I 2024 er det 200 år siden Jens Esmark publiserte sin banebrytende teori om oppdagelsen av Istiden[1]. Historien bak er utførlig fortalt av Geir Hestmark i boka Istidens oppdager. Jens Esmark. Pioneren i Norges fjellverden (2017) og er tilgjengelig i en forkortet versjon på geo365.no. Boka er inspirasjonskilde til en serie artikler som ser på forskjellige aspekter av Istiden, både i Norge og nedover i Europa. Alle artiklene finner du her.
Har Jorden opp gjennom historien vært fullstendig dekket av is? Noen forskere tror det. Kanskje har det skjedd flere ganger. Og bevisene for at det har hendt er gode. Det er for eksempel funnet morener som lå nær ekvator da isbreer skuffet stein og grus opp i langstrakte rygger.
Teorien om en klode dekket av is og snø er kjent som «Snøballen Jorden» (GEO 04/2008).
Det er fascinerende å tenke på at jordkloden en gang kan ha vært kritt hvit – sett fra verdensrommet – og gjort den fullstendig ulevelig for alle andre enn encellede og enkle flercellede organismer.
Hvorfor la det seg et tykt isdekke over Jorden, og hvorfor smeltet det? I forskermiljøene er det en opphetet diskusjon om både årsaken til de påståtte avkjølingene og om hvorfor det ble varmt igjen. Det kommer vi tilbake til.
Dra til Finnmark
At Jorden har vært hjemsøkt av istider mange ganger i løpet av de siste 3 000 millioner årene er hevet over tvil (Jordens alder er 4 567 millioner år). Bevisene finner vi blant annet i Norge.
Det er bare å dra til Finnmark for å bli overbevist om at også Norge har hatt minst én istid for riktig lenge siden. En forsteinet morene på Varangerhalvøya forteller en historie om at isen har lagt igjen grovkornet masse da den rykket frem for 650 millioner år siden (varangeristiden).
En tilvarende forsteinet morene, godt eksponert ved Moelv øst for Mjøsa, er kartlagt over det sørøstlige Norge. Den ble avsatt under den samme istiden og forteller en likelydende historie.
Ved å studere og analysere gamle sedimenter og fast fjell og sammenligne disse med platetektoniske bevegelser (landområdenes plassering på Jorden på gitte tidspunkter), har geologene vært i stand til å tidfeste minst seks istidsperioder i løpet av Jordens historie. Vi bruker uttrykket «istidsperioder» fordi de kan ha bestått av flere millioner år lange istider avløst av varmere perioder uten is over polområdene.
Som påpekt i den første artikkelen («Istiden var også grønn») utgjør istidene unntak i Jordens historie. I hovedsak har det vært varmere enn under istidene, og også varmere enn det er i dag.
Istid
En istid er definert som en periode med kaldere globale temperaturer enn normalt, og hvor is legger seg som en kappe over høye breddegrader. Istider gir ikke bare streng kulde. De har også flere relativt varme perioder der isen smelter tilbake og også forsvinner. Istider er derfor en blanding av fremrykkende isbreer og tilbaketrekkende isbreer.[2]
GEO 2022 har en artikkel som omhandler klimautviklingen gjennom 4,5 milliarder år («Endringer på alle skalaer»). «Drivkraften bak endringene har vært et samspill mellom platebevegelser og vulkanisme, hav og havstrømmer, forvitring, atmosfærens sammensetning og Jordens bevegelser i solsystemet», skriver Ronny Setså.
Seks istidsperioder
Den første istidsperioden (pongolaistiden) begynte for 2 900 millioner år siden og varte i 150 millioner år. Forskerne er uenige om hvor store deler av Jorden som isen dekket, eller om isbreene bare fantes i fjellområder.
Det er heller ikke enighet om årsaken til at det ble så kaldt at isen fikk overtak.
Den andre store istidsperioden (huronistiden, oppkalt etter Huronsjøen, én av innsjøene i Great Lakes mellom USA og Canada) bestod av flere separate nedisninger. Perioden inntraff for 2 400 millioner år siden og varte i 300 millioner år.
Gode beviser for så gamle isdekker er funnet i USA, Canada, India, Sør-Afrika og Australia.
