IJstijd of IJstijdvak

De oorzaken van het voorkomen van ijstijden zijn complex en divers. In het algemeen
kan gesteld worden dat ligging van continenten, de samenstelling van de atmosfeer en astronomische variaties de belangrijkste factoren zijn. Maar per ijstijdvak zijn de omstandigheden anders en soms kunnen er specifieke oorzaken aan worden gewezen.

IJstijden hebben over het algemeen verstrekkende gevolgen voor het milieu op Aarde,
zowel vanuit geologisch als vanuit biologisch oogpunt. Meestal wordt de Zwitser Louis Agassiz gezien als geestelijk vader van het concept ijstijd, hoewel zijn werk voor een deel rustte op de bevindingen van zijn tijdgenoten.

Foto: Het uiteinde van de ijskap op Groenland in de buurt van Kangerlussuaq. Een ijstijdvak
is een periode waarin ijskappen voorkomen op het land.

Bewijs voor ijstijden

Er zijn drie belangrijke soorten bewijsmateriaal voor ijstijden: geologisch, chemisch en paleontologisch.

Geologisch bewijs voor ijstijden komt in verschillende vormen voor, waaronder het schuren en krabben van rotsen, gletsjermorenen, drumlins,
het uitsnijden van valleien en de afzetting van till of tillites en glaciale zwerfstenen. Opeenvolgende ijstijden hebben de neiging het geologische bewijsmateriaal voor eerdere ijstijden te vervormen en uit te wissen, waardoor het moeilijk te interpreteren is. Bovendien was dit bewijsmateriaal moeilijk precies te dateren; vroege theorieën gingen ervan uit dat de ijstijden kort waren in vergelijking met de lange interglacialen. De komst van sediment- en ijskernen onthulde de ware situatie: gletsjers zijn lang, interglacialen kort. Het duurde enige tijd voordat de huidige theorie werd uitgewerkt.

Het chemische bewijs bestaat voornamelijk uit variaties in de verhoudingen van isotopen in fossielen die aanwezig zijn in sedimenten en
sedimentair gesteente en oceaansedimentkernen. Voor de meest recente ijstijden leveren ijskernen klimaatindicatoren, zowel van het ijs zelf als
van atmosferische monsters afkomstig van aanwezige luchtbellen. Omdat water dat lichtere isotopen bevat een lagere verdampingswarmte heeft, neemt het aandeel ervan af bij warmere omstandigheden. Hierdoor kan een temperatuurrecord worden opgebouwd. Dit bewijsmateriaal kan echter worden vertroebeld door andere factoren die door isotopenverhoudingen worden geregistreerd.

Het paleontologische bewijs bestaat uit veranderingen in de geografische verspreiding van fossielen. Tijdens een ijstijd verspreiden aan de koude aangepaste organismen zich naar lagere breedtegraden, en organismen die de voorkeur geven aan warmere omstandigheden sterven uit of trekken zich terug naar lagere breedtegraden. Dit bewijsmateriaal is ook moeilijk te interpreteren omdat het het volgende vereist

- reeksen sedimenten die een lange tijdsperiode bestrijken, over een breed scala aan breedtegraden en die gemakkelijk gecorreleerd zijn.

- oude organismen die miljoenen jaren zonder verandering overleven en waarvan de temperatuurvoorkeuren gemakkelijk kunnen worden
vastgesteld.

- de vondst van de relevante fossielen

Ondanks de moeilijkheden heeft de analyse van kernen van ijskernen en oceaansedimenten een geloofwaardig verslag opgeleverd van gletsjers en interglacialen van de afgelopen paar miljoen jaar. Deze bevestigen ook het verband tussen ijstijden en verschijnselen van de continentale korst,
zoals gletsjermorenen, drumlins en grillige gletsjers. Daarom worden de verschijnselen van de continentale korst geaccepteerd als goed bewijs van eerdere ijstijden, wanneer ze worden aangetroffen in lagen die veel eerder zijn ontstaan dan het tijdsbestek waarvoor ijskernen en oceaansedimentkernen beschikbaar zijn

De grote ijstijden

Er zijn minstens vijf grote ijstijden geweest in de geschiedenis van de aarde (de Huronische, Cryogenische, Andes-Sahara, late Paleozoïcum en de laatste Kwartaire ijstijd). Buiten deze tijdperken werd vroeger gedacht dat de aarde ijsvrij was, zelfs op hoge breedtegraden; dergelijke perioden staan bekend als broeikasperioden. Andere studies betwisten dit echter en vinden bewijs van incidentele ijstijden op hoge breedtegraden, zelfs tijdens schijnbare broeikasperioden.

Rotsen uit de vroegste gevestigde ijstijd, het Huronien genaamd, zijn gedateerd op ongeveer 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden tijdens de vroege Proterozoïsche Eon. Enkele honderden kilometers van de Huronian Supergroup liggen 10 tot 100 kilometer ten noorden van de noordelijke oever van het Huron-meer, dat zich uitstrekt van nabij Sault Ste. Marie tot Sudbury, ten noordoosten van Lake Huron, met gigantische lagen nu verharde grondlagen, dropstones, varves, outwash en geschuurde kelderrotsen. Correlatieve Huroniaanse afzettingen zijn gevonden in de buurt van Marquette, Michigan, en er is een correlatie gelegd met Paleoproterozoïsche gletsjerafzettingen uit West-Australië. De Huroniaanse ijstijd werd veroorzaakt door de eliminatie van methaan in de atmosfeer, een broeikasgas, tijdens de Great Oxygenation Event.

