Etter at den globale overflatetemperaturen hadde sunket gradvis gjennom det meste av tertiær, var den ved inngangen til kvartær blitt så lav at små utslag i innstråling ledet til nedising.
Årsaken til istidene: Endringer i klimaet gjennom kvartær har sammenheng med at Jordas bane i solsystemet, jordaksens helning og jordaksens vingling, påvirkes av solas, månens og planetenes gravitasjonskraft. Illustrasjon: Wikimedia Commons
I den tredje av seks artikler om hvorfor klimaet stadig er i kontinuerlig endring, ser vi på hva som skjer på tidsskalaer som strekker seg over titalls til hundretusener av år. I den neste artikkelen ser vi på hvorfor klimaet endrer seg på enda kortere tidsskalaer (tusener og ned til tiår/enkeltår). Alle artiklene i denne serien finner du her.
Ved inngangen til kvartærtiden (Istiden) hadde temperaturen på Jorda sunket jevnt og trutt gjennom det meste av kenozoikum, og den var da lavere enn den hadde vært under det meste av Jordas historie (geo365.no: «Klimaets gåtefulle variasjoner»).
Forholdene lå med ett til rette for at små endringer i innstrålingen fra sola – og følgelig små endringer i jordoverflatens temperatur – kunne forårsake istider (se figuren under). Et balansepunkt var nådd.
Isbreene vokste da innstrålingen på høye breddegrader i perioder var liten om sommeren, og de smeltet da innstrålingen på høye breddegrader i perioder var stor.
Kaldt nok for istider Analyser av sedimentkjerner fra alle verdenshavene viser temperaturendringene på kloden de siste fem millioner årene. Kurven er basert på oksygenisotopforhold, men kalibrert mot temperaturer derivert fra iskjernedata i Antarktis. Legg merke til at Jorda går inn i Istiden når overflatetemperaturen på Jorda faller til et kritisk lavt nivå (under den røde streken). Vertikal skala t.v: grader celsius differanse i forhold til «dagens» temperatur (1950). Vertikal skala t.h: oksygenisotopforhold (δ18O). Horisontal skala: millioner år før nå. Illustrasjon: James E. Hansen and Makiko Sato, NASA, Public domain
Opp mot femti istider
Et av de interessante trekkene som stod klart fram da temperaturkurven ble kjent på slutten av 1970-tallet, var at Jorda har gjennomgått opp mot femti istider. Presis hvor mange er et definisjonsspørsmål. Antallet kan reduseres ved å inkorporere noen av de mindre i noen av de større.
Uansett er antallet betydelig større enn de fire store istidene som forskerne frem til da hadde operert med. I Europa er disse kjent som weichsel (yngst), saale, elster og günz. Samlet spenner de over 470 000 år. Når vi her hjemme snakker om Istiden, tenker de fleste på weichsel (117 000-11 700 år siden). Årsaken er at det kun er denne det er spor etter på det norske fastlandet.
Tidlige tanker
Veien fram mot å forklare istidene gjennom kvartær starter med Johannes Kepler (1571-1630) og hans tre lover som omhandler planetenes baner rundt sola.
Mer enn hundre år etter Keplers død, i 1754, gjorde den franske matematikeren, fysikeren og filosofen Jean Le Rong d’Alembert beregninger som viste at jordbanen vingler med en frekvens på 22 000 år.
Den dansk-norske professoren Jens Esmark (1762-1839) var tidlig ute (1824) med en astronomisk forklaring på istidene. Professor Geir Hestmark skriver dette: «Esmark nøyde seg ikke med å fastslå at en istid hadde funnet sted. Han søkte også dens årsak. For å forklare hvordan et slikt enormt klimaskifte kunne skje, lanserte han – inspirert av observasjoner av tilbakevendende kometer – en teori om forandringer i Jordens bane rundt solen. Hvis banen en gang hadde vært mer ellipseformet som hos kometer, og ikke tilnærmet sirkelrund som nå, kunne dette medføre nedkjøling når Jorden befant seg lengst fra solen».
