Glaciaal, interglaciaal en ijstijdvak
In het dagelijks taalgebruik is 'de ijstijd' de laatste koude periode. Geologen zijn preciezer. Een ijstijdvak is een lange periode waarin er permanent ijskappen op de polen liggen. Daarbinnen wisselen glacialen (koud, uitgebreide landijsmassa's, lage zeespiegel) en interglacialen (warm, zoals nu) elkaar af. Het huidige ijstijdvak begon aan het begin van het Kwartair, 2,58 miljoen jaar geleden. Omdat Antarctica en Groenland nog steeds onder ijs liggen, leven wij strikt genomen nog altijd in een ijstijdvak, namelijk in een interglaciaal: het Holoceen, dat 11 700 jaar geleden begon.
Tot ongeveer een miljoen jaar geleden duurde één cyclus van koud naar warm ongeveer 41 000 jaar. Sindsdien zijn de cycli langer en extremer geworden: ongeveer 100 000 jaar, met lange, geleidelijk kouder wordende glacialen van zo'n 80 000 tot 90 000 jaar en korte interglacialen van meestal 10 000 à 20 000 jaar. Het afsmelten aan het eind van een glaciaal gaat veel sneller dan de opbouw: in een paar duizend jaar.
De Milanković-cycli
De Servische ingenieur en wiskundige Milutin Milanković berekende tussen 1920 en 1941 met de hand hoe de hoeveelheid zonlicht op verschillende breedtegraden in de loop van honderdduizenden jaren verandert. Zijn sleutelgedachte: een ijskap groeit niet door strenge winters, maar doordat de zomers op hoge noordelijke breedte (rond 65° N) te koel zijn om de sneeuw van de winter te laten smelten. Blijft er elk jaar een beetje sneeuw liggen, dan groeit een ijskap. Drie baanvariaties bepalen die zomerinstraling:
| Cyclus | Wat verandert | Bereik | Periode | Effect |
|---|---|---|---|---|
| Excentriciteit | hoe elliptisch de aardbaan is | 0 tot ≈ 0,06 (nu 0,017) | ≈ 100 000 jaar (en 405 000 jaar) | versterkt of dempt het effect van de precessie |
| Obliquiteit (scheefstand) | hoek van de aardas t.o.v. de baan | 22,1° tot 24,5° (nu 23,44°, dalend) | ≈ 41 000 jaar | kleinere hoek → koelere zomers op hoge breedte |
| Precessie | in welk seizoen de Aarde het dichtst bij de Zon staat | volledige cyclus | ≈ 19 000 – 23 000 jaar | noordelijke zomer in aphelium → koelere zomers |
Excentriciteit. De aardbaan is een ellips die onder invloed van de zwaartekracht van Jupiter en Saturnus langzaam ronder en weer langgerekter wordt. Obliquiteit. Hoe schuiner de as, hoe groter het verschil tussen zomer en winter. Bij een kleine scheefstand zijn de zomers op hoge breedte koeler: gunstig voor ijsgroei. Precessie. De aardas tolt als een tol langzaam rond. Nu staat de Aarde begin januari het dichtst bij de Zon (perihelium), dus in de noordelijke winter. Ongeveer 11 000 jaar geleden viel het perihelium juist in de noordelijke zomer, wat de zomers van het vroege Holoceen extra warm maakte.
Het bewijs kwam in 1976, toen Hays, Imbrie en Shackleton in zeebodemsedimenten precies deze perioden van 100 000, 41 000 en rond 23 000 jaar terugvonden. Hun artikel heette veelzeggend Variations in the Earth's orbit: pacemaker of the ice ages.
Rekenvoorbeeld 1: hoeveel scheelt de excentriciteit?
De stralingsintensiteit van de Zon neemt af met het kwadraat van de afstand. Bij excentriciteit e is de afstand in perihelium a(1 − e) en in aphelium a(1 + e). De verhouding in instraling is dus:
- e
- excentriciteit van de aardbaan (0 = cirkel)
- I
- instraling van de Zon (W/m²) buiten de atmosfeer
- Nu (e = 0,0167): (1,0167 / 0,9833)² = 1,034² ≈ 1,07. In januari ontvangt de Aarde dus ongeveer 7 % meer zonlicht dan in juli.
- Bij maximale excentriciteit (e ≈ 0,058): (1,058 / 0,942)² = 1,123² ≈ 1,26, dus 26 % verschil tussen perihelium en aphelium.
Het jaargemiddelde van de instraling verandert door de excentriciteit nauwelijks (minder dan 0,2 %). Het effect zit in de verdeling over de seizoenen: bij een langgerekte baan maakt het veel uit of de noordelijke zomer in perihelium of aphelium valt. Daarom werkt excentriciteit vooral als 'volumeknop' op de precessie.