De volgende goed gedocumenteerde ijstijd, en waarschijnlijk de zwaarste van de afgelopen miljard jaar, vond plaats van 720 tot 630 miljoen jaar geleden (de Cryogene periode) en heeft mogelijk een Sneeuwbalaarde voortgebracht waarin gletsjerijs de evenaar bereikte. Mogelijk wordt een einde gemaakt aan de accumulatie van broeikasgassen zoals CO2, geproduceerd door vulkanen. “De aanwezigheid van ijs op de continenten en pakijs op de oceanen zou zowel de verwering van silicaten als de fotosynthese belemmeren, wat momenteel de twee belangrijkste CO2-opslagplaatsen zijn. Er is gesuggereerd dat het einde van deze ijstijd hiervoor verantwoordelijk was. voor de daaropvolgende explosie in Ediacaran en Cambrium, hoewel dit model recent en controversieel is. De Andes-Sahara vond plaats van 460 tot 420 miljoen jaar geleden, tijdens het Laat-Ordovicium en het Siluur

IJstijdkaart van Noord-Duitsland en zijn noordelijke
buren. Rood: maximumlimiet van Weichseliaanse
gletsjer; geel: Saale-glaciale maximum (Drenthe-
etappe); blauw: Elster-glaciale maximale ijstijd.

De evolutie van landplanten aan het begin van het Devoon veroorzaakte op lange termijn een toename van het zuurstofniveau op de planeet en een verlaging van het CO2-niveau, wat resulteerde in de laat-Paleozoïsche ijskelder. De vroegere naam, de Karoo-ijstijd, is vernoemd naar de gletsjers in de Karoo-regio van Zuid-Afrika. Er waren uitgestrekte poolijskappen met tussenpozen van 360 tot 260 miljoen jaar geleden in Zuid-Afrika tijdens het Carboon en het vroege Perm. Er zijn verwanten bekend uit Argentinië, ook in het centrum van het oude supercontinent Gondwanaland.

Hoewel het Mesozoïcum gedurende zijn tijdsperiode een broeikasklimaat behield en voorheen werd aangenomen dat het volledig ijsvrij was, suggereren recentere studies
dat tijdens het vroege Krijt op beide halfronden korte perioden van ijstijd plaatsvonden. Geologische en paleoklimatologische gegevens suggereren het bestaan van ijstijden tijdens de Valangijnse, Hauteriviaanse en Aptische stadia van het vroege Krijt.

Met ijs bedekte gletsjerstenen geven aan dat op het noordelijk halfrond de ijskappen zich tijdens het Hauterivien en Aptiaan tot aan het Iberisch schiereiland kunnen hebben uitgebreid. Hoewel de ijskappen de rest van de periode grotendeels van de aarde verdwenen zijn (potentiële rapporten uit het Turonien, anders de warmste periode van het Phanerozoïcum, worden betwist), lijken de ijskappen en het bijbehorende zee-ijs kortstondig te zijn teruggekeerd naar de aarde. Antarctica aan het einde van het Maastrichtiaan, net vóór het uitsterven van het Krijt-Paleogeen.

Sedimentregistraties tonen de fluctuerende
sequenties van gletsjers en interglacialen gedurende
de afgelopen miljoenen jaar.

De Kwartaire Glaciatie/Kwartaire IJstijd begon ongeveer 2,58 miljoen jaar geleden aan het begin van de Kwartaire Periode, toen de verspreiding van ijskappen op het noordelijk halfrond begon. Sindsdien heeft de wereld cycli van ijstijden gekend, waarbij ijskappen opschoven en zich terugtrokken
op tijdschalen van 40.000 en 100.000 jaar, die ijstijden, ijstijden of ijsvooruitgangen worden genoemd, en interglaciale perioden, interglacialen of gletsjerterugtrekkingen. De aarde bevindt zich momenteel in een interglaciaal en de laatste ijstijd eindigde ongeveer 11.700 jaar geleden. Het enige dat overblijft van de continentale ijskappen zijn de Groenlandse en Antarctische ijskappen en kleinere gletsjers zoals op Baffin Island.

De definitie van het Kwartair, beginnend op 2,58 Ma, is gebaseerd op de vorming van de Arctische ijskap. De Antarctische ijskap begon zich eerder
te vormen, rond 34 miljoen jaar geleden, halverwege het Cenozoïcum (grens tussen het Eoceen en het Oligoceen). De term Late Cenozoïsche ijstijd wordt gebruikt om deze vroege fase te omvatten

IJstijden kunnen verder worden onderverdeeld naar locatie en tijd; De namen Riss (180.000–130.000 jaar bp) en Würm (70.000–10.000 jaar bp) verwijzen bijvoorbeeld specifiek naar de ijstijd in het Alpengebied. De maximale omvang van het ijs wordt niet gedurende het volledige interval gehandhaafd. De schurende werking van elke ijstijd heeft de neiging het grootste deel van het bewijsmateriaal van eerdere ijskappen vrijwel volledig te verwijderen, behalve in gebieden waar de latere laag geen volledige dekking bereikt.

Glacialen en interglacialen

Binnen de huidige ijstijd hebben zich meer gematigde en ernstigere perioden voorgedaan. De koudere perioden worden ijstijden genoemd, de warmere perioden interglacialen, zoals het Eemien-stadium. Er zijn aanwijzingen dat soortgelijke ijscycli zich hebben voorgedaan in eerdere ijstijden, waaronder de Andes-Sahara en de laat-Paleozoïsche ijskelder. De glaciale cycli van de laat-Paleozoïsche ijskelder zijn waarschijnlijk verantwoordelijk voor de afzetting van cyclothemen.