I 1842 publiserte den franske matematikeren Joseph Alphose Adhémar boka Revolutions of the Sea. Han teoretiserte at istidene var styrt av endringer i jordbanens form rundt sola. Han gikk imidlertid vel langt med å foreslå at iskappen over Antarktis var så stor at den ville drenere havvann fra den nordlige halvkulen mot den sørlige og forårsake en «oppbulning». Når isen over Antarktis senere smeltet, ville den være årsak til en gigantisk flodbølge og oversvømme verdens landområder. Den anerkjente, tyske naturviteren Alexander von Humboldt avviste denne tanken og satte med sin vitenskapelige pondus sluttstrek for den debatten.[1]
Ideen om at Jordas gang rundt sola kunne påvirke klimaet var imidlertid ikke glemt.
Nærmere 40 år etter at Esmark hadde lansert sin istidsteori, publiserte skotske James Croll (1821-1890) ideen om at istidene skyldtes endringer i jordbanens ellipseform (1864). Han baserte den på beregninger gjort 20 år tidligere av en fransk matematiker (Urban Leverrier).
Croll beregnet også at ellipseformen endret seg syklisk. Han fremholdt også at svak innstråling fra sola ville bli forsterket av snø og is.
Croll konkluderte sitt arbeid i 1875 med boka Climate and Time.
Det første gjennombruddet
Det var den serbiske forskeren Milutin Milankovitch (1879 – 1958) som knekket gåten om hvorfor kvartær tid (de siste 2,6 millioner årene) er karakterisert av istider og mellomistider. I 1920[2] publiserte han nøyaktige beregninger av hvorfor og hvordan variasjonene i Jordas stilling i forhold til sola kontinuerlig varierer. Da var det gått nesten 100 år siden Esmark «oppdaget Istiden».
Milankovitch ga etter mange års intense studier en komplett matematisk forklaring på hvordan sykliske variasjoner i Jordas bane rundt sola – eksentrisitet, helning og vingling – forårsaket variasjoner i innstråling fra sola på forskjellige breddegrader.[3]
Beregningene tok utgangspunkt i at Jordas bane og stilling i forhold til sola forandrer seg fordi den blir påvirket av tyngdekraften fra både sola, månen og de andre planetene (spesielt Jupiter og Saturn).
Fra analysene kunne forskeren avlede at innstrålingen fra sola endret seg med periodisitet på 100 000, 41 000 og 26 000 år, og at disse igjen ga sykliske endringer i klima. Disse går nå under begrepet Milankovitch-sykler (se kunnskapsboks på slutten av artikkelen) og forklarer hvorfor kvartær tid er synonymt med Istiden.
Milankovitch-syklene gjorde det nå mulig å lete etter istider langt bakover i geologisk tid. Bordet var på sett og vis dekket for geologer til å dra ut i felt og lete etter spor.
Milankovitch hadde løst en av datidens store gåter innen geologifaget. På samme måte som Alfred Wegener la grunnlaget for det paradigmeskiftet som platetektonikken representerte, la Milutin Milankovitch grunnlaget for et paradigmeskifte innen klimavitenskapen.
Milankovitch-syklene er svært godt forklart og illustrert i en artikkel signert NASA.
Umiddelbar aksept
To av datidens mest prominente klimaforskere – Wladimir Köppen og Alfred Wegener – ble svært begeistret og gikk god for den nye teorien. Førstnevnte inspirerte Milankovitch til å beregne innstrålingen på tre forskjellige breddegrader: 55oN (tilsvarer sørenden av Jylland), 60 oN (tilsvarer Oslo) og 65oN (tilsvarer Rørvik).
På den måten klarte han å vise at redusert innstråling om sommeren (kaldere somre) var viktigere enn redusert innstråling om vinteren (kaldere vintre) for at isbreer skulle legge på seg. Ved 65oN viste han for eksempel at solinnstrålingen kunne variere med hele 25 prosent[4], og at dette var mer enn nok til at snøen «som falt i fjor» ville overleve sommeren og bidra til at isbreene vokste.
En tilleggseffekt var at med økende snømengde øker også refleksjonen av solinnstrålingen fordi snø og is har betydelig større albedo enn overflate som ikke er hvit.
