Dit stuk gaat over een artikel in Nature met de titel: ‘Revisiting the Holocene global temperature conundrum’. Die titel zou de indruk kunnen wekken dat het temperatuurverloop gedurende het Holoceen nog een groot raadsel is. In werkelijkheid valt dat best mee. De grote lijn van dat temperatuurverloop is bekend. Het Holoceen, het huidige interglaciaal, begon 11.700 jaar geleden met een laatste stukje opwarming vanuit de laatste ijstijd (het Weichselien, ook wel Würm genoemd en in de VS Wisconsinan): zo’n 2 tot 3 °C. Die opwarming zat vooral aan het begin: 9.000 jaar geleden was de temperatuurstijging al aardig afgevlakt. Aan het eind van het Holoceen zit de snelle antropogene opwarming, inmiddels ongeveer 1,2 °C in anderhalve eeuw. Daar tussenin is de gemiddelde wereldtemperatuur redelijk constant. Maar niet helemaal constant.
Het raadsel zit ‘m in de details. En vooral die van de laatste 6.000 tot 7.000 jaar. Volgens een aantal studies koelde de wereld in die periode ongeveer een halve tot een hele graad af, tot het begin van de industriële revolutie. Maar anderen vonden juist aanwijzingen voor een opwarming van enkele tienden van een graad. In de afgelopen jaren zijn er wat mogelijke verklaringen geopperd voor dat verschil. Maar het raadsel is nog niet helemaal opgelost. Ook het nieuwe artikel heeft die oplossing niet, maar het geeft wel een mooi overzicht van de wetenschappelijke stand van zaken.
Reconstructies en modellen
Voor de afgelopen anderhalve eeuw is het temperatuurverloop vrij nauwkeurig te bepalen uit directe meetgegevens. Verder terug in de tijd moet de temperatuur gereconstrueerd worden via een omweg (proxy’s genoemd), bijvoorbeeld aan de hand van boomringen, aanwijzingen voor groei of krimp van gletsjers, het temperatuurprofiel in de bodem en geavanceerde geochemische methodes. Modelstudies nemen een andere, iets langere omweg. Die gebruiken reconstructies van onder meer broeikasgasconcentraties, Milanković-cycli en de activiteit van de zon en vulkanen om daaruit veranderingen in het wereldklimaat te berekenen, op basis van (natuur)wetenschappelijke kennis van het aardsysteem. Die modelstudies berekenen een beetje opwarming in de tweede helft van het Holoceen, terwijl het volgens de reconstructies juist wat afkoelde. De kaartjes hieronder laten zien hoe de temperatuur in verschillende delen van de wereld veranderde volgens die methoden. De manier waarop die verandering wordt weergegeven vond ik wat onhandig: de temperatuur van het midden van het Holoceen wordt vergeleken met die van de pre-industriële tijd. Een positieve waarde (of rode kleur) staat dus voor een warmer mid-Holoceen.
Het is duidelijk dat de proxy’s niet gelijkmatig zijn verdeeld over het aardoppervlak. Europa, Noord-Amerika en het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan zijn sterk oververtegenwoordigd. En verder zijn er vooral gegevens over kustgebieden elders. Het onderzoek gaat door, maar het is tijdrovend en kostbaar. En dus zal het nog wel een tijd duren tot alle gaten zijn opgevuld. Modellen zijn een andere manier om die gaten in te vullen, maar ook die methode heeft zijn beperkingen. Modellen zijn immers geen toverdoosjes die vanuit het niets het klimaat kunnen reconstrueren. Ze moeten worden gevoed met gegevens over broeikasgassen, aerosolen, zonneactiviteit en andere klimaatinvloeden, die op hun beurt gereconstrueerd zijn uit bij elkaar gesprokkelde aanwijzingen en die, net als de temperatuurproxy’s, allemaal hun onzekerheden met zich meebrengen. Modellen kunnen de versnipperde informatie van proxy’s vertalen naar een veel vollediger beeld van de temperatuur en de veranderingen daarvan. Maar natuurlijk zit ook daar een onzekerheidsmarge. De verschillen tussen de onderzoeksmethoden kunnen aanknopingspunten bieden voor nieuw onderzoek en op die manier de wetenschap vooruithelpen.
