijdens het Holoceen konden verklaren uitgaande van natuurlijke processen.

Dat menselijke activiteiten voor de industriële revolutie enige invloed op het klimaat hebben gehad, komt bij mij toch plausibel over, maar in welke mate en hebben die zelfs de start van een nieuwe ijstijd voorkomen? De wetenschappelijke discussie hierover is niet ten einde, Ruddiman is namelijk nog steeds druk bezig met het verzamelen van bewijzen voor zijn “Early Anthropocene Hypothesis”. Zo heeft hij in februari van dit jaar, samen met andere wetenschappers, een 26 pagina’s tellend overzichtsartikel gepubliceerd waarin ook de argumenten van zijn critici worden besproken. Geïnteresseerden kunnen een pdf daarvan via e-mail bij Ruddiman opvragen, zie de verwijzing onderaan zijn recente RealClimate blogstuk. Hij antwoordt snel is mijn ervaring. Voor meer detailinfo zie hieronder de door mij verzamelde referenties.

~

IJstijden:
• Critical insolation–CO2 relation for diagnosing past and future glacial inceptionGanopolski et al., 2016
• Blogstuk: Voorlopig even geen nieuwe ijstijd
• Blogstuk: Kip-en-ei bij CO2 en de temperatuur
Groei en verdwijnen van ijskappen:
• Earth’s Climate Past and Future, William F. Ruddiman, hoofdstuk 10: Insulation control of Ice Sheets, ISBN: 9781429255257 (hoofdstuk 9 in de tweede editie).
• The role of ice sheets in the pleistocene climate, Oerlemans, 1991
De vroeg antropoceen hypothese in chronologische volgorde:
• What caused the atmosphere’s CO2 content to rise during the last 8000 years?, Broecker et al., 2001
• The Anthropogenic Greenhouse Era Began Thousands Of Years Ago, Ruddiman, 2003
• Transient simulations of Holocene atmospheric carbon dioxide and terrestrial carbon since the Last Glacial Maximum, Joos et al., 2004 (pdf).
• Debate over the Early Anthropogenic Hypothesis, RealClimate, 2005
• The early anthropogenic hypothesis: Challenges and responses, Ruddiman, 2007
• Stable isotope constraints on Holocene carbon cycle changes from an Antarctic ice core, Elsig e.a. 2009 (pdf)
• Plows, Plagues, and Petroleum: How Humans Took Control of Climate, William F. Ruddiman, 2010, ISBN: 9780691146348.
• Late Holocene methane rise caused by orbitally controlled increase in tropical sources, Singarayer, 2010
• Can natural or anthropogenic explanations of late-Holocene CO2 and CH4 increases be falsified?, Ruddiman et al., 2011 (pdf)
• Multidecadal variability of atmospheric methane, 1000–1800 C.E., Mitchell, 2011
• The 8,000-year-old climate puzzle, Tollefson, 2011
• Sensitivity of Holocene atmospheric CO2 and the modern carbon budget to early human land use: analyses with a process-based model, Stocker et al., 2011
• Constraints on the Late Holocene Anthropogenic Contribution to the Atmospheric Methane Budget, Mitchell, 2013
• Video: AGU Tyndall Lecture – Early Agriculture: Land Clearance and Climate Effects, Ruddiman, 2013
• Simulating global and local surface temperature changes due to Holocene anthropogenic land cover change, He et al., 2014
• Does pre-industrial warming double the anthropogenic total?, Ruddiman et al, 2014
• Late Holocene climate: Natural or anthropogenic?, Ruddiman et al., 2016
• The Early Anthropocene Hypothesis: An Update, RealClimate 2016