Gletsjers worden gekenmerkt door koelere en drogere klimaten over het grootste deel van de aarde en grote land- en zee-ijsmassa's die zich
vanaf de polen naar buiten uitstrekken. Berggletsjers in verder niet-geglazuurde gebieden strekken zich uit tot lagere hoogten vanwege een lagere sneeuwgrens. De zeespiegel daalt als gevolg van het verwijderen van grote hoeveelheden water boven zeeniveau in de ijskappen. Er zijn aanwijzingen dat de circulatiepatronen in de oceaan worden verstoord door ijstijden. De ijstijden en interglacialen vallen samen met veranderingen in de orbitale forcering van het klimaat als gevolg van Milankovitch-cycli, dit zijn periodieke veranderingen in de baan van de aarde en de kanteling van de rotatie-as van de aarde.

Temperatuur- en ijsvolumeveranderingen geassocieerd met
recente ijstijden en interglacialen.

Minimale (interglaciale, zwarte) en
maximale (glaciale, grijze) ijstijd van
het noordelijk halfrond

Minimale (interglaciale, zwart) en
maximale (glaciale, grijze) ijstijd van
het zuidelijk halfrond

De aarde bevindt zich al ongeveer 11.700 jaar in een interglaciale periode die bekend staat als het Holoceen, en een artikel in Nature uit 2004 stelt dat deze periode het meest analoog zou kunnen zijn aan een eerder interglaciaal dat 28.000 jaar duurde. Voorspelde veranderingen in de orbitale forcering suggereren dat de volgende ijstijd over minstens 50.000 jaar zou beginnen. Bovendien wordt geschat dat de antropogene forcering door
de toegenomen broeikasgassen mogelijk honderdduizenden jaren lang zwaarder zal wegen dan de orbitale forcering van de Milankovitch-cycli.

IJskappen op de evenaar

Zowel de Laat-Proterozoïsche ijstijd als de Vroeg-Proterozoïsche ijstijd wordt door sommige geologen geassocieerd met de Sneeuwbalaardetheorie. Die theorie stelt dat bepaalde ijstijden zo sterk waren dat de ijskappen van de polen tot aan de evenaar vrijwel de gehele Aarde bedekten. Met name uit het Cryogenium is sterk bewijs dat er in de tropen ijskappen op zeeniveau voorkwamen, uit dezelfde periode ontbreekt tot nog toe echter bewijs voor het voorkomen van ijskappen nabij de polen. Een alternatieve hypothese om deze verschijnselen te verklaren is dat de aardas in die tijd sterk gekanteld was (waarbij wordt verondersteld dat de obliquiteit meer dan 54° was), waardoor de polen warmer waren dan de evenaar.

IJstijd	Ouderdom	Periode of Tijdvak	Era	Eon	Kenmerken
Laat-Cenozoïsche ijstijd	vanaf 30 Ma	Oligoceen tot heden	Cenozoïcum	Fanerozoïcum	Tot aan het Kwartair hoofdzakelijk beperkt tot Antarctica
Laat-Paleozoïsche ijstijd	326-267 Ma	Carboon en Perm	Paleozoïcum	Fanerozoïcum
Vroeg-Paleozoïsche ijstijd	~440 Ma	Ordovicium	Paleozoïcum	Fanerozoïcum	Geassocieerd met de Laat- Ordovicische massa-extinctie
Laat-Proterozoïsche ijstijd	750-582 Ma	Cryogenium en Ediacarium	Neoproterozoïcum	Proterozoïcum	Geassocieerd met de Sneeuwbalaardetheorie
Vroeg-Proterozoïsche ijstijd	~2,3 Ga	Siderium en Rhyacium?	Paleoproterozoïcum	Proterozoïcum	Geassocieerd met de Sneeuwbalaardetheorie
Archeïsche ijstijd	~2,9? Ga	?	Mesoarcheïcum?	Archeïcum	Weinig over bekend

Ka = 10.000 jaar, Ma = 1.000.000 jaar, Ga = 1.000.000.000 jaar

Tijdlijn van ijstijden, weergegeven in blauw.

Oorzaken

Een ijstijd wordt verondersteld veroorzaakt te worden door een samenloop van geologische en klimatologische omstandigheden. IJskappen kunnen slechts ontstaan als er in een gebied over een langere periode meer sneeuw valt, dan dat er afsmelt. Hiervoor moet er voldoende neerslag vallen
met name in de winter en moet de temperatuur niet te hoog zijn (met name in de zomer). De specifieke omstandigheden, die tot de vorming van grote ijskappen leiden, kunnen per ijstijd verschillend zijn, maar een aantal omstandigheden worden vaak in overweging genomen om het optreden van ijstijden te verklaren:

Ligging continenten

De vorming van de landengte van Panama aan het eind van het Plioceen sloot de verbinding tussen de Grote Oceaan en Caraïbische Zee af.
Dit leidde waarschijnlijk tot grote veranderingen in oceaancirculatie. Glaciaal landschap in Bhutan. De vorming van het Tibetaans Hoogland en de Himalaya in het Cenozoïcum heeft wellicht een rol gespeeld bij de afkoeling die sinds het Eoceen plaatsvindt.

