Het uiteinde van deijskap opGroenland in de buurt vanKangerlussuaq. Een ijstijdvak is een periode waarin ijskappen voorkomen op het land. Het voorkomen van ijskappen op Groenland maakt dus dat we per definitie in een ijstijdvak leven.
Eenijstijdvak ofglaciatie is eengeologisch tijdvak waarinijskappen voorkomen. In de geologie wordt doorgaans kortweg gesproken van eenijstijd. Om verwarring met het begripglaciaal, in deklimatologie,fysische geografie en de kwartairgeologie "ijstijd" genoemd, te voorkomen, is het beter te spreken van een ijstijdvak. Een glaciaal is een periode binnen een ijstijdvak waarin hetklimaat opAarde aanzienlijk kouder was dan tegenwoordig. Gedurende een ijstijdvak worden glacialen afgewisseld metinterglacialen (warmere perioden zoals het huidigeHoloceen). In dit artikel wordt de term 'ijstijd' enkel gebruikt als synoniem voor ijstijdvak.
Aangezien er heden ten dage ijskappen liggen op bijvoorbeeldGroenland enAntarctica, leven we tegenwoordig in een ijstijdvak: hetKwartair. Er is in de gehele geologischegeschiedenis van de Aarde minstens vijfmaal sprake geweest van een 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 hetmilieu op Aarde, zowel vanuit geologisch als vanuit biologisch oogpunt. Meestal wordt de ZwitserLouis Agassiz gezien als geestelijk vader van het concept ijstijd, hoewel zijn werk voor een deel rustte op de bevindingen van zijn tijdgenoten.
Eentilliet inHedmark, Noorwegen. Afzettingen zoals deze vormen het bewijs voor de aanwezigheid van ijskappen in een ver geologische verleden.[1]
Het algemene begrip ijstijd duidt een langere periode in de geologische geschiedenis aan waarin ijskappen op Aarde voorkwamen. De ijstijden die tegenwoordig worden onderscheiden, hebben een lengte van meerdere duizenden jaren.[2] De termglaciaal wordt gebruikt om koude periodes binnen een ijstijd aan te duiden, waarin het landijs zich significant uitbreidde.[3] Glacialen worden verondersteld enkele duizenden jaren te hebben geduurd. De koude glacialen worden afgewisseld met warmereinterglacialen. Hetepoch waar we nu in leven, het Holoceen, is een interglaciaal. De cyclische afwisseling binnen een ijstijd tussen glacialen en interglacialen wordt gestuurd doorastronomische parameters.[4] Tot op heden worden glacialen slechts in hetPleistoceen onderscheiden. Glacialen worden op hun beurt soms weer onderverdeeld instadialen eninterstadialen.[5]
IJstijden worden in hetgeologisch archief herkend aan het voorkomen vanglaciaal sediment. Voor ijstijden van voor hetCenozoïcum betreft het over het algemeentillieten, dat zijngelithificeerde,slecht gesorteerde glaciale sedimenten.[6] Met name sedimenten die door gletsjers in zee zijn afgezet (zogehetenglaciomariene sedimenten) vormen een waardevolle bron van informatie, aangezien ze vaker over lange tijdschalen bewaard blijven danterrestrische afzettingen.[7] Aanwijzingen voor ijsbedekking in het Cenozoïcum zijn diverser, naast glaciale afzettingen zoals till, bevat ook diepmarien sediment uitdiepzeekernen veel informatie. Uit het Kwartair zijn tevens veel glacialelandvormen bekend, die een belangrijke bewijs vormen voor de werking vanglaciale processen en zelfs uit het Ordovicium zijn typerende landvormen zoalseskers endrumlins bewaard gebleven.[8]
Huidige uitbreiding van het landijs op het noordelijk halfrond (zwart) en maximale uitbreiding gedurende het Kwartair (grijs).