Köppen og Wegener utga i 1924 boka Climates of the Geological Past og presenterte her Milankovitchs ikoniske figur som viste hvordan solinnstrålingens intensitet hadde variert gjennom de siste 600 000 årene, og at det hadde vært ni minima, hvor hvert av dem i teorien korresponderte til en istid. Boka fra disse to velrenommerte forskerne førte også til at Milankovitchs ideer ble godt kjent, og de neste 30 årene var hans teori om årsaken til istider og mellomistider enerådende. Den nye teorien ga også støtet til fornyet interesser for istidene og ledet til ny forskning.[5]
Tiden – samt teknologi og ny kunnskap – innhentet imidlertid Milankovitch. Tidlig på 1950-tallet skulle en generasjon med nye forskere så tvil om den serbiske matematikerens detaljerte utregninger faktisk ga en fyllestgjørende forklaring på hvorfor Jorda har gjennomgått istider i kvartær.
Den første kurven Milankovitch-syklene, slik Milutin Milankovitch selv beregnet dem, etter at han innledet et samarbeid med datidens fremste klimaforskere. Mulige istider er markert med blått. Legg merke til at han antyder en istid både for 25 000 år siden (den tiden vi i dag kjenner som siste istids maksimum) og den svært kalde perioden for omtrent 72 000 år siden. Han grupperte også de ni minima inn i fire større istider. Illustrasjon: Wikimedia CommonsEndret vår forståelse Syklene som har gitt oss istider og mellomistider har navn etter den serbiske matematikeren, fysikeren og astronomen Milutin Milankovitch (1879-1958). Foto: Wikimedia Commons
Opphetet diskusjon
Milankovitchs teori kom ikke under alvorlige angrep før på 1950-tallet. Ironisk nok var det C-14-metoden som først problematiserte syklenes påståtte innvirkning på Jordas klima. Den burde bekreftet teorien gjennom daterte geologiske funn. I stedet gjorde den det motsatte.
Den første spikeren i kisten ble et stykke torv fra Illinois i USA. Alderen på 25 000 år var ikke forenlig med at det på den tiden var minimal innstråling fra sola. Da det så ble funnet tilsvarende avsetninger med samme alder fra andre steder i både USA, Canada og Europa, var «kisten plutselig full av spiker».
Andre geologer konstruerte diagrammer som viste hvordan isfronten bølget fram og tilbake gjennom de siste 70 000 årene. Dessverre stemte heller ikke disse med Milankovitch-syklene.
Midt på 1960-tallet hadde derfor teorien mistet de fleste av støttespillerne (Imbrie og Imbrie, 2002). Klimavitenskapen var igjen – etter førti år – uten en teori for hvorfor vi har istider.
Sedimenter i dyphavet skulle bli redningen. «Spikerne i kisten ville bli fjernet.»
Det var flere veier til Rom, og de startet alle ved amerikanske universiteter.
Løsningen på mysteriet hadde sin spede begynnelse sju år før Milankovitch ble født. I 1872 utstyrte Storbritannia skipet H.M.S. Challenger slik at det kunne foreta en vitenskapelig reise rundt Jorda der både vann og havbunnssedimenter ble studert. Ett av resultatene var oppdagelsen av at noen foraminiferer trives best i kaldt vann, mens andre trives best i varmt vann. På et gitt sted ville derfor en lagrekke kunne fortelle en klimahistorie. Utfordringen var at det ikke fantes teknologi for å ta mer enn én meter lange kjerner, og dette var på langt nær nok til å se langt tilbake i tid.
Da ny teknologi ble utviklet av en svenske i 1947, ble dette startskuddet for at amerikanske forskere kunne analysere sedimenter fra ti meter lange kjerner i dyphavet. Med dem kunne de se flere hundre tusen år tilbake i tid. Da tok det ikke mer enn seks år før de i 1953 påviste at det gjennom kvartær var minst ni istider.
Bare to år senere kom et nytt gjennombrudd i klimaforskningen. Den tok utgangpunkt i isotopsammensetningen av oksygen i foraminiferer. Arbeidshypotesen gikk ut på at forholdet mellom O18 og O16 kunne gi et estimat for temperaturen. Den kulminerte med en artikkel i 1955 som konkluderte med at det gjennom de siste 300 000 årene hadde vært sju istider og mellomistider. Forskerne bak studien mente til og med at resultatene stemte med Milankovitch-syklene. Det betød likevel ikke at debatten var død. Skeptikerne gikk ikke stille i dørene.