Als gevolg van de plaattektoniek veranderen continenten voortdurend van plek. Dit proces van continentverschuiving gaat langzaam, maar is van groot belang op een geologische tijdschaal, dat wil zeggen over meerdere miljoenen jaren gezien. De verschillende ligging van continenten in het verleden is door middel van paleogeografische reconstructies achterhaald en speelt een belangrijke rol bij het verklaren van het optreden van ijstijden.

IJskappen kunnen slechts ontstaan als continenten op of bij de polen gelegen zijn, ijskappen vormen zich immers alleen op land. Gedurende het Fanerozoïcum is er geen bewijs voor de aanwezigheid van landijs in periodes dat er geen landmassa nabij de polen lag. De ligging van continenten in het poolgebied kan echter niet de enige verklaring zijn voor het voorkomen van ijstijden, aangezien bijvoorbeeld in het Krijt er wel degelijk continenten bij de polen lagen, maar er geen enkele aanwijzing is voor ijsbedekking gedurende die periode.

Glaciaal landschap in Bhutan. De vorming van het Tibetaans Hoogland en de Himalaya
in het Cenozoïcum heeft wellicht een rol gespeeld bij de afkoeling die sinds het
Eoceen plaatsvindt.

Een ander punt is dat de ligging van continenten ook de oceaancirculatie beïnvloedt. Wanneer zich landengtes vormen, zoals bij Panama gebeurde tussen Zuid- en Noord-Amerika in het Plioceen, kan dat grote invloed hebben op de globale circulatiesystemen in de oceaan. Deze bepalen namelijk het vocht- en warmtetransport van lage naar hoge breedtes. Wanneer er meer vocht richting de polen wordt getransporteerd, kan dat leiden tot meer sneeuwval en de opbouw van ijskappen. Wanneer er minder warmte richting de polen gaat, kan dat leiden tot verminderd afsmelten van sneeuw en ijs. Dit laatste was waarschijnlijk het geval toen Antarctica aan het eind van het Eoceen van Zuid-Amerika gescheiden werd en zich een sterke koude stroming in de Zuidelijke Oceaan ontwikkelde, waardoor Antarctica als het ware thermisch geïsoleerd werd.

Fluctuaties in oceaanstromingen

Een andere belangrijke bijdrage aan oude klimaatpatronen is de variatie in oceaanstromingen, die worden gewijzigd door de positie van continenten, zeeniveaus, zoutgehalte en andere factoren. Ze hebben het vermogen om af te koelen (bijvoorbeeld door bij te dragen aan de vorming van het ijs
op Antarctica) en het vermogen om op te warmen (door de Britse eilanden bijvoorbeeld een gematigd klimaat te geven in plaats van een subpolair klimaat). De sluiting van de landengte van Panama, ongeveer drie miljoen jaar geleden, heeft mogelijk de huidige periode van zware ijstijd in Noord-Amerika ingeluid, doordat er een einde kwam aan de uitwisseling van water tussen de tropische Atlantische Oceaan en de Atlantische Oceaan.

De analyses suggereren dat fluctuaties in oceaanstromingen de recente glaciale oscillaties adequaat kunnen verklaren. Tijdens de laatste ijstijd schommelde de zeespiegel met 20 tot 30 meter doordat water werd vastgehouden, voornamelijk in de ijskappen van het noordelijk halfrond.
Toen het ijs zich ophoopte en de zeespiegel voldoende daalde, werd de stroming door de Beringstraat (de smalle zeestraat tussen Siberië en
Alaska is tegenwoordig ongeveer 50 meter diep) verminderd, wat leidde tot een toename van de stroming vanuit de Noord-Atlantische Oceaan. Hierdoor werd de thermohaliene circulatie in de Atlantische Oceaan opnieuw uitgelijnd, waardoor het warmtetransport naar het Noordpoolgebied toenam, waardoor de opbouw van poolijs afsmolt en andere continentale ijskappen afnamen. Het vrijkomen van water zorgde ervoor dat de zeespiegel weer steeg, waardoor de instroom van kouder water uit de Stille Oceaan herstelde, wat leidde tot een verandering in de ijsaccumulatie
op het noordelijk halfrond.

Volgens een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature in 2021 zijn alle ijstijden van de afgelopen 1,5 miljoen jaar in verband gebracht met noordwaartse bewegingen van smeltende Antarctische ijsbergen die de circulatiepatronen in de oceaan hebben veranderd, wat heeft geleid tot een toename van de hoeveelheid CO2 die uit de oceanen wordt gehaald. sfeer. De auteurs suggereren dat dit proces in de toekomst kan worden verstoord als de Zuidelijke Oceaan te warm wordt voor ijsbergen om ver genoeg te reizen om deze veranderingen teweeg te brengen.

Atmosfeersamenstelling

De samenstelling van de atmosfeer heeft invloed op de temperatuur op Aarde door middel van het broeikaseffect en wordt in de geologische geschiedenis beïnvloed door een aantal processen:

Vulkanische activiteit

Vulkanische activiteit heeft een aanzienlijk effect op de concentratie van broeikasgassen (zoals CO2) in de atmosfeer. De snelheid van oceanische spreiding langs mid-oceanische ruggen is vermoedelijk deels bepalend voor de mate van vulkanisme in een bepaald tijdperk. Als de snelheid van
deze spreiding relatief hoog is, dan is er sprake van sterk verhoogde vulkanische activiteit langs de mid-oceanische ruggen en subductiezones,
waarbij veel CO2 vrijkomt. Hierdoor zal de temperatuur op Aarde hoger zijn gedurende periodes met hoge spreidingssnelheid (zoals het Krijt) dan gedurende periodes met een relatief langzame spreiding (zoals het Kwartair).

