Reconstructies van de zeespiegel in het verleden: een waarschuwing voor de toekomst

Overzicht van resultaten van reconstructies van temperatuur (in rood), CO2-concentratie (in groen), zeespiegel (in blauw) en de ijskappen van Groenland en Antarctica (de rode taartdiagrammen) voor verschillende interglacialen. De lichtrode en lichtblauwe kleur geeft het onzekerheidsinterval voor de temperatuur en zeespiegel. Bron: Dutton et al. 2015.

In Science verscheen deze maand een overzichtsartikel over de paleoklimatologische kennis van de hoogte van de zeespiegel en de omvang van de ijskappen op Groenland en Antarctica tijdens een aantal perioden van honderdduizenden en miljoenen jaren geleden: Sea-level rise due to polar ice-sheet mass loss during past warm periods van Dutton et al.. De onzekerheden zijn groot, en nemen toe naarmate men verder terugkijkt in de tijd. De afbeelding hierboven laat zien dat er desalniettemin een helder beeld naar voren komt uit alle onderzoeken samen: bij een temperatuur van een of enkele graden boven de pre-industriële waarde kan de zeespiegel met 6 meter of meer stijgen.

Het artikel behandelt vier perioden:

• Een warme periode in het mid-Plioceen; zo’n 3 miljoen jaar geleden.
• Mariene isotopen-etage 11 (ofwel MIS 11: de nummering is gebaseerd op pieken en dalen waarmee de zuurstof-18 isotoop voorkomt in sedimenten, ijskernen en fossielen; hierover verderop in dit stuk meer): ongeveer 400.000 jaar geleden.
• MIS 5e: ongeveer 120.000 jaar geleden.
• Het Holoceen: het interglaciaal waar we nu in leven dat bijna 12.000 jaar geleden begon.

De eerste drie perioden hebben als gemeenschappelijk kenmerk dat ze waarschijnlijk warmer waren dan het Holoceen. Of in elk geval het Holoceen tot nu toe. De afbeelding hieronder laat dit zien. De afbeelding bevat daarnaast een aantal andere belangrijke elementen uit de paleoklimatologische reconstructies. Die elementen zal ik kort toelichten, dankbaar gebruikmakend van de uitgebreide informatie die Dutton et al. aanreiken.

Indicatie van temperatuur en volume van ijskappen, gebaseerd op Zuurstof-18 isotopenanalyse. De drie balken boven de grafiek geven verschillende factoren weer die van invloed zijn op de zeespiegel. De blauwe kleur geeft de tijdschaal aan waarop deze een rol spelen. Bron: Dutton et al. 2015.

Reconstructies van de zeespiegel op lokaal niveau: de relatieve zeespiegel (of RSL: relative sea level)

Geoloog Sir Nicholas Shackleton legde in de jaren ’60 de basis voor paleoklimatologische reconstructies op basis van zuurstofisotopen. In het kort: de zuurstof-18 isotoop is iets zwaarder dan de zuurstof-16 isotoop, met als gevolg dat watermoleculen die een zuurstof-18 atoom bevatten net iets moeilijker verdampen en iets makkelijker condenseren. Waterdamp in de atmosfeer bevat daarom net iets meer van de lichtere isotoop. De neerslag die in de poolgebieden valt dus ook. Als de ijskappen groeien verandert daardoor de verhouding tussen de twee isotopen in de oceaan. Overigens zit er ook een directe temperatuurcomponent in die verhouding.

De isotopenverhouding van in het kalkskelet opgenomen oceaanwater van bodemdiertjes en bepaalde soorten plankton geeft dus een indicatie van de temperatuur en de grootte van de ijskappen. Aanvullende informatie, bijvoorbeeld over de relatieve zeespiegel, kan afgeleid worden uit andere gegevens, zoals de vindplaats, het soort organisme, en de chemische samenstelling. Zulke informatie wordt ook gebruikt om het gecombineerde temperatuur-ijsvolumesignaal in zijn twee componenten te scheiden.

Daarnaast geven lokale factoren, die sterk verschillen van plaats tot plaats, informatie over de relatieve zeespiegel. Denk aan fossielen (van bijvoorbeeld koralen), zoutmeren of bodemlagen.

Reconstructies van het zeeniveau gedurende het Holoceen op 4 plaatsen. Op de horizontale as staat het aantal kilojaren in het verleden. Bron: Dutton et al. 2015.

Relatieve zeeniveaus zijn bijzonder interessant, daar is geen twijfel over mogelijk, maar ze hoeven niet zo veel te zeggen over het mondiaal gemiddelde (GMSL of global mean sea level). De afbeelding hierboven laat zien hoe groot de verschillen tussen diverse plaatsen op aarde kunnen zijn. Op de menselijke tijdschaal kunnen bijvoorbeeld inklinking van de bodem (vaak mede als gevolg van menselijke activiteit) of dynamiek in de oceaan en atmosfeer (stromingspatronen, luchtdrukverschillen) voor lokale verschillen zorgen. Op de geologische tijdschaal zijn vooral bewegingen van hele continenten van belang. Geologen onderscheiden twee bewegingen:

