Vulkanisch as op Spitsbergen toont klimaatverleden
Het is een heftig onderwerp: de Noordpool en het smelten van ijskappen en gletsjers. Discussies en debatten worden hierover gevoerd en dat is terecht, het is een onderwerp dat ons allemaal aangaat. In Nederland in verband met zeespiegelstijging en in het algemeen als gevolg van klimaatverandering. Hoe reageren we op zulke veranderingen? Kunnen we voorkomen dat de Noordpool helemaal smelt? Of zijn de zogenaamde tipping points al gepasseerd en verandert de natuur binnenkort van een vriend in een vijand? Om deze vragen te beantwoorden moeten we ook veranderingen in het verleden bestuderen. Vulkanische as gevonden op Spitsbergen helpt ons daarbij.
Klimaatwetenschap is erg relevant, maar hoe bestudeer je het klimaat? Het is moeilijk om de hele wereld te bestuderen. We hebben dan wel prachtige satellieten die ruimtelijke verschillen erg nauwkeurig vastleggen, maar de dimensie ‘tijd’ blijft een lastig obstakel. Wat we wel weten is dat klimaatsveranderingen zich altijd het sterkst uiten in arctische gebieden, waar ook vaak zogenaamde feedback mechanismen worden aangewakkerd. De keuze om klimaat van de afgelopen honderden tot duizenden jaren te bestuderen in een arctisch gebied is dus niet vreemd. Klimaatwetenschappers van de Universiteit Utrecht gebruiken vulkanische as, gevonden op Spitsbergen, om het verleden van klimaatverandering te bestuderen en hopen daarmee modellen voor de toekomst op te zetten.
Belang van verleden
Een model is gebaseerd op empirische relaties, maar hoe weet je dat die kloppen en hoe ontdek je relaties die je eerst nog niet had gezien? Dat doe je door te kijken naar het klimaat in het verleden, een reconstructie te maken en deze te vergelijken met de resultaten uit het model. Het weghalen van onzekere factoren in het klimaatmodel is dus een logische sleutel naar het beter begrijpen van de toekomst.
Het gebruiken van vulkanische as als synchrone marker om verschillende datasets te koppelen is een steeds vaker gebruikte methode
Hoe meet je nu klimaatveranderingen uit het verleden? Hiervoor gebruik je een zogenaamde proxy: een klimaatsignaal dat je uit een tijdsreeks haalt door te meten aan biologische of chemische parameters en gebruik te maken van directe of indirecte relaties tussen die parameters en klimaat. De klimaatproxy bestaat kort gezegd uit een LOI (Loss on Ignition) profiel. LOI is een analyse waarbij het gehalte aan organische stof, veroorzaakt door biologische productie, bepaald wordt uit de sedimenten. Dit organische stofgehalte is een indicator voor de lengte van het groeiseizoen en dus ook een indicator voor klimaat. Een goed en bekend voorbeeld is het meten van de zuurstofisotopenverhouding O18/O16 in ijskernen. De chemische samenstelling van het zuurstofatoom is namelijk niet constant en kleine verandering in het aantal neutronen creëert een verschil in soortelijk gewicht. De ratio tussen zware en lichte zuurstofdeeltjes in bubbels in het ijs blijkt samen te hangen met de belangrijke klimatologische factor tempreratuur.
Een proxy is echter geen echte afspiegeling van klimaatverandering zonder een duidelijke tijdreeks. Deze tijdreeks of chronologie kan worden aangeleverd door middel van verschillende methoden. Het gebruiken van vulkanische as als synchrone marker om verschillende datasets te koppelen is een steeds vaker gebruikte methode. Deze methode is gebaseerd op de gedachte dat vulkanische asdeeltjes hoog in de atmosfeer terecht komen, wanneer er een vulkaanuitbarsting plaatsvindt, waar ze vervolgens door winden hoog in de atmosfeer worden meegevoerd. Deze wind is ook wel bekend als de straalstroom.