Opname van CO2

De mate van de opname van CO2 uit de atmosfeer door chemische verwering van silicaten heeft ook een effect op de sterkte van het broeikaseffect. Bij de chemische verwering van silicaatgesteenten (zoals graniet) wordt netto CO2 aan de atmosfeer onttrokken. Door Maureen Raymo is een hypothese opgesteld waarbij de verhoogde snelheid van chemische verwering als gevolg van gebergtevorming als verklaring voor het voorkomen
van ijstijden wordt gegeven. Wanneer er zich nieuwe gebergtes vormen, komen er grote volumes gesteente aan het oppervlak te liggen die bloot komen te staan aan erosie en verwering. In de hypothese wordt gesteld dat hierbij zoveel CO2 aan de atmosfeer onttrokken wordt dat het een significant effect zou moeten hebben op het klimaat. IJstijden zouden volgens deze hypothese voornamelijk optreden in periodes met continentale collisie en men ziet bijvoorbeeld een verband tussen de Laat-Cenozoïsche ijstijd en de Alpiene orogenese.

Leven op Aarde

De aanwezigheid van leven op Aarde heeft het klimaat beïnvloed en wordt wel gerelateerd met het optreden van bepaalde ijstijden. Centraal staat hierbij de opname van CO2 door middel van fotosynthese door planten en andere autotrofe organismen. Als deze organismen vervolgens in
sediment begraven worden, wordt er netto CO2 aan de atmosfeer onttrokken. Gedurende het Devoon en het Carboon zorgde de opkomst van landplanten, in combinatie met een hoge sedimentatiesnelheid van organisch materiaal, ervoor dat de concentratie CO2 in atmosfeer sterk afnam. Tevens had het verschijnen van landplanten als effect dat de chemische verwering van silicaten sterk toenam, omdat de wortels van planten stoffen afscheiden die het verweringsproces bevorderen. Deze episode wordt wel als oorzaak voor de Laat-Paleozoïsche ijstijd aangevoerd.

Astronomische variaties

De Milankovitch-cycli zijn een reeks cyclische variaties in de kenmerken van de baan van de aarde rond de zon. Elke cyclus heeft een andere lengte, dus soms versterken hun effecten elkaar en soms heffen ze elkaar (gedeeltelijk) op.

Er is sterk bewijs dat de Milankovitch-cycli van invloed zijn op het voorkomen van glaciale en interglaciale perioden binnen een ijstijd. De huidige ijstijd is de meest bestudeerde en best begrepen, met name de laatste 400.000 jaar, omdat dit de periode is die wordt bestreken door ijskernen die de atmosferische samenstelling en proxies voor temperatuur en ijsvolume registreren. Binnen deze periode is de overeenkomst van glaciale/interglaciale frequenties met de Milanković-orbitale forcingperioden zo nauw dat orbitale forcing algemeen wordt geaccepteerd.

De gecombineerde effecten van de veranderende afstand tot de zon, de precessie van de aardas en de veranderende helling van
de aardas herverdelen het zonlicht dat de aarde ontvangt. Van bijzonder belang zijn veranderingen in de helling van de aardas,
die de intensiteit van de seizoenen beïnvloeden. Bijvoorbeeld, de hoeveelheid zonne-instroom in juli op 65 graden noorderbreedte varieert met maar liefst 22% (van 450 W/m2 tot 550 W/m2). Het is algemeen bekend dat ijskappen opschuiven wanneer de zomers te koud worden om alle opgehoopte sneeuwval van
de vorige winter te laten smelten. Sommigen geloven dat de sterkte van de orbitale forcering te klein is om ijstijden te veroorzaken, maar feedbackmechanismen zoals CO2 kunnen deze mismatch verklaren.

Verleden en toekomst van de dagelijkse gemiddelde zonnestraling bovenin de
atmosfeer op de dag van de zomerzonnewende, op 65 noorderbreedte

Terwijl Milankovitch-forcering voorspelt dat cyclische veranderingen in de baanelementen van de aarde kunnen worden uitgedrukt in het glaciatieverslag, zijn aanvullende verklaringen nodig om uit te leggen welke cycli het belangrijkst zijn voor de timing van glaciale-interglaciale perioden. Met name gedurende de laatste 800.000 jaar was de dominante periode van glaciale-interglaciale oscillatie 100.000 jaar, wat overeenkomt met veranderingen in de excentriciteit en de helling van de baan van de aarde. Toch is dit verreweg de zwakste van de drie frequenties die door Milankovitch zijn voorspeld. Gedurende de periode van 3,0-0,8 miljoen jaar geleden kwam het dominante patroon van glaciatie overeen met de periode van 41.000 jaar van veranderingen in de obliquiteit (helling van de as) van de aarde. De redenen voor de dominantie van de ene frequentie ten opzichte van de andere worden slecht begrepen en zijn een actief gebied van huidig onderzoek, maar het antwoord heeft waarschijnlijk betrekking op een vorm van resonantie in het klimaatsysteem van de aarde. Recent onderzoek suggereert dat de 100.000-jarige cyclus domineert als gevolg van de toename van het zee-ijs op de zuidelijke pool, waardoor de totale zonnereflectie toeneemt.