Milanković
In grote lijnen zijn de reconstructies en modellen het eens over wat er gebeurde in het noordpoolgebied en de gematigde klimaatzones van het noordelijk halfrond. Daar was het warmer in het mid-Holoceen dan in de daaropvolgende millennia. Die afkoeling is ook te verwachten op basis van de Milanković-cycli. De polen ontvangen sinds het midden van het Holoceen wat minder zonlicht en de tropen juist wat meer. De noordpool kreeg in de zomer minder licht en warmte van de zon en in de winter iets meer. Op de zuidpool was dat andersom.
Sneeuw en ijs
De Milanković-cycli hebben amper invloed op de totale hoeveelheid zonlicht die de aarde ontvangt. Toch zorgen ze voor flinke variaties in het klimaat: de afwisseling van ijstijden en interglacialen. Een andere verdeling van zonlicht over de aarde kan terugkoppelingen in gang zetten, die in de loop van de millennia de hele wereld met zo’n 6 °C afkoelen of opwarmen. IJs speelt een belangrijke rol, omdat het veel zonlicht reflecteert. Dat gereflecteerde zonlicht verlaat de aarde net zo makkelijk als het is binnengekomen, zonder zijn energie af te staan aan het aardoppervlak of de atmosfeer. In koele zomers kunnen ijskappen groeien, omdat er dan minder sneeuw smelt dan er in de winter is gevallen. Op het noordelijk halfrond, tenminste, omdat daar continenten zijn waarover zo’n ijskap zich uit kan breiden. Op Antarctica kan dat niet, omdat dat omgeven wordt door de Zuidelijke Oceaan. En Antarctica zelf is al bijna helemaal bedekt met ijs. Dat grote verschil tussen de twee polen is een belangrijke oorzaak waardoor een andere verdeling van zonlicht over de aarde zo’n grote invloed kan hebben op het hele wereldklimaat.
IJskappen hebben wel duizenden jaren nodig om te groeien en te krimpen. Vooral het groeien duurt erg lang, en de overgang van een interglaciaal naar een ijstijd gaat daardoor erg traag. De andere kant op gaat het iets sneller, maar toch waren de laatste resten van de ijskappen uit de laatste ijstijd op Eurazië en Noord-Amerika pas halverwege het Holoceen verdwenen. De overgebleven ijskappen van Groenland en Antarctica waren in de volgende millennia behoorlijk stabiel, tot aan de industriële tijd. Berggletsjers zijn wel gegroeid, zoals te zien is in de grafiek hieronder. De schaalverdeling van de y-as is daar omgekeerd, dus een dalende lijn staat voor groei van de gletsjers (en dus een afkoeling van het klimaat).
Er zijn aanwijzingen dat in beide poolgebieden het oppervlak van het zee-ijs is gegroeid in de tweede helft van het Holoceen. Rond Antarctica vooral in de winter (in de zomer is daar heel weinig zee-ijs) en in het noordpoolgebied in het hele jaar. Wel is de onzekerheid hierover nog groot. Vanwege de toename van het gletsjer- en zee-ijs wordt er wel eens gesproken van een neo-glaciatie in de laatste millennia. Dat betekent overigens niet dat we zonder menselijke invloed nu al in de buurt zouden komen van een heuse ijstijd. Die zou hoe dan ook nog tienduizenden jaren weg zijn geweest. Er is in de wetenschap nog discussie over wanneer precies. Dat komt omdat de aardbaan op dit moment minder ellipsvormig (of excentrisch) is dan tijdens eerdere ijstijden. Daardoor valt het gezamenlijke effect van de Milanković-cycli iets anders uit, met minder koele zomers in het noordpoolgebied dan aan het begin van eerdere ijstijden.
Broeikasgassen
Overigens staat de vraag wanneer de menselijke invloed precies is begonnen nog open. Er is wel eens geopperd dat de mens al duizenden jaren een kleine, maar allesbehalve verwaarloosbare invloed heeft op de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer. De hoeveelheden CO2 (door ontbossing) en methaan (uit rijstvelden) zouden al heel langzaam zijn gaan stijgen vanaf het moment dat we aan landbouw gingen doen.