Hypotesen om at O18/O16-forholdet representerte temperaturen på avsetningstidspunktet for de foraminiferene som ble analysert, viste seg senere å være gal. Den nye erkjennelsen var at isotopvariasjonene representerte endringer i Jordas totale is-volum.
Da innlandsisen ekspanderte, ble lette oksygenisotoper ekstrahert fra havvannet og lagret i isen, noe som endret isotopsammensetningen i havvannet. Da isbreene smeltet, strømmet de lagrete isotopene tilbake til havvannet, hvorpå isotopsammensetningen ble lik den opprinnelige.
Først i 1976 – i etterkant av en vitenskapelig publikasjon i tidsskriftet Science – ble Milankovitchs teori alminnelig godtatt. Det som overbeviste forskerne var at klimavariasjonene gjennom de siste 450 000 årene korrelerte godt med de sykliske endringene som Milankovitch hadde beregnet.
Det er altså bare de siste 50 årene at årsaken til klimavariasjonene som har gitt istider og mellomistider har vært forstått, og nå er forklaringen fullt ut godtatt av glasiologer, klimaforskere så vel som kvartærgeologer.
Fortsatt en gåte
Likevel er ikke temperaturendringene gjennom kvartær fullt ut forstått.
Som vist i en tidligere artikkel i denne serien (geo365.no: «Et langvarig og gigantisk klimakaos»), og i figuren under, har Jorda gjennomgått markante og raske temperaturvariasjoner i de drøyt 100 000 årene mellom de to mellomistidene eem og holocen.
Én av utfordringene er Dansgaard-Oeschger-hendelsene. Tidlig på 1980-tallet ble forskerne klar over at den globale overflatetemperaturen kunne stige med 5-10 oC i løpet av bare et par tiår. Deretter begynte den å falle gjennom de neste tiårene. Slik raske endringer i temperaturen – innenfor én enkelt generasjon – var faktisk realiteten for våre forfedre som levde lenger sør i Europa under siste istid.
Samlet er det kartlagt 25 slike temperaturendringer, men de lar seg ikke forklare med Milankovitch-syklene, og det foreligger heller ingen aksepterte forklaringsmodeller. Det samme gjelder Heinrich-hendelsene der enorme mengder isfjell brøt løs fra det amerikanske kontinentet og fløt ut i Atlanterhavet.
Siste istidene Anslått temperaturkurve for de siste 150 000 årene basert på analyser av iskjerner. «Null-linjen» er dagens temperatur. Imellom de to mellomistidene endrer temperaturen seg raskt og mye. Flere milde perioder er indikert. De oransje sirklene viser tiden for to eksplosive vulkanutbrudd under siste istid som har påvirket det globale klimaet. De turkise sirklene viser kalde Heinrich-hendelser (mini-istider, se teksten). Vertikal akse: oC i forhold til dagens temperatur. Horisontal akse: År før nå. Illustrasjon: Modifisert fra https://www.dandebat.dk/eng-klima5.htm#Indhold.
Endringer i periodisitet
I første del av kvartær opptrådte istidene med 41 000 års mellomrom. Dette gir mening i forhold til Milankovitch-syklene fordi helningen på jordaksen endrer seg med samme frekvens, og fordi helningen styrer hvor varmt eller kaldt det er på høye breddegrader om sommeren.
De siste én millioner årene («den midt-pleistocene revolusjon») har istidene derimot opptrådt med (i gjennomsnitt) 100 000 års mellomrom[7] (det reelle intervallet er 80 000 til 120 000 år), og denne frekvensen faller ganske godt sammen med periodisiteten til Jordas bane rundt sola.
Fordi eksentrisitet er den svakeste pådriveren, dreier diskusjonen nå seg om det er jordaksens helning (hver andre eller tredje syklus) eller vingling (hver fjerde eller femte syklus) som gir oss periodisitet på 100 000 år.[8]
I løpet av de siste 740 000 årene har det vært åtte sykler med oppbygging av innlandsis på den nordlige halvkulen. Årsaken til frekvensskiftet er ikke forstått.