De traditionele Milankovitch-verklaring worstelt met het verklaren van de dominantie van de 100.000-jarige cyclus over de laatste 8 cycli.
De berekeningen die zijn voor een tweedimensionale baan van de aarde, maar de driedimensionale baan heeft ook een 100.000-jarige cyclus van orbitale helling. Deze variaties in orbitale helling leiden tot variaties in zonnestraling, terwijl de aarde in en uit bekende stofbanden in het zonnestelsel beweegt. Hoewel dit een ander mechanisme is dan de traditionele visie, zijn de "voorspelde" perioden over de laatste 400.000 jaar vrijwel hetzelfde.

Variaties in de energie-output van de zon

Er zijn minstens twee soorten variatie in de energie-output van de zon:

- Op de zeer lange termijn geloven astrofysici dat de output van de zon met ongeveer 7% per miljard
jaar toeneemt

- Kortere termijnvariaties zoals zonnevlekkencycli en langere episodes zoals het Maunder Minimum,
dat plaatsvond tijdens het koudste deel van de Kleine IJstijd.

De lange termijntoename in de output van de zon kan geen oorzaak zijn van ijstijden.

Terugkoppelingsmechanismen (positief)

Een belangrijke vorm van terugkoppeling wordt geleverd door de albedo van de aarde, wat aangeeft hoeveel van de energie van de zon wordt weerkaatst in plaats van geabsorbeerd door de aarde.
IJs en sneeuw verhogen de albedo van de aarde, terwijl bossen de albedo verlagen. Wanneer de luchttemperatuur daalt, groeien ijs- en sneeuwvelden en verminderen ze de bosbedekking. Dit gaat
door totdat concurrentie met een negatief feedbackmechanisme het systeem dwingt tot een evenwicht.

Wanneer ijs met een lage temperatuur de Noordelijke IJszee bedekt, is er weinig verdamping of
sublimatie en zijn de poolgebieden vrij droog in termen van neerslag, vergelijkbaar met de hoeveelheid
die wordt aangetroffen in woestijnen op gemiddelde breedtegraden. Deze lage neerslag zorgt ervoor dat sneeuwval op hoge breedtegraden in de zomer smelt. Een ijsvrije Noordelijke IJszee absorbeert zonnestraling tijdens de lange zomerdagen en verdampt meer water in de atmosfeer van de Noordelijke IJszee. Bij hogere neerslag kunnen delen van deze sneeuw in de zomer niet smelten en kan er gletsjerijs worden gevormd op lagere hoogten en meer zuidelijke breedtegraden, waardoor de temperaturen boven land worden verlaagd door een verhoogde albedo, zoals hierboven is opgemerkt. Bovendien zorgt het gebrek aan oceanisch pakijs volgens deze hypothese voor een verhoogde uitwisseling van water tussen de Noordelijke IJszee en de Noord-Atlantische Oceaan, waardoor de Noordelijke IJszee opwarmt en de Noord-Atlantische Oceaan afkoelt.

Weerkaatsingsvermogen (albedo) van
verschillende oppervlaktetypes, een
hogere waarde betekent dat er meer
zonnestraling direct wordt
teruggekaatst.

Extra zoet water dat tijdens een opwarmingscyclus de Noord-Atlantische Oceaan instroomt, kan ook de wereldwijde oceaanwatercirculatie verminderen. Een dergelijke vermindering van de effecten van de Golfstroom zou een verkoelend effect hebben op Noord-Europa, wat op zijn
beurt zou leiden tot een grotere sneeuwretentie op lage breedtegraden gedurende de zomer.

Terugkoppelingsmechanismen (negatief)

IJskappen die tijdens ijstijden ontstaan, eroderen het land eronder. Dit kan het landoppervlak boven zeeniveau verkleinen en zo de hoeveelheid
ruimte waarop ijskappen zich kunnen vormen verkleinen. Dit verzacht de albedo-feedback, net als de stijging van de zeespiegel die gepaard gaat
met het kleinere oppervlak van ijskappen, aangezien de open oceaan een lagere albedo heeft dan land.

Een ander negatief terugkoppelmechanisme is de toegenomen droogte die optreedt bij glaciale maxima, waardoor de neerslag die beschikbaar is
om de ijstijd in stand te houden, wordt verminderd. De terugtrekking van de gletsjer die door dit of een ander proces wordt veroorzaakt,
kan worden versterkt door soortgelijke omgekeerde positieve feedback als bij gletsjeropmarsen.

De gevolgen van de ijstijden

Wereldwijde gevolgen

Tijdens een ijstijd treden als gevolg van klimaatkoeling de volgende verschijnselen op:

- Vorming van ijskappen: ze vestigen zich geleidelijk op de continentale gebieden op hoge breedtegraden, met een maximale dikte van
ongeveer 3 km, en stromen naar de randen ervan, waarbij ze de bestaande natuurlijke habitats vernietigen en een deel van de reliëfs egaliseren.

- Daling van de zeespiegel (glacio-eustasie): de opslag van ijs op de continenten veroorzaakt een daling van de oceaanspiegel in de orde
van 120 m tijdens de laatste ijstijd)en veroorzaakt het ontstaan van een deel van het continentaal plat.

- Oceanische samentrekking.

- Verticale tektonische bewegingen (glacio-isotasie): onder het gewicht van het ijs beïnvloeden verticale tektonische bewegingen de gletsjergebieden
en hun randen (zinken tijdens ijstijd, opwaartse beweging of isostatisch herstel tijdens deglaciatie).

- wijziging van de mondiale oceaancirculatie: deze wordt vervolgens volledig getransformeerd met wederzijdse invloeden, complex en tot in detail
onbekend, op het klimaat).