Minst én av istidene gjennom denne tiden kan ha vært en Snøballen Jorden-hendelse. Men det kan ha vært så mange som fire (GEO 2022: «Endringer på alle skalaer»).
Nedkjølingen som startet for 2 400 millioner år siden, blir forklart med et oppsving for marine cyanobakterier (blågrønnbakterier) for 3 000 millioner år siden. Bakteriene utnytter solenergi til å danne organisk materiale gjennom fotosyntesen. Men til å begynne med ble lite oksygen tilført atmosfæren. I stedet reagerte oksygenet med oppløst jern, som verdenshavene hadde mer enn nok av den gangen, og på havbunnen ble det dannet ikke-oppløselige jernavsetninger. Bevisene ser vi i store jernmalmforekomster («banded iron formations»). Bjørnevatnforekomsten utenfor Kirkenes er en slik avsetning.
Etter at havene var tømt for jern, gikk oksygenet (O2) opp i atmosfæren. Der reagerte det med metan (CH4), hvorpå karbondioksid (CO2) og vann (H2O) ble dannet. Men siden karbondioksid er en mye svakere drivhusgass enn metan, ble drivhuseffekten kraftig redusert. Dermed ble det kaldere over hele kloden.
Det økende innholdet av oksygen i atmosfæren («The Great Oxydation Event») gjorde imidlertid mer enn å avkjøle kloden og lede til nye istider. Endringen tillot også utviklingen av organismer som benytter oksygen til å frigjøre energi fra næringsstoffer (cellerespirasjon)[3]. Livet fikk en «flying start».
Lavt havnivå – stor landhevning
Gitt at det lå en mektig iskappe over hele Jorden, kanskje flere kilometer tykk, må enorme mengder vann ha vært bundet opp. Vi må derfor forvente at havnivået var betydelig lavere under Snøballen Jorden-hendelser. Da isen smeltet, må havnivået havet igjen ha steget og oversvømmet store landområder. Likeledes må kontinentene ha steget når vekten av isen forsvant.
Den tredje istidsperioden (kryogenistiden) inntraff for 717 millioner år siden da verdens kontinenter var samlet i ett: Rodinia. I tiden fram til slutten av urtiden var det minst to, kanskje fire, markante nedisninger, og gjennom flere av disse kan Jorden ha vært fullstendig eller delvis dekket av is. Samlet kan Jorden ha vært en «snøball» eller «sørpeball» gjennom 65 millioner år.
De to første istidene («sturt», 717-660 millioner år siden, og «marino», 655-632 millioner år siden[4] var de mest omfattende.
Årsaken til nedisingene kan være vulkanisme i forbindelse med at superkontinentet Rodinia sprakk opp. Teorien går ut på at kjemisk forvitring av store basaltiske provinser har trukket nok CO2 ut av atmosfæren til å svekke drivhuseffekten kraftig (se faktaboks under).
Fra den andre av disse istidene – også kjent som Varangeristiden – er det funnet spor både på Varangerhalvøya i Finnmark (Bigganjargatillitten[5]) og i Moelv i Innlandet (Moelven tillitt). Tillitt er fagtermen for forsteinet morene.
Fra karbondioksid til kalkstein
Når karbondioksid (CO2) kommer ut i atmosfæren (fra for eksempel vulkaner), kommer den i kontakt med vann H2O). Gassen reagerer kjemisk med vannet og danner karbonsyre (H2CO3.). Når karbonsyre faller ned på bakken i form av nedbør, reagerer syren med mineralene i bergartene. Mineralene løses opp og det dannes kalsiumioner (Ca+) og karbonationer (HCO3-). Kalsium- og karbonationene blir opptatt av organismer i havet som lager kalkskall, for eksempel skjell, snegler, koraller og plankton. Når organismene dør, synker de til bunns, og skallene vil med tiden bygge lag på lag og bli til kalkstein. På denne måten blir altså CO2 fjernet fra atmosfæren og lagret på havbunnen bundet i kalkstein (CaCO3). Konsekvensen er at drivhuseffekten blir redusert.
Den fjerde istidsperioden (tidligpaleozoiske) varte fra 460 til 420 millioner år siden. Bevisene finner vi i Midtøsten, Afrika, Sør-Amerika og USA.