Gedurende het geheleKwartair (van 2,588Ma tot heden) is er sprake van een ijstijdvak, die soms simpelweg alsde ijstijd wordt aangeduid. De Kwartaire ijstijd is een verhevigde voortzetting van deLaat-Cenozoïsche ijstijd. Terwijl, naar men meent, het landijs zich voor 2,588 miljoen jaar geleden hoofdzakelijk beperkte tot Antarctica, kenmerkt het Kwartair zich juist door de periodieke en zeer grootschalige glaciaties van hetnoordelijk halfrond. Gedurende glacialen ontstonden er ijskappen die grote delen van Noord-Amerika en Europa bedekten. Het landijs trok zich terug gedurende interglacialen, maar het verdween niet, zoals ook te zien is aan de huidige ijskappen van Antarctica en Groenland. Tijdens het laatste glaciaal, hetWeichselien, breidden de ijskappen zich uit tot Denemarken, Noord-Duitsland en Polen. Het landijs bereikte Nederland in de twee voorgaande glacialen, hetSaalien en hetElsterien. België is tot nog toe tijdens het Kwartair niet door ijs bedekt geweest.
Hoewel de Kwartaire ijstijd waarschijnlijk het meest bekend is bij het grote publiek, zijn er ook uit vroegere periodes ijstijden bekend. Een enigszins ruwe onderverdeling leidt tot vijf ijstijden. Hiervan zijn er twee in hetProterozoïcum en drie in hetFanerozoïcum.[6] Er zijn ook aanwijzingen voor een ijstijd in hetArcheïcum, met name afzettingen uit zuidelijk Afrika wijzen hier sterk op, maar voor de rest is er nog veel onduidelijk over het voorkomen van ijskappen in de vroegste era's van de Aardse geschiedenis.[8] HetMesozoïcum (de tijd waarin dinosauriërs op Aarde voorkwamen) geldt traditioneel als een uitgesproken warme tijd, recentelijk is er echter gesuggereerd dat ook toen sprake zou kunnen zijn geweest van ijsbedekking, maar dat is nog onderwerp van discussie.[9]
Zowel deLaat-Proterozoïsche ijstijd als deVroeg-Proterozoïsche ijstijd wordt door sommige geologen geassocieerd met deSneeuwbalaardetheorie.[10][11][12] Die theorie stelt dat bepaalde ijstijden zo sterk waren dat de ijskappen van depolen tot aan deevenaar vrijwel de gehele Aarde bedekten. Met name uit hetCryogenium 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 deaardas in die tijd sterk gekanteld was (waarbij wordt verondersteld dat deobliquiteit meer dan 54° was), waardoor de polen warmer waren dan de evenaar.[13]
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 dewinter) en moet de temperatuur niet te hoog zijn (met name in dezomer).[19] 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:
De vorming van delandengte van Panama aan het eind van het Plioceen sloot de verbinding tussen deGrote Oceaan enCaraïbische Zee af. Dit leidde waarschijnlijk tot grote veranderingen in oceaancirculatie.Glaciaal landschap inBhutan. De vorming van hetTibetaans Hoogland en deHimalaya in het Cenozoïcum heeft wellicht een rol gespeeld bij de afkoeling die sinds het Eoceen plaatsvindt.
Als gevolg van deplaattektoniek veranderencontinenten voortdurend van plek. Dit proces vancontinentverschuiving 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 vanpaleogeografische reconstructies achterhaald en speelt een belangrijke rol bij het verklaren van het optreden van ijstijden.