Gevolgen voor de biodiversiteit

Om te overleven in de ijstijd moeten soorten die aan een klimaat zijn blootgesteld dat te koud is, in hoogte naar de vlaktes en/of in de breedtegraad afdalen om dichter bij de evenaar te komen. Dit moeten ze vooral doen omdat ze gevoelig zijn voor kou. Ze overleven dan in minder en soms minder dichte populaties in toevluchtsoorden die minder door de kou worden getroffen. Tijdens het Pleistoceen kon een groot aantal soorten echter niet snel genoeg migreren of vonden ze niet voldoende schuilplaats voor de gletsjers, en overleefden daarom de ijstijden niet, wat gedeeltelijk de huidige lagere biodiversiteit verklaart in vergelijking met lage breedtegraden De klimaatveranderingen zijn gematigder geweest. Vervolgens kan het terugtrekken van gletsjers ook zogenaamde relictpopulaties van boreale soorten achterlaten op grote hoogte in zuidelijke bergketens, waarvan de omstandigheden vergelijkbaar zijn met die van de boreale zones.

De biodiversiteit van de gematigde streken van het noordelijk halfrond ondervond over het algemeen sterke erosie tijdens de ijstijden in het Pleistoceen. Vooral in Europa, waar ecologische barrières (bergen, zeeën) zich voornamelijk langs de parallellen uitstrekken en de noord-zuidmigratie blokkeren, is een aanzienlijk deel van de rijke flora die de Europese bossen aan het einde van het Tertiair kenmerkte volledig verdwenen.

Vanwege de zeer recente aard van de ijstijden in het Pleistoceen blijft hun impact belangrijker dan het huidige klimaat bij het verklaren van de huidige niveaus van biodiversiteit (aantal soorten) per regio voor veel groepen levende soorten. Dit lijkt bijvoorbeeld, naast de huidige klimaatverschillen, gedeeltelijk de lagere biodiversiteit van Noord-Europa vergeleken met het zuiden onder mestkevers te verklaren. Op dezelfde manier lijken ijstijden een grote impact te hebben gehad op de huidige verspreidingsgebieden van soorten en op de verspreidingsgebieden van soorten die in verschillende geografische gebieden aanwezig zijn. Dit wordt verklaard door het lage verspreidingsvermogen van veel soorten en de aanwezigheid van ecologische barrières die hen geen grootschalige herkolonisatie van alle regio's mogelijk maakten, die tijdens het Holoceen opnieuw gunstig werden. Dit lijkt bijvoorbeeld het geval te zijn voor de verspreiding van Carabidae in Europa. De regio’s die vandaag de dag een rol speelden als toevluchtsoord voor de gletsjers bevatten ook, zowel voor de fauna als de flora, een groot aantal relictsoorten die een zeer beperkte verspreiding kennen, omdat ze tijdens het Holoceen nog niet de tijd hebben gehad om een potentieel verspreidingsgebied te herkoloniseren. was weer veel groter geworden.

Op de schaal van een soort resulteerde de kou ook in het lokale uitsterven van talrijke populaties binnen de toen bestaande metapopulaties, met als gevolg een vermindering van hun intraspecifieke genetische diversiteit.

Deze zeer negatieve effecten voor de biodiversiteit kunnen enigszins gecompenseerd zijn, bijvoorbeeld door de aanwezigheid van verschillende schiereilanden in Zuid-Europa die van elkaar geïsoleerde toevluchtsoorden vormden, waardoor allopatrische soortvorming tijdens het Pleistoceen
voor bepaalde groepen soorten werd bevorderd.

Tijdens de blootstelling van het continentaal plat, dat mogelijk werd gemaakt door de daling van de zeespiegel, ontstonden er nieuwe terrestrische ruimtes die in staat waren om onsamenhangende gebieden tijdens de interglaciale fasen opnieuw met elkaar te verbinden. Het gebied dat momenteel met Frankrijk correspondeert, was bijvoorbeeld tijdens de laatste drie ijstijden verbonden met de huidige Britse eilanden, waardoor grote zoogdieren zich van het ene gebied naar het andere konden verplaatsen door de huidige bodem van het Engelse Kanaal over te steken. Op dezelfde manier kan wat tegenwoordig de Wallace-lijn wordt genoemd, die binnen de Insulinde-archipel een gebied scheidt dat wordt gedomineerd door soorten uit het Indomalayan-domein (tropisch Azië) en een gebied dat wordt gedomineerd door soorten uit het Australaziatische domein, alleen worden verklaard door de geografie van de regio tijdens de ijstijden van het Pleistoceen en niet volgens de huidige geografie. Een aanzienlijk deel van de eilanden in de regio was vervolgens over land met het Aziatische of Australische continent verbonden, wat tot op zekere hoogte de fauna en flora in twee gebieden van wat nu een archipel is, homogeniseerde, terwijl de eilanden die tijdens de periode geïsoleerd waren gebleven, tot op zekere hoogte werden gehomogeniseerd. deze ijstijden behielden meer endemische fauna en flora.

De verschillende ijstijden gedurende de geschiedenis van de aarde

Oude ijstijden

De aarde bevat sporen van oude ijstijden. De Varanger-ijstijd, 750 miljoen jaar geleden, was bijvoorbeeld bijzonder belangrijk. Het ijs lijkt op dat moment bijna de hele planeet te hebben bedekt, tot aan de evenaar. We kennen ook sporen van ijstijden tijdens:

- de Pongola-ijstijd (bij −2.900 Ma).

- het Huronien (van −2.400 Ma tot −2.100 Ma).

