Klimaatverandering

66 miljoen jaar CO2 en klimaat

Over het klimaat van de afgelopen 66 miljoen jaar, het Cenozoïcum, worden steeds meer geheimen ontsluierd. Via boringen in de zeebodem kan men afzettingen naar boven halen die heel lang geleden gevormd zijn en uit de samenstelling van die afzettingen kan men vervolgens allerlei zaken afleiden over het klimaat van de tijden die ver achter ons liggen. Hoe dieper de boring hoe verder terug in de tijd. Iets minder dan een miljoen jaar geleden, een half jaartje, hebben we hier een stuk gepubliceerd over Westerhold et al. 2020 dat een temperatuurreconstructie betrof over het Cenozoïcum. In mei van dit jaar is een review-artikel gepubliceerd, Rae et al., over het CO2-gehalte in de atmosfeer over dezelfde periode. In het review-artikel passeert veel de revue; de chemie van CO2 in zeewater, de methodiek achter de diverse CO2-reconstructies en pH-reconstructies, het klimaatbeeld over het gehele Cenozoïcum, de koppeling tussen CO2 en het klimaat in die periode en een kleine blik in de toekomst. Dit alles voorzien van veel referenties waarmee een geïnteresseerde lezer geruime tijd zoet zou kunnen zijn. Het meest in het oog springende gedeelte van het artikel is een weergave van de temperatuur, het zeeniveau en het CO2-gehalte over de afgelopen 66 miljoen jaar. Deze fraaie grafiek is hieronder weergegeven in figuur 1.

Figuur 1. De temperatuur, het zeeniveau en het CO2-gehalte tijdens het Cenozoïcum, de afgelopen 66 miljoen jaar. De data zijn resp. afkomstig uit Westerhold et al. 2020, Miller et al. 2020 en Rae et al. 2021.

Voor een korte bespreking van het temperatuurverloop tijdens het Cenozoïcum, zie het eerder vermelde blogstuk over Westerhold et al. Miller et al. 2020 is de bron van de zeespiegelreconstructie van figuur 1. Interessant is de forse daling in de groene lijn van circa 50 meter zo’n 34 miljoen jaar geleden, volgens Miller et al. ontstond toen de grote ijskap op Antarctica.

Zoals bekend is er een relatie tussen CO2 en de temperatuur, dus over het algemeen betekent een hogere CO2-concentratie in de atmosfeer een hogere temperatuur en een hoger zeeniveau (uitzetting van zeewater en minder ijs op aarde). Een open deur natuurlijk, maar mooi zichtbaar in figuur 1. Uiteraard spelen er meerdere factoren, zoals de ligging van continenten en het wel of niet aanwezig zijn van grote ijskappen (reflectie van zonlicht) op aarde. De CO2-concentratie in de atmosfeer was rond 50 miljoen jaar geleden maar liefst circa 1500 deeltjes per miljoen (ppm) om daarna langzaam te dalen naar de ongeveer 180-300 ppm tijdens de periode van de ijstijden in het Pleistoceen.