Als vulkanische asdeeltjes hoog in de atmosfeer terechtkomen, krijgen zij ook met deze straalstroom te maken en worden verspreid over grote gebieden. In 2010 is dit gebeurd tijdens de eruptie van de Eyjafjallajökull vulkaan. Asdeeltjes werden verspreid over Scandinavië, Groenland en Noordwest-Europa. Op een vergelijkbare wijze hebben vele andere uitbarstingen in het verleden ook as over Spitsbergen uitgespreid (figuur 2).
Vulkanisch as op Spitsbergen
In nieuwe studies wordt uit vulkanisch as, ooit afkomstig uit IJslandse vulkanen, een chronologie geconstrueerd. De monsters waarin de as gezocht werd, zijn verkregen uit de sedimenten uit boorkernen genomen in meertjes in Spitsbergen tijdens de SEES.NL 2015 expeditie.
Voor het construeren van een chronologie in deze meertjes werden de minuscule vulkanische asdeeltjes gebruikt. Omdat vulkanen hun as over een relatief korte periode uitstoten en men de aslagen van vele uitbarstingen in IJsland nauwkeurig heeft beschreven en gedateerd, is het mogelijk om een scherpe tijdsmarkering te verkrijgen uit de microscope asdeeltjes. Asdeeltjes van meerdere uitbarstingen afkomstig uit IJsland zijn teruggevonden. Twee voorbeelden zijn de uitbarstingen van de Hekla-1104 en Öraefajökull-1362. Met de scherpe tijdsmarkering kunnen we onze klimaatproxy in de tijd plaatsen.
Het gebruiken van boorkernen genomen uit meertjes is geen nieuw idee. Al sinds lange tijd worden boorkernen uit meertjes gebruikt om klimaat te reconstrueren, voornamelijk meertjes die een jaarlijks gelaagdheid vertonen zijn hiervoor geschikt. Deze meertjes bevatten een natuurlijke chronologie, namelijk de opeenvolgende modderlaagjes. Ieder jaar is er een periode waarin het meertje bedekt is met ijs, gedurende die periode kan er geen nieuw sediment in het meertje komen. Als het zomer is, verdwijnt het ijs en gaat er water stromen naar het meertje. Dit brengt sediment met zich mee en daardoor wordt er weer een laagje modder afgezet. Uit deze laagjes kan dus net als bij boomringen worden vastgesteld in welk jaar de sedimenten zijn afgezet.
Meertjes hebben helaas niet altijd van dit soort jaargelaagdheid, waardoor er andere chronologische markers nodig zijn om de correlatie te maken tussen verschillende meertjes en een vertaalslag naar chronologie. Zoals vulkanisch as.
Toekomstscenario: Wat kan er nog meer met de asdeeltjes?
De meeste mensen herinneren zich de uitbarsting van Eyfjajokull in 2010 nog als een extreem grote uitbarsting. Asdeeltjes werden, net als bij andere uitbarstingen, hoog de atmosfeer in geslingerd. Echter is het niet de kracht van de uitbarsting die het probleem veroorzaakte in Noordwest-Europa. In Noord-IJsland merkte namelijk de bevolking weinig van deze uitbarsting. Het probleem was de wind die het as meevoerde richting Europa, omdat de verspreiding van de vulkanische asdeeltjes afhankelijk is van de wind in de hoge atmosfeer.
Als je kijkt naar een schaal van duizenden jaren zijn er relatief veel uitbarstingen geweest in IJsland. Dit levert een toekomstig gedachtenexperiment op: als wind tijdens de uitbarsting wordt gereflecteerd (zoals ook in 2010) dan zouden vulkanische asdeeltjes in theorie ook gebruikt kunnen worden voor windreconstructie. Het zou een relevante toevoeging zijn voor klimaatwetenschap als het lukt iets te zeggen over de richting van de straalstroom in het verleden. Maar om deze methode in realiteit te plaatsen moeten we ons eerst afvragen waarvan deze straalstroom afhankelijk is. Studies hebben aangetoond dat de straalstroom afhankelijk is van het verschil in temperatuur tussen de evenaar en de Noordpool (de ‘meridionale temperatuurgradiënt’). Het is begrijpelijk dat onder andere het oppervlak aan zee-ijs op de Noordpool en ook de oppervlaktetemperatuur van oceaangebieden voor een groot deel bepalen waar de straalstroom zich bevindt.