Broeikasgassen vormen in een ‘normale’ ijstijdencyclus een cruciale terugkoppeling. Als de wereldtemperatuur daalt, dan neemt ook de concentratie CO2 en methaan af, waardoor het nog verder afkoelt. En als de temperatuur stijgt, dan gebeurt het omgekeerde. Dat komt onder meer doordat CO2 beter oplost in zeewater wanneer dat kouder wordt. Daarnaast spelen terugkoppelingen tussen klimaat en biosfeer een rol. Maar de concentraties van CO2 en methaan namen juist toe tijdens de tweede helft van het Holoceen. Aanvankelijk niet heel veel: vanaf het mid-Holoceen tot aan het begin van de industriële revolutie steeg de concentratie CO2 bijvoorbeeld in totaal met 16 ppm; minder dan de 19 ppm van de periode 2011 – 2019. Maar dat heeft wel een kleine invloed op de temperatuur gehad. Misschien wel net genoeg om te voorkomen dat het klimaat een afslag nam naar een nieuwe ijstijd. Maar of die hypothese ooit met grote zekerheid te bewijzen is, is nog maar de vraag. Want dan zou bijvoorbeeld aangetoond moeten worden dat die kleine toename van de CO2– en methaanconcentraties buiten de te verwachten natuurlijke variabiliteit valt en dat het effect ervan doorslaggevend is geweest voor de richting waarin terugkoppelingen in het klimaat en de koolstofcyclus sindsdien zijn gegaan. Dat zou, voorzichtig gezegd, wel eens lastig kunnen zijn. Voor het huidige klimaat is de vraag niet meer relevant, omdat het beetje extra broeikasgassen van voor de industriële revolutie in het niet valt vergeleken met wat er sindsdien is uitgestoten.
Zon en vulkanen
Variaties in de activiteit van de zon en van vulkanen kunnen ook invloed hebben op het klimaat. Volgens reconstructies hebben beide voor een minuscuul beetje afkoeling gezorgd in de periode van het mid-Holoceen tot aan de industriële revolutie. De invloed op variaties op kortere tijdschalen is wat groter. In de grafiek van vulkanische aerosolen hieronder staat de y-as weer op zijn kop, omdat meer vulkanische activiteit samengaat met een lagere temperatuur.
Modellen versus reconstructies
Maar hoe zit het nu met de verschillen tussen temperatuurreconstructies en modelberekeningen? Zijn die te verklaren? Ja en nee, luidt het antwoord. Er zijn meerdere plausibele verklaringen, die aanknopingspunten bieden voor verder onderzoek en, soms, pittige wetenschappelijke discussie. En dus ook voor voortschrijdend inzicht.
Enkele jaren geleden schreven onderzoekers dat proxy’s een vertekend beeld kunnen geven van de jaargemiddelde temperatuur. Het seizoen waarin organismen die als proxy dienen het snelste groeien zouden zwaar doorwegen in reconstructies op basis van fossielen. Op het eerste gezicht niet onaannemelijk, maar er kwam stevige kritiek. Waarop weer reacties volgden van de auteurs van het eerste artikel dan weer onterecht vonden. De discussie is dus nog niet beslecht.
Een belangrijke bron van onzekerheid in temperatuurreconstructies is de beperkte mondiale dekking van proxy’s. Vooral het zuidelijk halfrond is ondervertegenwoordigd. Het initiële effect van de Milanković-cycli is op het zuidelijk halfrond omgekeerd aan dat op het noordelijk halfrond, maar door de terugkoppelingen in het klimaatsysteem hoeft dat niet te betekenen dat dat terug te zien is in de temperatuur. En het effect van die terugkoppelingen hoeft ook niet overal op een halfrond, of op een bepaalde breedtegraad hetzelfde te zijn. Een andere verdeling van zonlicht over het aardoppervlak zorgt voor andere temperatuurverschillen en die hebben op hun beurt weer invloed op de circulatie in de atmosfeer en de oceanen. De verplaatsing van warmte door die circulatie kan weer invloed hebben op regionale veranderingen van het klimaat, of op seizoensverschillen. Een gedetailleerder ruimtelijk beeld van temperatuurveranderingen zou daar meer inzicht in kunnen geven.