IJskappen kunnen slechts ontstaan als continenten op of bij depolen gelegen zijn, ijskappen vormen zich immers alleen op land. Gedurende hetFanerozoïcum 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 hetKrijt er wel degelijk continenten bij de polen lagen, maar er geen enkele aanwijzing is voor ijsbedekking gedurende die periode.[20]
Een ander punt is dat de ligging van continenten ook deoceaancirculatie beïnvloedt. Wanneer zichlandengtes vormen, zoals bijPanama gebeurde tussen Zuid- en Noord-Amerika in hetPlioceen, kan dat grote invloed hebben op de globale circulatiesystemen in de oceaan. Deze bepalen namelijk het vocht- en warmtetransport van lage naar hogebreedtes. 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 hetEoceen van Zuid-Amerika gescheiden werd en zich een sterke koude stroming in deZuidelijke Oceaan ontwikkelde, waardoor Antarctica als het ware thermisch geïsoleerd werd.[21]
De samenstelling van de atmosfeer heeft invloed op de temperatuur op Aarde door middel van hetbroeikaseffect en wordt in de geologische geschiedenis beïnvloed door een aantal processen:
Vulkanische activiteit heeft een aanzienlijk effect op de concentratie vanbroeikasgassen (zoals CO2) in de atmosfeer. De snelheid vanoceanische spreiding langsmid-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 ensubductiezones, 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).[22]
De mate van de opname van CO2 uit de atmosfeer doorchemische verwering vansilicaten heeft ook een effect op de sterkte van het broeikaseffect. Bij de chemische verwering van silicaatgesteenten (zoalsgraniet) wordt netto CO2 aan de atmosfeer onttrokken.[23] DoorMaureen Raymo is een hypothese opgesteld waarbij de verhoogde snelheid van chemische verwering als gevolg vangebergtevorming als verklaring voor het voorkomen van ijstijden wordt gegeven.[24] 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 metcontinentale collisie en men ziet bijvoorbeeld een verband tussen deLaat-Cenozoïsche ijstijd en deAlpiene orogenese.[25][26][27]
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 vanfotosynthese door planten en andereautotrofe organismen. Als deze organismen vervolgens in sediment begraven worden, wordt er netto CO2 aan de atmosfeer onttrokken. Gedurende hetDevoon en het Carboon zorgde de opkomst van landplanten, in combinatie met een hogesedimentatiesnelheid 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 deLaat-Paleozoïsche ijstijd aangevoerd.[28] Het verband tussenbiosfeer en klimaat is doorJames Lovelock nader uitgewerkt in deGaia-hypothese.[29]
Astronomische variaties hebben ook invloed op het klimaat op Aarde en daarmee op het optreden van ijstijden. Zo wordt de zonne-instraling beïnvloed door cyclische veranderingen in de aardbaan (de zogehetenMilanković-parameters) en door variaties in de activiteit van deZon.
Weerkaatsingsvermogen (albedo) van verschillende oppervlaktetypes, een hogere waarde betekent dat er meer zonnestraling direct wordt teruggekaatst.
De invloed van astronomische cycli (zoals de Milanković-parameters) is met name duidelijk op de relatief korte tijdschaal. Zo is algemeen aanvaard dat de variaties in glaciale en interglaciale periodes gedurende het Kwartair hoofdzakelijk door Milanković-parameters gestuurd worden. Dat er ook astronomische cycli met veel langere periodes zijn, die een merkbare invloed hebben op het klimaat op geologisch lange tijdschalen, is moeilijker aannemelijk te maken, maar is wel gesuggereerd. Het gaat hierbij om cyclische veranderingen in degalactic cosmic ray flux, die een correlatie vertonen met variaties in het paleoklimaat op de tijdschaal van het Fanerozoïcum.[30]
De activiteit van de Zon heeft een grote invloed op het klimaat op Aarde, aangenomen wordt dat de Zon in het verre geologische verleden minder actief was dan tegenwoordig. Dit is waarschijnlijk een van de redenen dat er gedurende het Paleoproterozoïcum sprake was van een ijstijd ondanks dat de concentratie CO2 in atmosfeer velen malen hoger was.[31]