De verspreiding van de vulkanische asdeeltjes is afhankelijk van de wind in de hoge atmosfeer
Waar de straalstroom zich precies bevond in het verleden (voor de start van metingen) is moeilijk te reconstrueren vanwege de vele andere factoren en omdat de temperatuurverdeling in het verleden niet nauwkeurig genoeg bekend is. Echter, de variabiliteit of instabiliteit (op grotere schaal) valt wel op te merken en is vaak te verklaren met de verandering van simpele parameters.
De instabiliteit van de straalstroom veroorzaakt vaak grote lussen (‘Rossby waves’) in de straalstroom die geassocieerd worden met hardnekkige en aanhoudende weerpatronen. De verwachting is dat bij opwarming van de aarde deze ‘Rossby waves’ vaker zullen voorkomen vanwege een afname in de meridionale gradiënt. Of dit in het verleden het geval was zou kunnen blijken uit een onderzoek waarbij er gekeken wordt wat de asdeeltjes over Europa weerspiegelen.
Gedurende de passage van een grote lus (Rossby wave) bevindt de straalstroom zich meestal boven Noord-Europa (erg noordelijk dus) en in de Balkan erg zuidelijk (figuur 3). Dit betekent voor de winter dat koude lucht afzakt richting de Balkan en regenstoringen met oceanische milde lucht worden getransporteerd richting Spitsbergen. Een dergelijke advectie van warme lucht richting Spitsbergen komt meestal uit het zuidwesten, uit IJsland, de belangrijkste bron van vulkanische as. Van de uitbarstingen die gedurende warmere perioden plaatsvinden zal er dus IJslandse as getransporteerd worden richting Spitsbergen.
Echter, als de configuratie meer lijkt op die van figuur 1 dan is te verwachten dat het IJslandse as zich eerder uitspreidt over zuidelijk Scandinavië en Europa. Deze twee scenario’s komen ook terug in figuur 2 waarbij de mogelijkheden voor de richting van de aswolk zichtbaar zijn. Als bij het onderzoek naar het voorkomen van vulkanische asdeeltjes op Spitsbergen, een regio van cruciale betekenis, duidelijke trends/overeenkomsten zichtbaar worden, kan dat aanzet geven tot een grootschaliger onderzoek naar klimaatverandering in het verleden én de toekomst.
Kortom, genoeg te doen in dit gebied. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht zijn volop bezig met materiaal uit Spitsbergen en hopen daar een aantal publicaties uit te halen.
MEER INFORMATIE
Wil jij meer weten over dit soort klimaatwetenschap, stuur dan een mailtje naar s.j.schouten@uu.nl of kijk eens rond op de site van dr. W.Z.Hoek voor meer klimaatgerelateerde publicaties.
Stan J.Schouten, student Aardwetenschappen en documentairemaker aan de Universiteit Utrecht en de Universiteit van Spitsbergen heeft zelf de hedendaagse klimaatsveranderingen meegemaakt op Spitsbergen waar hij een half jaar studeerde aan de Universiteit van Svalbard. Dit inspireerde hem tot het schrijven van zijn thesis over recente klimaatsverandering op Spitsbergen.
Dr. Wim Z.Hoek, associate professor in Fysische geografie & Kwartairgeologie, met focus op het resultaat van klimaatsverandering uit het verleden op de toenmalige en huidige milieus. www.uu.nl/staff/WZHoek.