• Dynamische topografie: beweging van tektonische platen onder invloed van stromingen in de vloeibare aardkern.
• Glaciale isostatische aanpassing (GIA, glacial isostatic adjustment): in een ijstijd oefent het gewicht van ijsmassa’s druk uit op de aardkorst. Deze wordt naar beneden gedrukt. Door de toegenomen druk in de aardkern komt als gevolg hiervan de aardkorst op gematigde breedtegraden omhoog; een waterbed-effect: wanneer op de ene plek druk wordt uitgeoefend komt het oppervlak elders naar boven. De aarde verandert dus wat van vorm: hij wordt een beetje platgedrukt. De grote verplaatsing van massa vanuit de oceanen naar de ijskappen zorgt ook voor kleine veranderingen in het zwaartekrachtveld en in de rotatiesnelheid van de aarde. Wanneer het ijs verdwijnt verandert alles weer de andere kant op. Op dit moment zitten we nog een de herstelfase, de zogenaamde postglaciale opheffing, van de vorige ijstijd. Ruwweg gaan bijvoorbeeld Scandinavië en Canada omhoog, terwijl de rest van Europa en de Verenigde Staten dalen. De beweging is zodanig dat deze ook op de menselijke tijdschaal invloed kan hebben. De bodemdaling in Nederland ten gevolge van GIA wordt geschat op 0 tot 4 centimeter per eeuw.

Op Youtube is wel wat te vinden over glaciale isostatische aanpassing, maar soms is een ouderwetse tekening uit een bijna 40 jaar oud wetenschappelijk artikel minstens net zo duidelijk en elegant. De tekening hieronder komt uit 1976; de titel van het artikel is On Postglacial Sea Level van Farrell en Clark.

Schematische weergave van glaciale isostatische aanpassing. Bron: Farrell & Clark 1976.

Reconstructies van bewegingen van de bodem

Reconstructies van bewegingen van de bodem hebben in een opzicht wat gemeen met klimaatwetenschap: het gaat om relatief eenvoudige natuurwetenschap in een complex systeem. De geologen hebben het voordeel dat het systeem dat ze bestuderen waarschijnlijk wat minder complex is, maar daar staat dan weer tegenover dat het lastig is om tot goede waarnemingen te komen: het binnenste van de aarde is lastig bereikbaar, door de aardkorst heen kijken valt ook niet mee en bovendien gaat alles ontzettend langzaam. Technologische ontwikkeling helpt ook de geologie vooruit. GPS, bijvoorbeeld, helpt om bewegingen nauwkeurig in kaart te brengen. En computermodellen maken het mogelijk om het systeem op een steeds gedetailleerder niveau door te rekenen.

Volgens Dutton et al. is er voldoende nauwkeurige informatie bekend over de eigenschappen van de aarde om goede overeenstemming te kunnen krijgen tussen modelberekeningen van de glaciale isostatische aanpassing en de realiteit. Modellen kunnen daarom worden gebruikt om op basis van reconstructies van de relatieve zeespiegel schattingen te maken van de druk die ijsmassa’s op bepaalde plaatsen op aarde uitoefenden, en dus van de hoeveelheid ijs op die plaatsen.

Het mondiale gemiddelde zeeniveau is in principe te bepalen door de verandering van de relatieve zeespiegel op een bepaalde plaats te vergelijken met de stijging of daling van de bodem. De mate van overeenstemming tussen de gegevens voor verschillende plekken op aarde geeft een beeld van de onzekerheid. Het spreekt voor zich dat de onzekerheid toeneemt naarmate men verder teruggaat in de tijd.

Zoals aan het begin van dit stuk al gezegd: de gecombineerde informatie van vorige interglacialen wijst er op dat de zeespiegel in het verleden minstens 6 meter hoger was, bij temperaturen die 1 of 2°C hoger waren dan in de pre-industriële periode. Een dergelijke stijging van de zeespiegel zou dus in de toekomst weer in het verschiet kunnen liggen.

Misschien wel belangrijker dan hoeveel de zeespiegel kan stijgen is de vraag hoe snel dit zou kunnen gebeuren. Gegevens uit vorige interglacialen zijn te onzeker om daar een schatting van te maken. De zogenaamde smelwaterpuls 1A zou een indicatie kunnen geven van een worst case scenario. Deze gebeurtenis vond bijna 15.000 jaar geleden plaats, tijdens de overgang van de laatste ijstijd naar het huidige interglaciaal, en was vermoedelijk het gevolg van het instorten van een ijsplaat, die leidde tot een stijging van de zeespiegel gedurende meerdere eeuwen met een snelheid van 4 meter per eeuw of meer. De totale stijging bedroeg zo’n 20 meter. Een smelwaterpuls zoals deze laat zien dat we niet zomaar aan kunnen nemen dat de zeespiegel in een gelijkmatig tempo stijgt tot een nieuwe evenwichtssituatie is bereikt. Het is ook mogelijk dat een aanzienlijk deel van de stijging plaatsvindt in een aantal relatief korte periodes waarin veel ijs smelt.

De snelheid van de zeespiegelstijging tijdens de overgang van de laatste ijstijd naar het huidige interglaciaal en tijdens smeltwaterpuls 1A vergeleken met de laatste 2 millennia, de afgelopen eeuw en de afgelopen 2 decennia. Bron: IPCC AR5.