De lange tijd die verstrijkt heeft wetenschappers altijd verbaasd: Waarom werd Antarctica 34 miljoen jaar geleden bedekt door massieve ijskappen, terwijl de Noordelijke IJszee pas zo’n 3 miljoen jaar geleden een ijskap kreeg?

Sinds het einde van het extreem warme, door dinosauriërs gedomineerde tijdperk, 65 miljoen jaar geleden, zijn warmtevasthoudende broeikasgassen in de atmosfeer gestaag afgenomen (met de abnormale uitzondering van de laatste eeuw), en is de planeet als geheel gestaag afgekoeld. Waarom bevroren dan niet beide polen tegelijk?

Het antwoord op de paradox ligt in het complexe samenspel tussen de continenten, oceanen en atmosfeer. Als puzzelstukjes hebben de bewegende tektonische platen van de aarde zich opnieuw gerangschikt op het aardoppervlak, waardoor de configuratie van de tussenliggende oceanen is veranderd, de oceaancirculatie is veranderd en het klimaat is veranderd.

De ontwikkeling van ijskappen op het zuidelijk halfrond zo’n 34 miljoen jaar geleden lijkt tamelijk eenvoudig. Het supercontinent Gondwana brak uiteen en splitste zich in subsecties die Afrika, India, Australië, Zuid-Amerika en Antarctica werden. Tussen deze nieuwe continenten werden doorgangen geopend, waardoor oceanen tussen hen konden stromen.

Toen Antarctica uiteindelijk werd afgesneden van de zuidpunt van Zuid-Amerika om de Drake Passage te creëren, werd Antarctica volledig omringd door de Zuidelijke Oceaan. De krachtige Antarctische Circumpolaire Stroom begon helemaal rond het continent te vloeien, waardoor Antarctica in feite werd geïsoleerd van het grootste deel van de warmte uit de wereldoceanen en een grootschalige afkoeling werd veroorzaakt.

Het noordelijk halfrond is problematischer. Uit sedimentkernen en andere gegevens weten we dat Noord- en Zuid-Amerika tot ongeveer 5 miljoen jaar geleden niet met elkaar verbonden waren. Een enorme kloof – de Midden-Amerikaanse Zeeweg – maakte het mogelijk dat tropisch water tussen de Atlantische en de Stille Oceaan stroomde.

Een groeiende hoeveelheid bewijsmateriaal suggereert dat de vorming van de Isthmus van Panama de Atlantische en de Stille Oceaan verdeelde en de wereldwijde oceaancirculatie fundamenteel veranderde. Het sluiten van de Centraal-Amerikaanse zeeweg heeft het klimaat van de aarde misschien in eerste instantie opgewarmd, maar heeft vervolgens 2,7 miljoen jaar geleden de aanzet gegeven tot ijstijd op het noordelijk halfrond.

De oceaantransporteur

Een fundamenteel element van het huidige klimaatsysteem is een oceaancirculatiepatroon in de vorm van een transporteur, dat enorme hoeveelheden warmte en vocht over onze planeet verdeelt. Deze wereldwijde circulatie wordt aangedreven door het zinken van koud, zout – en dus dicht – oceaanwater.

In de huidige oceaan stroomt warm, zout oppervlaktewater uit het Caribisch gebied, de Golf van Mexico en de equatoriale Atlantische Oceaan noordwaarts in de Golfstroom. Als het warme water de hoge noordelijke breedtegraden van de Atlantische Oceaan bereikt, geeft het warmte en vocht af aan de atmosfeer, waardoor koud, zout, dicht water overblijft dat naar de oceaanbodem zinkt. Dit water stroomt op diepte, zuidwaarts en onder de Golfstroom door, naar de Zuidelijke Oceaan, en vervolgens door de Indische Oceaan en de Stille Oceaan. Uiteindelijk mengt het water zich met warmer water en keert terug naar de Atlantische Oceaan om de circulatie te voltooien.

De belangrijkste motor van deze wereldwijde circulatie, die vaak de Ocean Conveyor wordt genoemd, is het verschil in zoutgehalte tussen de Atlantische en de Stille Oceaan. Voordat de Isthmus van Panama bestond, stroomde het oppervlaktewater van de Stille Oceaan naar de Atlantische Oceaan. Hun wateren vermengden zich, waardoor het zoutgehalte van de twee oceanen ongeveer in evenwicht kwam.