Samlet kan vi kalle syklene – som opererer over en tidsskala på titalls til flere hundre tusen år – tredje ordens klimaregulerende faktorer.
Bare med kald bakgrunnstemperatur
Endringene i innstråling forårsaket av Milankovitch-syklene gir så små utslag på klimaet at Jorda må være ganske kald for at de skal ha effekt. Så selv om syklene for eksempel eksisterte i den geologiske perioden kritt, var det da alt for varmt til at temperaturutslagene som følge av endringer i jordbanens eksentrisitet, jordaksens helning eller vingling kunne frembringe en istid. Det stadig kaldere klimaet gjennom tertiær, som ledet Jorda inn i en istid i kvartær (geo365.no: «Klimaets gåtefulle variasjoner»), må derfor forklares med andre mekanismer.
Milankovitch-syklene
Milutin Milankovitch fant ut at det var tre faktorer som bidro til vekslingen mellom istider og mellomistider:
Jordaksens helning endrer seg
Det er jordaksens helning som gir oss årstider. Helningen er også grunnen til at vi langt nord og langt sør har midnattssol og mørketid. Men helningen på aksen varierer (22,1-24,5o, i dag er den 23,4 o) med en periodisitet på 41 000år. Milankovitch anså selv helningsvinkelen som den viktigste av de tre syklene mht. klimaendringer.
Helningen har størst virkning på høye breddegrader. Med økt helning blir det på høye breddegrader (langt nord og langt sør) varmere om sommeren og kaldere om vinteren. Dette favoriserer smelting og tilbaketrekning av isbreer. Med lavere helningsvinkel blir somrene kaldere og vintrene mildere. Dette favoriserer oppbygning av isbreer og innlandsis.
Jordaksens helning Illustrasjon: NASA
Jordbanens form endrer seg
En elliptisk form gir endringer i innstråling, og disse endringene har en periodisitet på i gjennomsnitt 100 000 år (80 000-120 000 år) Det er spesielt tiltrekningen fra Jupiter og Saturn som gir økt eksentrisitet (ellipseform). Økt ellipseform øker klimaets sesongvariasjoner.
Jordaksens ellipseform Illustrasjon: NASA
Jordaksen vingler
Vinglingen betyr at stjernen som er Nordstjernen i dag (Stella Polaris i stjernebildet Lille Bjørn) vil være en annen om noen tusen år (β Ursae Minoris, også i stjernebildet Lille Bjørn). Det betyr at vi i noen perioder er nærmere sola om vinteren, i andre perioder om sommeren. Vinglingen har størst effekt på lave breddegrader.
På den nordlige halvkule er vi nå nær sola, og det betyr at vi har forholdsvis milde vintre og kalde somre. På den sørlige halvkule er det motsatt, de har forholdsvis varme vintre og kalde somre. Vi kan si at årstidsvariasjonene på denne måten svekkes. Endringene skjer med en periodisitet på 26 000 år, og det er solas og månens tidevannseffekt som er bestemmende.
Jordaksens vingling (slingring) Illustrasjon: NASA
En utdatert teori
Det har lenge vært kjent at Jordas magnetfelt skifter polaritet (den magnetiske nord- og sydpolen bytter plass) med ujevne mellomrom. Det skjedde sist for 781 000 år siden (overgangen fra Brunhes normal til Matuyama reversering), og i løpet av de siste 83 millioner årene har det skjedd 183 ganger. Det har blitt hevdet at forandringer i intensitet og reverseringer i magnetfeltet kan forårsake ekstremvær, masseutslettelser og klimakatastrofer, men ifølge NASA er det ingen bevis for at Jordas klima har endret seg gjennom de tre siste svekkelsene i magnetfeltet, og heller ikke av noen reverseringer i løpet kvartær tid (Istiden). For 42 500 år siden ble magnetfeltet svekket, og reverserte to ganger i løpet av 500 år, men uten at noen har klart å påvise verken endringer i klimaet eller noen masseutslettelser. Forskerne vet ikke når den neste reverseringen skjer.
[1] J. Imbrie og K.P. Imbrie: Ice Ages. Solving the Mystery. 2002
[2] M. Milankovitch: Mathematical Theory of Heat Phenomena Produced by Solar Radiation, 1920