De langzame daling van het CO2-gehalte in de afgelopen 66 miljoen jaar kent diverse oorzaken. De toename van de verwering van gesteente en tektonische activiteit speelt een rol. De vorming van gebergtes heeft invloed op hoeveelheid gesteente dat beschikbaar is voor verwering. Als voorbeeld: tijdens het Cenozoïcum is India noordwaarts op reis gegaan en op Azië gebotst, waarbij de Himalaya is ontstaan. Bij verwering lost onder invloed van CO2 en water uit de atmosfeer gesteente op en wordt CO2 in opgeloste vorm richting de oceanen getransporteerd. Daar slaat het uiteindelijk op de bodem neer in de vorm van kalkgesteente (calciumcarbonaat). De aardplaten op aarde zijn voortdurend in beweging (tektoniek) en schuiven langzaam maar zeker onder andere platen (subductie). Op deze wijze verhuist kalkgesteente naar het binnenste van de aarde. Onder de hoge temperatuur in het binnenste van de aarde reageert het kalkgesteente met siliciumgesteente en daarbij komt het CO2 weer vrij. Vulkanen brengen dat CO2 op hun beurt via uitbarstingen terug in de atmosfeer. Dan is de cirkel – na een slordige miljoen jaar – weer rond. Als de balans tussen verwering en vulkanisme verschuift, neemt de CO2-concentratie in de atmosfeer toe of af. Zelfs de mate van verwering tijdens het Cenozoïcum is te bepalen uit afzettingen (Misra en Froehlich 2012). Wonderbaarlijk, de paleoklimatologen zoeken onder elke steen naar data, bijna letterlijk zelfs. De langzame temperatuurdaling zelf betekent koudere oceanen en in kouder water kan meer CO2 oplossen waardoor de concentratie in de atmosfeer afneemt, een positieve terugkoppeling. Meer hierover kun je bijvoorbeeld vinden bij SkepticalScience of in deze AGU-presentatie van Richard Alley en Hansen et al. 2008 bespreekt ook kort de koolstofcyclus tijdens het Cenozoïcum.

Als je de door Rae et al. samengestelde temperatuur van de afgelopen 66 miljoen jaar uitzet tegen de CO2-concentratie (in een logaritmische schaal) is duidelijk te zien dat CO2 en temperatuur nauw verbonden zijn, zie figuur 2. De richtingscoëfficiënt van de grijze lijnen geeft een ruwe indicatie voor de klimaatgevoeligheid op de lange termijn (de Earth System Sensitivity). De relatie tussen CO2 en de temperatuur over de gehele dataset suggereert een relatief hoge klimaatgevoeligheid, maar Rae et al. plaatsen hierbij de kanttekening dat een groot gedeelte van de temperatuurverandering veroorzaakt kan zijn door de sprongen tussen de verschillende klimaatmodi (perioden met min of meer overeenkomstige klimaatomstandigheden), waarbij bijvoorbeeld ook de verschillende reflectiviteit van het aardoppervlak een rol heeft gespeeld. De gegevens wijzen op een mogelijk verschil in klimaatgevoeligheid afhankelijk van de staat van het klimaat tijdens het Cenozoïcum, maar Rae en collega’s roepen op (zoals gebruikelijk in een artikel) om dit verder te onderzoeken en te verfijnen.

Figuur 2. De relatie tussen CO2 en de temperatuur tijdens het Cenozoïcum. De gekleurde punten zijn gemiddeldes over 10,000 jaar en de kleur is een indicatie voor het tijdvak. De zwarte punten zijn andere specifieke reconstructies, zoals het laatste glaciale maximum (1) en het Paleocene-Eocene Thermal Maximum (6).

Er is qua klimaat veel gebeurd de afgelopen 66 miljoen jaar en totdat de mens op aarde verscheen hebben wij daar uiteraard niets mee te maken gehad. Het grootste deel van die tijd bestonden wij niet eens. Sinds onze industriële revolutie is dat veranderd, nu zijn wij de veroorzakers van de huidige klimaatverandering. Door het verbranden van fossiele grondstoffen hebben we de CO2-concentratie in relatief korte tijd op weten te voeren tot bijna 420 ppm dit jaar, een niveau dat de aardse atmosfeer zo’n 3 miljoen jaar geleden het laatst gekend heeft (zie figuur 3). Volgens Rae et al. was de mondiale temperatuur toen ca 3 °C hoger dan tijdens onze pre-industriële periode, met kleinere ijskappen en een zeespiegel die circa 20 meter hoger lag. En we zijn nog niet klaar met verbranden. De kans dat we CO2-niveaus creëren die ook voorkwamen op aarde tijdens het Mioceen (23 tot 5 miljoen jaar geleden), met op de lange termijn een vergelijkbaar klimaat, is zeker niet uitgesloten.

Figuur 3. De CO2-concentratie in de atmosfeer tijdens het Cenozoïcum in relatie tot enkele CO2-scenario’s (Meinshausen et al.) zoals ze ook in het volgende IPCC-rapport gebruikt zullen worden.