Op ongeveer 5 miljoen jaar geleden begonnen de Noord-Amerikaanse, Zuid-Amerikaanse en Caribische Platen naar elkaar toe te groeien. Door de geleidelijke verschuiving van de Centraal-Amerikaanse zeeweg werd de uitwisseling van water tussen de Stille en de Atlantische Oceaan beperkt en liepen de zoutgehalten uiteen.

Door verdamping in de tropische Atlantische en Caribische Oceaan werd het oceaanwater daar zouter en kwam er verse waterdamp in de atmosfeer. De passaatwinden voerden de waterdamp van oost naar west over de laaggelegen Isthmus van Panama en zetten door regenval zoet water af in de Stille Oceaan. Als gevolg daarvan werd de Stille Oceaan relatief frisser, terwijl het zoutgehalte in de Atlantische Oceaan langzaam en gestaag toenam.

Als gevolg van de afsluiting van de Zeeweg, werd de Golfstroom sterker. Hij transporteerde meer warme, zoute watermassa’s naar hoge noordelijke breedtegraden, waar Arctische winden ze afkoelden tot ze dicht genoeg waren om naar de oceaanbodem te zinken. De oceaantransporteur kwam op gang en trok nog meer Golfstroomwater noordwaarts.

Het opdrijven van de Golfstroom

Hoe maakt dit ijs in het Noorden?

Peter Weyl stelde in 1968 de hypothese dat de sluiting van de Midden-Amerikaanse Zeeweg en de intensivering van de Golfstroom een cruciaal ingrediënt voor de groei van ijskappen naar het Noordelijk Halfrond zou hebben gebracht: vocht. Weyls theorie ging ervan uit dat de afsluiting van de Midden-Amerikaanse Zeeweg en de opeenhoping van zout in de Atlantische Oceaan samenvielen met de groei van noordelijke ijskappen tussen 3,1 en 2,7 miljoen jaar geleden.

Twijfels over deze hypothese doken echter op in 1982, toen Lloyd Keigwin in oceaansedimenten bewijs vond dat de afsluiting van de Isthmus of Panama de oceaancirculatie meer dan een miljoen jaar eerder had beïnvloed. Hij toonde aan dat het saliniteitscontrast tussen de Atlantische en de Stille Oceaan zich al 4,2 miljoen jaar geleden begon te ontwikkelen.

In 1998 bevestigden Gerald Haug en Ralf Tiedemann Keigwin’s onderzoek met hogere-resolutie gegevens uit sedimentkernen. Als het zoutgehalte al 4,2 miljoen jaar geleden was veranderd, waarom begon de ijstijd dan pas 2,7 miljoen jaar geleden? Integendeel, de aarde beleefde een warme periode tussen 4,5 miljoen en 2,7 miljoen jaar geleden.

Die wereldwijde warme periode, de Mid-Pliocene Warme Periode genoemd, kan ook te maken hebben gehad met het sluiten van de Midden-Amerikaanse Zeeweg en de daaruit voortvloeiende herschikking van de wereldwijde oceaancirculatie. Een versterkte Ocean Conveyor zou een sterkere stroom van diepe wateren van de Atlantische Oceaan naar de Noordelijke Stille Oceaan, het eindpunt van de diepe-oceaancirculatie, kunnen hebben gestuwd.

Op hun reis naar de Noordelijke Stille Oceaan werden deze diepe wateren verrijkt met voedingsstoffen en kooldioxide. In de Subarctische Stille Oceaan konden deze diepe wateren opwellen, naar het zonverlichte oppervlak stijgen en de ingrediënten leveren voor een enorme bloei van fytoplankton. Grote hoeveelheden silica en opaal (het bewaard gebleven materiaal van de fytoplanktonschelpen) in sedimenten op de zeebodem zijn het bewijs van zowel de bloei als de sterke opwelling.

De opwelling kan echter zo sterk zijn geweest, dat het fytoplankton geen gelijke tred hield met de opwelling – dat wil zeggen dat er meer kooldioxide opwelde dan door het fytoplankton werd gebruikt. Bijgevolg “lekte” het teveel aan kooldioxide terug in de atmosfeer, waardoor een broeikasgas werd toegevoegd dat de planeet opwarmde.

Het kortsluiten van de transportband

Waardoor werd de Midden-Pliocene Warme Periode zo’n 2,7 miljoen jaar geleden stopgezet? En wat veroorzaakte uiteindelijk de vergletsjering van het noordelijk halfrond rond dezelfde tijd, maar bijna 2 miljoen jaar nadat de Isthmus of Panama gevormd was?