De bovengenoemde processen worden versterkt doorterugkoppelingsmechanismen. Een voorbeeld hiervan is de veranderingen inweerkaatsingsvermogen (albedo) die het ontstaan van een ijskap met zich mee brengt. Door de aanwezigheid van grote oppervlakten met wit ijs en sneeuw, zal er meer zonnestraling worden gereflecteerd, wat een afkoeling tot gevolg heeft. Hierdoor zal de vorming van een ijskap leiden tot een kouder klimaat.[32][33] Tevens kunnen ijskappen deatmosferische circulatie veranderen, doordat ze een groot effect hebben op het regionalereliëf. De veranderde atmosferische circulatie kan de aangroei van ijskappen bevorderen, doordat bijvoorbeeld de neerslag toeneemt of er minder warme lucht wordt aangevoerd. Dit proces kan echter in theorie ook een omgekeerd effect hebben.[34]
Ook wordt algemeen aangenomen dat ijstijden een rol hebben gespeeld bij de ontwikkeling van het leven op Aarde, gezien de grote milieuveranderingen die ze tot gevolg hadden. Zo wordt het verschijnen van de eerste complexe meercellige levensvormen, deEdiacarische biota, wel in verband gebracht met het einde van de Laat-Proterozoïche ijstijd in het Ediacarium.[35] Ookmassa-extincties worden soms gekoppeld aan het optreden van ijstijden, dit is bijvoorbeeld het geval bij deLaat-Ordovicische massa-extinctie.[36] Verschillende fases in de evolutie vanzoogdieren gedurende het Cenozoïcum kunnen worden gecorreleerd met de fases binnen de Cenozoïsche ijstijd.[37]
Zwerfsteen inBarnim,Noord-Duitsland. Het voorkomen van zwerfstenen was lastig te verklaren met theorieën die op de zondvloed waren gebaseerd.
Het voorkomen van glaciale verschijnselen, zoalszwerfstenen, werd van oudsher verklaard doormythologie. In Noorwegen werd bijvoorbeeld aangenomen dattrollen tijdens ruzies grote rotsblokken naar elkaar hadden gegooid, die zo over het land verspreid werden. De eerste wetenschappers die aandacht besteedden aan zulke verschijnselen namen aan dat dezondvloed de achterliggende oorzaak geweest zou moeten zijn. Na verloop van tijd kwamen echter steeds meer wetenschappers tot de conclusie dat het transport van grote rotsblokken niet slechts door stromend water had kunnen geschieden. Om deze problematiek op te lossen steldeCharles Lyell in 1830 dat zulke rotsblokken tijdens de vloed mee moesten zijn gevoerd doorijsbergen. Het sediment dat op deze manier afgezet zou zijn, werddrift genoemd en de theoriedrifttheorie.
Deglaciale theorie, die het voorkomen van drift verklaart door de werking van landijs, heeft zijn oorsprong in deAlpen. Grote zwerfstenen en rotsoppervlaktes metgletsjerkrassen zijn veelvoorkomende en opvallende verschijnselen in de Alpen. Tevens zijn er vele gletsjers te vinden. Al aan het eind van de 18e eeuw werden deze twee verschijnselen met elkaar in verband gebracht, onder anderen door de Zwitserse advocaat Bernhard Friedrich Kühn en Schotse geoloogJames Hutton. Tussen 1815 en 1833 publiceerde de Zwitserse ingenieurIgnaz Venetz omvangrijk bewijsmateriaal over het voorkomen van grotere gletsjers in het verleden. In 1829 suggereerde hij dat ooit dikke gletsjers over deJura tot in deEuropese Vlakte hadden gereikt. In 1834 verleende Venetz' collegaJohann von Charpentier steun aan deze theorie, door er een lezing aan te wijden voor het Zwitsers natuurwetenschappelijke genootschap.
Louis Agassiz (1809-1873)
In andere delen van Europa werden gelijktijdig dezelfde ideeën ontwikkeld. Zo wist de Noorse geoloogJens Esmark reeds in 1824 bewijs te presenteren over het voorkomen van wijdverspreide landijsbedekking in Noord-Europa. In Duitsland was het Albrecht Reinhard Bernhardi die de aanwezigheid van Scandivische stenen, ver van hun oorsprongsgebied, verklaarde door te stellen dat een "poolijskap" ooit tot aanZuid-Duitsland gereikt had. De botanicusKarl Friedrich Schimper had ook zwerfstenen bestudeerd en naar aanleiding daarvan introduceerde hij de termder Eiszeit, in een gedicht dat hij in 1837 schreef ter gelegenheid van de herdenking vanGalileis geboortedag.