Hvorfor Jorden ble mye kaldere, er fortsatt et mysterium. Forvitring av Appalachene kan ha redusert CO2-nivået og svekket drivhuseffekten (se faktaboks over).
Denne istiden har fått skylden for en massiv utdøing for 445 millioner år siden. Mens det på land fortsatt var et svært begrenset plante- og dyreliv, forsvant så mye som 85 prosent av de marine artene (én av «big five» utdøinger).
Den femte istidsperioden (karooistiden/senpaleozoiske) skjedde for 360-255 millioner år siden og var den lengste, kaldeste og geografisk mest utbredte gjennom hele paleozoikum. Den hadde flere istider (opptil 25 er foreslått) og mellomistider med to «topper», én i karbon og én i perm.
Én mulig forklaring på disse to istidene er at plantelivet nærmest eksploderte og tappet atmosfæren for drivhusgasser. Gjennom fotosyntesen reduseres som kjent CO2-innholdet mens O2-innholdet øker.
En annen mulighet kan være at nedbrytningen av Den kaledonske fjellkjeden[6] (som var like høy som Himalaya er i dag) har forårsaket kjemisk forvitring i et så stort omfang at CO2-nivået i atmosfæren gikk ned og bremset drivhuseffekten (se faktaboks over). Tidsmessig passer det fordi fjellkjeden ble brutt ned i devon og istiden startet i karbon.
Den sjette istidsperioden (senkenozoiske) startet i begynnelsen av oligocen for 34 millioner år siden og varer fortsatt. Begynnelsen markeres av et brått temperaturfall og at isen begynner å dekke Antarktis. For 14 millioner år siden, etter at overflatetemperaturen på Jorden allerede hadde falt åtte grader, hadde isen over Antarktis fått sin nåværende utstrekning.
Den senkenozoiske istiden inkluderer det vi til daglig omtaler som Istiden (kvartærtiden). Den starter med at Antarktis fikk mer og mer is, og defineres ved at Nord-Amerika og Eurasia tidvis er dekket med innlandsis.
Én mulig forklaring på at temperaturen begynte å falle for 50 millioner år siden, er at India kolliderte med Eurasia. Massive mengder nedbør over den nye fjellkjeden forårsaket storstilt kjemisk forvitring. Dermed falt også CO2-nivået i atmosfæren, og dette resulterte igjen i at drivhuseffekten ble mindre effektiv. Dermed ble Jorden kaldere, og forholdene lå til rette for en ny istid (se faktaboks lenger opp i artikkelen).
Ved slutten av eocen falt temperaturen med opptil fire grader brått (dette er illustrert i artikkelen «Klimaets gåtefulle variasjoner/artikkel 2»). Årsaken til det dramatiske fallet kan være at Sør-Amerika splittet opp fra Antarktis og muliggjorde en sirkumpolar havstrøm rundt Antarktis. Kontinentet ble klimatisk isolert, og hele jordkloden ble avkjølt.
I begynnelsen av miocen, elleve millioner år senere, oppstod en ny avkjøling. Årsaken til denne er ikke forstått. Med unntak av et «midt-miocen klimatisk optimum», der temperaturen var seks grader høyere enn i dag, falt temperaturen frem til vår tid.
Iskulen
Det er fascinerende å tenke på at jordkloden flere ganger gjennom urtiden (prekambrium) – sett fra verdensrommet – kan ha vært kritt hvit. En gigantisk «snøball» som suser gjennom verdensrommet. Men hvordan kan noe slikt ha skjedd, at isen har lagt seg over absolutt hele jordkloden?
En rådende teori tar utgangspunkt i at store mengder stein fra nye, høye fjellkjeder forvitret kjemisk. Dermed synker CO2-nivået, og dette gir igjen redusert drivhuseffekt og lavere temperaturer (se faktaboks lenger opp i artikkelen).
Etter hvert som isen ved polområdene begynte å vokse, ble mer og mer innstråling reflektert tilbake til verdensrommet, hvorpå temperaturen sank ytterligere.
