IJskernen als archief van klimaatgeschiedenis

IJskernen zijn rechte cilinders ijs die met speciaal gereedschap uit het ijs van Groenland of Antarctica worden gehaald. De boor neemt per keer boorkernen van enkele meters. Al die stukjes bij elkaar kunnen enkele honderden meters tot enkele kilometers lang zijn, afhankelijk van waar ze zijn geboord. Met name de ijskernen van Antarctica kunnen heel lang zijn, en bevatten daardoor ook veel informatie. Dit ijs kan vele honderduizenden jaren oud zijn. Dat is honderduizenden jaren aan geaccumuleerde sneeuwval, samengeperst tot ijs in laagjes, voor ieder jaar één, die te lezen zijn als een boek (afbeelding 1). Elk laagje is een pagina waarin chemische en atmosferische informatie vastgelegd is in de samenstelling van het ijs en de luchtbelletjes die erin opgesloten zitten. In 2024 heeft het Europese “Beyond Epica” project een ijskern geboord tot een recorddiepte van 2,8 kilometer, tot nabij de onderliggende gesteentelaag (afbeelding 2). Met deze ijskern kunnen wetenschappers mogelijk een ononderbroken klimaatreeks van de afgelopen 1,2 miljoen jaar reconstrueren! 

Naast chemische informatie (bijvoorbeeld de hoeveelheid broeikasgassen CO₂ (koolstofdioxide), CH₄ (methaan) en N₂O (lachgas) die zit opgesloten in de luchtbelletjes in het ijs) zijn ook temperatuurveranderingen uit het verleden in ijskernen af te lezen. Maar hoe? Eén van de methoden bij klimaatreconstructies uit ijskernen is de analyse van de verhouding tussen de stabiele zuurstofisotopen ¹⁸O en ¹⁶O in de watermoleculen in het ijs (H₂O). Stabiele isotopen zijn varianten van hetzelfde element, in dit geval zuurstofatomen (O), die evenveel protonen en elektronen bevatten, maar een verschillend aantal neutronen. In tegenstelling tot instabiele isotopen kennen ze geen radioactief verval en gaan niet spontaan over in een ander element of isotoop onder uitzending van radioactieve straling. Met andere woorden: stabiele isotopen hebben hetzelfde atoomnummer, maar een andere massa en blijven in de loop van de tijd onveranderd. Het isotoop ¹⁸O is zwaarder dan isotoop ¹⁶O doordat het twee extra neutronen heeft in de kern.  

Watermoleculen met het lichtere zuurstof isotoop ¹⁶O verdampen makkelijker dan met het zwaardere ¹⁸O  

In oceanen komen watermoleculen met beide isotopen voor, maar veruit de meeste moleculen hebben het isotoop ¹⁶O. Bij verdamping van zeewater zal een watermolecuul met het lichte isotoop ¹⁶O iets makkelijker verdampen dan watermoleculen met het isotoop ¹⁸O (afbeelding 3). In een kouder klimaat verdampt er daardoor relatief meer ¹⁶O en condenseren de zwaardere watermoleculen met ¹⁸O eerder om vervolgens als neerslag uit de lucht vallen. De neerslag die uiteindelijk als sneeuw op het koude Antarctica of Groenland valt is daardoor in koudere periodes relatief rijk aan ¹⁶O, en relatief arm aan ¹⁸O.

Samengevat: de afwijking in de verhouding tussen ¹⁸O en ¹⁶O (δ¹⁸O) ten opzichte van een internationaal vastgelegde standaardverhouding van deze twee isotopen kan gebruikt worden als een schatting voor de temperatuur. Een lage δ¹⁸O waarde in het ijs betekent dat er relatief weinig ¹⁸O isotopen aanwezig zijn in het ijs en wijst op koude omstandigheden, terwijl een hogere δ¹⁸O waarde wijst op warmere omstandigheden. 

Naarmate ijs dieper en ouder wordt, worden de lagen dunner en kunnen ze vervormen, waardoor de onzekerheid in de datering toeneemt. In jonge ijskernen gaat het meestal om onzekerheden van tientallen jaren, maar in zeer oud en diep ijs kan dit oplopen tot duizenden jaren.
Een bijzondere complicatie is dat het ijs zelf en de luchtbelletjes erin niet even oud zijn. Vers gevallen sneeuw is namelijk poreus en staat nog in contact met de buitenlucht. Pas na verloop van tijd — soms duizenden jaren — wordt de sneeuw zo samengeperst dat de lucht volledig wordt afgesloten en er geïsoleerde belletjes ontstaan. Dit betekent dat de luchtbelletjes altijd jonger zijn dan het ijs eromheen.
Daarnaast is de relatie tussen δ¹⁸O en temperatuur niet overal en altijd hetzelfde. Ze wordt ook beïnvloed door bijvoorbeeld de herkomst van het vocht en veranderingen in de hoogte van de ijskap door de tijd heen. Daardoor kan dezelfde meetwaarde in verschillende perioden een iets andere temperatuur betekenen.
Om betrouwbaardere conclusies te trekken combineren onderzoekers daarom altijd meerdere methoden en meetgegevens — uit ijskernen, maar ook uit zee sedimenten, koralen en andere natuurlijke archieven.

De analyses van ijskernen hebben zo waardevolle reconstructies opgeleverd van de temperatuurvariaties tijdens de periodes met ijstijden in de laatste 800.000 jaar met variaties in de wereldgemiddelde temperatuur tot wel 5 graden (afbeelding 4). Ter vergelijking, de temperatuurstijging veroorzaakt door de mens bedraagt inmiddels bijna 1,5 graad. De verwachting is dat onder het huidige mondiale klimaatbeleid de opwarming verder op zal lopen tot zo'n 2,5 tot 3 graden in 2100. Terwijl de snelheid van opwarming aan het einde van een ijstijd in geologisch opzicht al heel snel ging (5 graden in zo'n 10.000 jaar), gaat de huidige opwarming een factor 50 keer sneller.  

KNMI-klimaatbericht door Caitlin Pot