- de Cryogene (van −720 Ma tot −635 Ma).

- de Andes-Sahara, tot het Ordovicium (van −450 Ma tot −420 Ma).

- de Karoo-ijstijd, op de kruising Carboon - Perm (van −360 Ma tot −260 Ma).

Recente gletsjercycli en hun sporen in de landschappen

Het einde van het Cenozoïcum wordt gekenmerkt door de terugkeer van ijstijden, het Kwartair genoemd, van ongeveer 2,6 miljoen jaar naar
12.000 jaar vóór het heden.

De Kwartaire ijstijden komen overeen met de vestiging van een klimaat dat afkoelt en de cyclische terugkeer van koude (glaciale) en gematigde (interglaciale) perioden. Ongeveer 12.000 jaar geleden begon de huidige interglaciale periode, het Holoceen.

Het Boven-Pleistoceen komt overeen met de laatste interglaciale/glaciale cyclus (van ongeveer 130.000 tot 12.000 vóór heden) die eindigt met
de Late Glaciale periode

De Kwartaire ijstijden produceerden ijskappen, ijskappen en de ontwikkeling van gletsjertongen die talloze bergen bedekten en markeerden, ook in
de intertropische zone en gebieden die tegenwoordig onder water staan door de opkomst van de zee (continentaal plat) die volgde op de deglaciatie

Dik ijs en lateraal smeltwater hebben bepaalde landvormen afgevlakt of op een specifieke manier in de grond gesneden. Bij het smelten kwam vervolgens een enorme hoeveelheid water vrij; deze dubbele actie, geassocieerd met verschijnselen van cryoturbatie en solifluctie (gelifluxion),
heeft talloze sporen achtergelaten die nog steeds zichtbaar zijn in voorheen gletsjergebieden. Deze sporen vormen getuigenlocaties die het mogelijk maken de hoogte van het gletsjeroppervlak tijdens het pleniglaciaal te berekenen.

Bepaalde patronen van accumulatie en erosie zijn bijzonder kenmerkend. De ôs, drumlins en proglaciale kanalen markeren nog steeds talrijke gletsjer- en periglaciale reliëfs in de Alpen,
de Pyreneeën, de Vogezen, het Centraal Massief en Alaska, Spitsbergen, IJsland, enz.

De laatste ijstijd

De laatste ijstijd (ongeveer 120.000 tot 10.000 jaar geleden) wordt de Würm-ijstijd in de Alpen, de Vistulian-ijstijd in Noord-Europa en de Wisconsin-ijstijd in Noord-Amerika genoemd.

De belangrijkste ijskappen bevonden zich:

- Op het Canadese schild en de Rockies.

- In de Andes nabij Bolivia en Patagonië.

- In IJsland.

- Op de Britse eilanden, Noord-Europa, Noord-Rusland en Siberië.

- In Altajgebergte (Russisch Tibet).

- In het Verchojansk-gebergte.

- In de Himalaya, de Hindu Kush, de Tian Shan en Kunlun-bergen.

Deze gebieden behouden geomorfologische sporen

Omvang van de ijskappen en ijskappen van het
noordelijk halfrond tijdens het laatste glaciale
maximum (de kustlijn komt niet overeen met het
zeeniveau van 22-18.000 jaar geleden, gemiddeld
120 m lager)

De kleine ijstijd

De Kleine IJstijd komt strikt genomen niet overeen met een ijstijd, maar met een koude klimaatschommeling binnen het Holoceen Interglaciaal,
wat des te beter tot uiting komt omdat deze recent is.

Het noordelijk halfrond kende een duidelijke afkoeling, die begon in de tweede helft van de 14e eeuw met een thermisch minimum in de 17e eeuw
en die aanhield tot het begin van de 19e eeuw. Het wordt de Kleine Glaciatie of Kleine IJstijd genoemd en is een periode die zich concentreert op het Maunder Minimum (eigenlijk 1645-1715), wat lijkt overeen te komen met een lage zonneactiviteit (de plekken waren elders nauwelijks zichtbaar). Het lijkt er ook op dat deze zwakke zonneactiviteit werd verergerd door een grote uitbarsting van Laki in 1783 in IJsland, die een vulkanische winter veroorzaakte. Het werd gekenmerkt door een reeks bijzonder strenge winters, die gepaard gingen met tekorten en hongersnoden.

De Theems bevroren in 1677.

Fluctuaties in de zonneactiviteit gedurende een millennium

De gevolgen van deze koude episode zijn niet te verwaarlozen; het klimaat in IJsland en Groenland was relatief mild gedurende de eerste
driehonderd jaar na de kolonisatie van de Vikingen. Vervolgens koelde het aanzienlijk af, waardoor de landbouw werd verboden en bossen verdwenen. De vulkanische winter veroorzaakt door de uitbarsting van de Laki had aanzienlijke gevolgen in Europa en veroorzaakte rampzalige oogsten. Dit is waarschijnlijk een van de factoren die zullen leiden tot de Franse Revolutie van 1789.

De omkering van 1900-1910

In de 19e eeuw zouden de temperaturen tot ongeveer 1900-1910 zijn gedaald als onderdeel van een langzame cyclus van 5000 jaar als gevolg van orbitale mechanica, wat mogelijk de angst voor een nieuwe ijstijd deed toenemen, maar de trend zou dan zijn omgekeerd.

Bronnen: Wikipedia-nl, Wikipedia-en, Wikipedia-fr

Klimaat en klimaatverandering

IJstijd of IJstijdvak