Waarom zo'n klein duwtje zo'n groot effect heeft
De Milanković-cycli veranderen de wereldgemiddelde instraling vrijwel niet. Toch lag de wereldgemiddelde temperatuur op het hoogtepunt van de laatste ijstijd, zo'n 21 000 jaar geleden, ongeveer 5 à 6 °C lager dan in de pre-industriële tijd. Dat kan alleen doordat versterkende terugkoppelingen het signaal opblazen:
- IJs-albedo-terugkoppeling. Sneeuw en ijs weerkaatsen tot 80–90 % van het zonlicht (hoog albedo), donkere bodem of zee veel minder. Groeiend ijs weerkaatst meer zonlicht, waardoor het kouder wordt en het ijs verder groeit — en omgekeerd bij afsmelten.
- CO₂-terugkoppeling. In koude perioden neemt vooral de oceaan rond Antarctica meer CO₂ op, doordat koud water beter gas oplost en doordat de diepe oceaancirculatie en de biologische koolstofpomp veranderen (zie zeestromen). Het CO₂-gehalte daalde in glacialen tot ongeveer 180 ppm en steeg in interglacialen tot 280–300 ppm. Minder CO₂ betekent een zwakker broeikaseffect en dus verdere afkoeling.
Waarom juist de zwakke 100 000-jarige excentriciteitscyclus de laatste miljoen jaar het ritme bepaalt, is nog een actief onderzoeksvraagstuk.
IJskernen: 800 000 jaar klimaatarchief
Het beste bewijs voor deze wisselwerking zit in het ijs van Antarctica. In elke laag sneeuw worden luchtbelletjes opgesloten, zodat je de samenstelling van de atmosfeer van toen direct kunt meten. De verhouding tussen zware en lichte isotopen (deuterium ten opzichte van waterstof, zuurstof-18 ten opzichte van zuurstof-16) in het ijs zelf werkt als thermometer: in koudere perioden bevat de sneeuw minder zware isotopen.
- De Vostok-kern (Russisch station, Oost-Antarctica), 3 623 m lang, liet in 1999 vier volledige glaciale cycli zien, ruim 400 000 jaar.
- De Europese EPICA Dome C-kern ging terug tot ongeveer 800 000 jaar en toonde acht cycli. CO₂ en temperatuur lopen daarin vrijwel gelijk op.
In geen van deze kernen komt het CO₂-gehalte boven ongeveer 300 ppm. De huidige waarde van boven de 420 ppm valt dus volledig buiten 800 000 jaar natuurlijke variatie; de oorzaken en gevolgen daarvan staan bij klimaatverandering.
De ijstijden in Nederland
| Periode | Type | Ongeveer (jaar geleden) | Spoor in het landschap |
|---|---|---|---|
| Elsterien | glaciaal | 475 000 – 410 000 | diepe glaciale geulen in Noord-Nederland, nu opgevuld met klei |
| Saalien | glaciaal | 370 000 – 130 000 | landijs tot Haarlem–Nijmegen: stuwwallen, keileem, zwerfkeien |
| Eemien | interglaciaal | 126 000 – 115 000 | zeeafzettingen, genoemd naar de rivier de Eem bij Amersfoort |
| Weichselien | glaciaal | 115 000 – 11 700 | poolwoestijn en toendra: dekzand, pingoruïnes, löss |
| Holoceen | interglaciaal | 11 700 – nu | zeespiegelstijging, veen, duinen, klei |
Het Saalien: het ijs in Nederland
Ongeveer 150 000 jaar geleden schoof de Scandinavische landijskap over Noord-Nederland tot ongeveer de lijn Haarlem–Utrecht–Nijmegen. Het ijs was honderden meters dik. Het duwde de rivierzanden en grinden die Rijn en Maas eerder hadden afgezet opzij en omhoog als een bulldozer: zo ontstonden de stuwwallen. De Veluwe (tot ongeveer 110 m hoog), de Utrechtse Heuvelrug (Amerongse Berg, 69 m), het Gooi, de stuwwallen bij Nijmegen en Montferland, en kleinere ruggen op Texel, Wieringen en in Gaasterland zijn allemaal zo gevormd.
Onder het ijs werd een taaie mix van klei, zand en stenen uitgesmeerd: keileem, nu de ondergrond van grote delen van Drenthe. Het ijs nam ook stenen mee uit Scandinavië en Finland, de zwerfkeien: vooral graniet, gneis en porfier (zie gesteenten). De Hondsrug in Drenthe, een smalle rug van ruim 70 km, is geen stuwwal maar is onder het bewegende ijs gestroomlijnd. Rond 3400–3100 v.Chr. bouwden boeren van de Trechterbekercultuur er van de grootste zwerfkeien de hunebedden. Het gebied is erkend als UNESCO Global Geopark.
Het Weichselien: toendra en Doggerland
In de laatste ijstijd bereikte het landijs Nederland niet; de rand lag in Noord-Duitsland en Denemarken. Nederland was een kale poolwoestijn en toendra met permanent bevroren bodem. Harde winden bliezen zand over het land en legden een deken van dekzand neer, de ondergrond van veel zandgronden in Brabant, Overijssel en Drenthe. Fijner stof kwam als löss terecht in Zuid-Limburg. In de bevroren bodem groeiden ijsheuvels (pingo's); na het smelten bleven ronde meertjes over, de pingoruïnes in Drenthe en Friesland. Mammoeten, wolharige neushoorns en rendieren trokken over de vlakte; vissers halen hun botten nog altijd uit de Noordzee.