Een andere methode om dat ruimtelijk beeld te bepalen heet data-assimilatie. Daarin wordt de informatie uit proxy’s gecombineerd met statistische analyses en met modelberekeningen. Het onderzoek van Osman uit 2021 was zo’n data-assimilatie, net als een artikel van enkele maanden later van een andere groep wetenschappers. De resultaten zitten zo’n beetje in het midden van de bandbreedte van wat er in eerdere onderzoeken werd gevonden. Misschien ook niet zo vreemd, omdat ze immers de verschillende methoden die daar worden gebruikt combineren. Op detailniveau wijken de twee data-assimilaties behoorlijk van elkaar af, wat doet vermoeden dat de methode nog wel wat tijd nodig zal hebben om te rijpen. Het is een interessante nieuwe aanpak, maar die is (nog?) niet doorslaggevend bij het beantwoorden van de vragen die openstaan.
Terugkoppelingen die in eerste instantie invloed hebben op regionale schaal, of op de verschillen tussen seizoenen, kunnen uiteindelijk ook doorwerken op de gemiddelde wereldtemperatuur. Ze kunnen bijvoorbeeld bepalend zijn voor de groei of krimp van gletsjers of zee-ijs. Of er op lange termijn sneeuw of ijs bijkomt of verdwijnt hangt af van de balans tussen het warme en het koude seizoen. De relatief kleine veranderingen in het Holoceen zouden die balans soms kunnen beïnvloeden. Behalve ijs kan ook bewolking gevoelig zijn voor dit soort kleine veranderingen. Paleoklimatologische modellen hebben vaak een relatief lage ruimtelijke resolutie (om de rekentijd en bijbehorende computerkosten in de hand te houden), waardoor zulke details minder goed worden gesimuleerd. Dit zou de verschillen tussen modellen en reconstructies voor een deel kunnen verklaren.
Vegetatie speelt vermoedelijk ook een rol van betekenis. Tot voor kort werden in de paleoklimatologie vooral gekoppelde atmosfeer-oceaanmodellen gebruikt. Het effect van klimaatveranderingen op vegetatie en de terugkoppeling daarvan op het klimaat is geen onderdeel van die modellen. Moderne aardsysteemmodellen nemen het wel mee en dat levert een resultaat op dat aanzienlijk dichter in de buurt komt van reconstructies. In elk geval voor wat betreft de gemiddelde wereldtemperatuur. Vegetatie is vaak donkerder dan de omgeving, waardoor er meer zonlicht wordt geabsorbeerd. Aardsysteemmodellen zien een aanzienlijke invloed op de temperatuur van het mid-Holoceen in onder meer het noordpoolgebied (waar het effect wordt versterkt door de terugkoppeling van sneeuw en ijs) en Noord-Afrika (de Sahara, die toen geen woestijnklimaat had). Mogelijk had de vegetatie ook invloed op de hoeveelheid mineraal stof in de lucht. Uit onderzoek van ijskernen blijkt dat die in het mid-Holoceen kleiner was dan in de periode daarna.
En nu?
Het lijkt me niet waarschijnlijk dat een enkele verklaring het raadsel ooit helemaal op zal lossen. Naarmate de wetenschap vordert, convergeert het bewijs. Zo werkt het in het algemeen, dus zo zal het nu ook wel gaan. Met de kanttekening dat het wegwerken van de laatste restjes onzekerheid vaak het moeilijkste is. En als je er even nuchter naar kijkt, dan is een onzekerheid van een enkel graadje over de temperatuur van 6.000 jaar geleden wel te zien als zo’n laatste restje. Het ‘Holocene global temperature conundrum’ is vooral een raadsel omdat de temperatuurverschillen in het Holoceen zo klein zijn. Dat ene graadje onzekerheid kan daardoor het verschil uitmaken tussen een heel klein beetje opwarming of een heel klein beetje afkoeling.
Dat betekent niet dat het niet de moeite waard zou zijn om te blijven zoeken naar een antwoord. Omdat het nieuwe klimaatkennis op kan leveren, en die kennis is altijd welkom. En als context voor de huidige en toekomstige opwarming. Het staat wel vast dat in elk geval een deel van de wereld warmer was in het mid-Holoceen dan aan het begin van de industriële revolutie. Meer kennis daarover kan inzicht geven in wat ons de komende tijd in een warmere wereld te wachten staat.
Klimaatverandering 