Weyls oorspronkelijke theorie van een sterkere, vochtbeladen Golfstroom riep nog een andere netelige vraag op: Hoe kon de Golfstroom – die niet alleen vocht maar ook warmte naar het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan transporteert – leiden tot een sterke afkoeling van het noordelijk halfrond en de vorming van ijs? Zij stelden dat vocht dat door de Golfstroom naar het noorden werd gevoerd, door de heersende westenwinden naar Eurazië werd getransporteerd. Het viel daar als regen of sneeuw, waardoor uiteindelijk meer zoet water in de Noordelijke IJszee terechtkwam – hetzij rechtstreeks, hetzij via de grote Siberische rivieren die uitmonden in de Noordelijke IJszee.

Het toegevoegde zoete water zou de vorming van zee-ijs hebben vergemakkelijkt, dat zonlicht en warmte zou weerkaatsen in de ruimte. Het zou ook fungeren als een barrière die voorkomt dat in de oceaan opgeslagen warmte ontsnapt naar de atmosfeer boven de Noordpool. Beide verschijnselen zouden de hoge breedtegraden verder afkoelen. Bovendien zou het Arctische water dat terugstroomt in de Noord-Atlantische Oceaan minder koud en zout zijn geworden, waardoor de efficiëntie van de oceanische transportband als een wereldwijde warmtepomp naar de Noord-Atlantische regio’s zou zijn verminderd.

De neiging tot ijstijd

Deze voorwaarden – vocht plus een Arctische kern voor afkoeling – zouden het klimaatsysteem zeer gevoelig hebben gemaakt voor de groei van ijskappen. Zelfs bescheiden veranderingen in het mondiale milieu zouden voldoende zijn geweest om de weegschaal te doen doorslaan en te leiden tot het begin van een grote ijstijd op het noordelijk halfrond.

Precies zo’n verandering vond plaats tussen 3,1 en 2,5 miljoen jaar geleden, toen de aardas zodanig schommelde dat de planeet minder naar de zon gekanteld was dan de hoek van 23,45 graden van vandaag. Een kleinere helling van de aarde zou de hoeveelheid en intensiteit van de zonnestraling op het noordelijk halfrond hebben verminderd, wat leidde tot koudere zomers en minder smeltende wintersneeuw.

Het begin van de ijstijd op het noordelijk halfrond had ook gevolgen voor de Subarctische Stille Oceaan. Het leidde ongeveer 2,7 miljoen jaar geleden tot de vorming van een zoetwaterdeken aan het oppervlak van de oceaan, een zogenaamde halocline. Deze Arctische halocline zou een barrière hebben opgeworpen voor de opwelling, waardoor diep koolstofdioxide-rijk water niet naar de oppervlakte kon stijgen. Het “lek” van warmtevasthoudende kooldioxide naar de atmosfeer werd gedicht, waardoor de planeet verder afkoelde.

Vele andere terugkoppelingsmechanismen tussen oceaan en atmosfeer, die het gevolg zijn van het openen en sluiten van oceanische poorten, worden nog niet goed begrepen. En wetenschappers onderzoeken ook de gevolgen van andere oceaanpoorten.

Mark Cane en Peter Molnar hebben bijvoorbeeld gesuggereerd dat de opheffing en beweging van de Indonesische Eilanden tussen 5 en 3 miljoen jaar geleden het minder warme water van de Stille Zuidzee en het koelere water van het noorden van de Stille Oceaan fundamenteel door de Indonesische Zeeweg zou hebben geleid. Het gevolg zou kunnen zijn geweest dat de Stille Oceaan veranderde van een meer permanente El Niño-achtige toestand (die warmte verplaatst van de tropen naar hoge breedtegraden) naar een meer La Niña-achtige toestand (die de warmteoverdracht zou hebben beperkt en het noordelijk halfrond zou hebben afgekoeld).

De lessen van deze enorme geologische en geografische veranderingen zijn zowel elegant eenvoudig als ondraaglijk ingewikkeld. Het openen en sluiten van zeegaten heeft een diepgaande invloed op de verdeling van zoet water, voedingsstoffen en energie in de wereldwijde oceaan. De koppeling van deze veranderende oceanen aan een veranderende atmosfeer betekent onvermijdelijk een veranderend klimaat.