Doordat zo veel water in landijs vastzat, lag de zeespiegel op het hoogtepunt van de ijstijd, rond 21 000 jaar geleden, ongeveer 120 m lager dan nu. De zuidelijke Noordzee lag droog. Dit land tussen Nederland en Engeland heet Doggerland. Toen de zeespiegel steeg, liep Doggerland stap voor stap onder; tussen ongeveer 8 000 en 7 000 jaar geleden verdween het grotendeels, mede versneld door een tsunami na de Storegga-onderwaterlawine voor de Noorse kust, zo'n 8 150 jaar geleden.
Rekenvoorbeeld 2: hoeveel ijs is 120 meter zeespiegel?
Het oceaanoppervlak is ongeveer 3,6 · 10⁸ km². Een laag water van 0,120 km dik over dat oppervlak is 0,120 × 3,6 · 10⁸ ≈ 4,3 · 10⁷ km³ water. IJs heeft een dichtheid van 917 kg/m³ tegen 1 000 kg/m³ voor water, dus dat komt overeen met 4,3 · 10⁷ / 0,917 ≈ 4,7 · 10⁷ km³ ijs: 47 miljoen km³ extra landijs. Ter vergelijking: de hele Antarctische ijskap bevat nu ongeveer 27 miljoen km³. (Dit is een benadering: het oceaanoppervlak was kleiner en de aardkorst zakte onder het gewicht van het ijs.)
Rekenvoorbeeld 3: hoe snel steeg de zee?
Van ongeveer 19 000 tot 7 000 jaar geleden steeg de zeespiegel wereldwijd zo'n 120 m. Dat is gemiddeld 120 m / 12 000 jaar = 1 cm per jaar, of 1 m per eeuw. In korte smeltpulsen ging het nog enkele keren sneller. Daarna vertraagde de stijging sterk, waardoor achter de kust veen kon groeien en het Nederlandse kustlandschap zijn vorm kreeg.
Het Holoceen
Het einde van het Weichselien verliep niet gelijkmatig. Na een eerste opwarming viel het klimaat rond 12 900 jaar geleden plots terug in een koude fase van ruim duizend jaar, de Jonge Dryas, genoemd naar het poolplantje Dryas octopetala (zilverkruid) waarvan het stuifmeel dan weer opduikt in sedimenten. Rond 11 700 jaar geleden begon het Holoceen. De stabiele temperaturen van dit interglaciaal maakten de opkomst van landbouw mogelijk. Zonder menselijke invloed zou het volgende glaciaal volgens berekeningen met de huidige, bijna cirkelvormige aardbaan pas over zo'n 50 000 jaar beginnen; de extra CO₂ in de atmosfeer stelt dat nog verder uit.
Veelgestelde vragen
Wat veroorzaakt een ijstijd?
Regelmatige veranderingen in de aardbaan en de stand van de aardas, de Milanković-cycli, bepalen hoeveel zonlicht er in de zomer op hoge noordelijke breedte valt. Zijn de zomers daar te koel, dan groeien ijskappen. Terugkoppelingen via ijs (albedo) en CO₂ versterken dat kleine duwtje tot een ijstijd.
Wat zijn de drie Milanković-cycli?
Excentriciteit (de vorm van de aardbaan, ongeveer 100 000 jaar), obliquiteit (de scheefstand van de aardas tussen 22,1° en 24,5°, ongeveer 41 000 jaar) en precessie (het tollen van de aardas, ongeveer 19 000 tot 23 000 jaar).
Wanneer was de laatste ijstijd?
De laatste ijstijd, in Nederland het Weichselien, duurde van ongeveer 115 000 tot 11 700 jaar geleden. Het koudste moment lag rond 21 000 jaar geleden. Daarna begon het Holoceen, het interglaciaal waarin we nu leven.
Lag Nederland in de ijstijd onder het ijs?
Alleen tijdens het Saalien, ongeveer 150 000 jaar geleden, lag het noorden van Nederland onder landijs tot ongeveer de lijn Haarlem–Nijmegen. Toen ontstonden de stuwwallen en kwamen de zwerfkeien. In de laatste ijstijd was Nederland ijsvrij, maar een koude toendra.
Wat is Doggerland?
Het land dat in de laatste ijstijd de zuidelijke Noordzee vormde, toen de zeespiegel ongeveer 120 meter lager lag. Het verbond Nederland met Engeland en werd bewoond door jagers en verzamelaars. Door de stijgende zeespiegel verdween het tussen ongeveer 8 000 en 7 000 jaar geleden grotendeels onder water.
Hoe weten we hoe het klimaat 800 000 jaar geleden was?
Uit ijskernen van Antarctica, zoals EPICA Dome C. Luchtbelletjes in het ijs bevatten oude lucht waarin je CO₂ en methaan meet, en de verhouding van zware en lichte isotopen in het ijs geeft de temperatuur van toen.