CO2, som spys ut med vulkanske gasser, kan også ha spilt en viktig rolle da Jorden igjen ble oppvarmet. Vi kan forklare dette med at det ble et overskudd av drivhusgassen fordi ikke alt kunne brukes i forvitring av en berggrunn som lå godt beskyttet under isdekket. CO2-nivået kan ha vært flere hundre ganger høyere enn i dag.
Livet gjennom istider
For alle organismer har de kontinuerlige miljøendringene opp gjennom Jordens historie vært en konstant utfordring. Klimaendringer, plutselig vulkanisme og endret næringstilgang er noen av flere kritiske parametere.
Endringer i habitatet kan ha tre utkommer: Ett er at dyrene flytter på seg, til et sted der forholdene er like der de kom fra, og på den måten overlever uten å endre seg. Et annet er at de tilpasser seg gjennom genetiske endringer. Det er dette Charles Darwins evolusjonsteori handler om[7]. Det tredje er at de dør ut.
De mange istidene kan ha vært en evolusjonær trigger. Endringene kan ha fostret genetisk innovasjon for at livet skulle tilpasse seg. Ikke minst er det interessant å se menneskets utvikling, fra menneskeape til det moderne mennesket, i lys av det kaotiske klimaet (geo365.no: Klimaets gåtefulle variasjoner) som er så typisk for «menneskets tidsalder», de siste sju millioner årene. Dette er et tema vi kommer tilbake til i en senere artikkel.
Neste artikkel
Nå som vi har gitt et lite overblikk over alle istidene som har rammet Jorden, og så vidt reflektert over mulige årsaker til nedkjølingene, er det på tide å se i mer detalj på det «ustyrlige klimaet» europeerne opplevde gjennom siste istid. Det er tema for neste artikkel.
Kommentarer til denne artikkelen er velkomne: halfdan@geo365.no
[1] Esmark, J. 1824. Bidrag til vor Jordklodes Historie. Magazin for Naturvidenskaberne.
[2] https://www.climate.gov/news-features/climate-qa/whats-coldest-earths-ever-been
[3] Se artikkel i GEO: «Livets utvikling er fortsatt en gåte»)
[4] Tidsperioden for disse istidene varierer mye i vitenskapelig litteratur. Her har vi forholdt oss til Wikipedia som skriver at artiklene er oppdatert per 2022.
[5] Hans Henrik Reusch (1852-1922) fant Bigganjargatilliten i 1891. Arne Bjørlykke skriver dette om oppdagelsen (geo365.no): «Under et opphold i Finnmark observerte han et konglomerat som lignet på kvartære moreneavsetninger i Oslofeltet, og han begynte å lete etter beviser for en glasial opprinnelse – skuringsstriper på bollene. Han fant ikke bare skuringsstriper på boller, men også på sandsteinen under tillitten. Hans tegning av tillitten som overlagrer en sandstein med skuringsstriper fra Bigganjarge er genial. Tellef Dahll hadde kartlagt formasjonen som et brunrødt konglomerat, og mente det måtte være permiske av alder. Reusch korrelerte tillitten med tilsvarende bergarter i Gondwana-avsetningene som var funnet i Australia, Sør-Afrika og India. Han mente at tillitten kunne være av kambro-silurisk alder. Olav Holtedahl påviste senere at lagrekken var av senprekambrisk alder. Senere har andre funnet senprekambriske tillitter flere steder i verden, og tillittfunnene har vært grunnlaget for Paul Hoffmanns teori «The Snowball Earth» (GEO 2008/04). Teorien sier at Jorda på den tiden var dekket av snø og is.»
[6] Haakon Fossen skriver dette om fjellkjeden: «Fjellkjeden strekker seg helt fra Irland over Skottland og Nordsjøen (der den nå er revet i stykker av Nordsjøriften) til Stavanger-traktene og derfra nordover til Finnmark og ut i Barentshavet. Enda lengre mot nord finner vi den igjen på Svalbard. Og i sør henger den sammen med Appalakkene langs østkysten av Nord-Amerika. Fjellkjeden har dessuten forgreininger både inn i Europa og ned langs den afrikanske vestkysten.»
[7] Evolusjon er innen biologien en endring av den genetiske sammensetningen i en populasjon (mikroevolusjon) eller utvikling av nye typer levende organismer, for eksempel arter eller slekter over tid (makroevolusjon). snl.no