Schimper deelde zijn geschriften, waarin hij postuleerde dat grote delen van Azië, Europa en Noord-Amerika ooit met ijs bedekt waren geweest, met de ZwitserLouis Agassiz. Agassiz had ook al de lezing van Charpentier bijgewoond, maar op dat moment was hij nog fel gekant geweest tegen de voorgestelde theorieën. Agassiz draaide echter bij nadat hij in 1836 met Charpentier samen veldonderzoek had gedaan. Vanaf dat moment was hij bekeerd en werd een hartstochtelijk propagandist van de glaciale theorie. In 1837 gaf hij een lezing voor het Zwitserse natuurwetenschappelijke genootschap waarin hij het voorkomen van de "Grote IJstijd" verklaarde door het optreden van wereldwijdeklimaatveranderingen. Met "Études sur les glaciers" publiceerde Agassiz in 1840 een voor die tijd revolutionaire studie naar het optreden van ijstijden. Hij verdedigde de glaciale theorie met zoveel verve, in zowel Europa als Noord-Amerika, dat hij wel eenglaciaal evangelist werd genoemd, maar ook welvader van de glaciale theorie. Agassiz wist niet onmiddellijk iedereen te overtuigen; het wetenschappelijke debat omtrent de ijstijden woedde nog enkele decennia voort. Tegen het eind van de 19e eeuw was het idee dat de aarde in het verleden door gigantische ijskappen bedekt was geweest echter onder serieuze wetenschappers in brede kring geaccepteerd.[38]
De afzettingen en landvormen die Agassiz en zijn tijdgenoten bestudeerden, waren gevormd in het Pleistoceen. De eerste aanwijzingen dat eerder ook al sprake was geweest van grootschalige ijsbedekking werden in 1859 gevonden, zowel in Australië als in India. Enkele jaren later werden ook in Schotland, Canada, Zuid-Afrika en Brazilië glaciale afzettingen aangetroffen die duidelijk van ver voor het Pleistoceen stamden. Dit weersprak het in die tijd populaire idee dat de Aarde in de loop van de geologische geschiedenis geleidelijk was afgekoeld. De publicaties vanArthur Philemon Coleman in het begin van de 20ste eeuw over tillieten uit het Paleoproterozoïcum in Canada zijn zelfs revolutionair te noemen, aangezien daarmee werd aangetoond dat zelfs in de vroegste geschiedenis van de Aarde zeer koude condities hadden geheerst.[6]
↑Eyles (2008) gebruikt hiervoor de termGlacio-epochs, die hij definieert als: "lengthy episodes of glaciation extending (but not necessarily continuous) over millions of years"
↑In deKwartairgeologie wordtijstijd vaak als informeel synoniem vanglaciaal gebruikt, zie ook Berendsen 2004, p. 101
↑De naamgeving in deze tabel is gebaseerd op Eyles (1993). De naamgeving van ijstijden is niet officieel vastgelegd, verschillende auteurs kunnen verschillende namen gebruiken.
↑De hier gegeven ouderdommen zijn een indicatie, aangezien niet altijd overeenstemming bestaat over de datering en de begrenzing van ijstijden.
↑Deze ijstijd wordt tegenwoordig ook vaak in vier afzonderlijke ijstijden geplitst.
(en)Andersen, B.G. & Borns, H.W.Jr.1994,The Ice Age World; an introduction to Quaternary history and research with emphasis on North America and Northern Europe during the last 2.5 million years. Scandinavian University Press,ISBN 82-00-21810-4
(en)Berner, R.A.1997,The rise of plants and their effect on weathering and atmospheric CO2.Science 276: p. 544-546
(en)Brenchley, P.J.2003,Late Ordovician Extinction. in:Briggs, D.E.G. & Crowther, P.R. (eds.)Palaeobiology II. p. 25-31. Blackwell,ISBN 978-0-632-05149-6
(en)Broecker, W.S.2000,Abrupt climate change: causal constraints provided by the paleoclimate record. Earth-Science Reviews 51: p. 137–154
(en)Canfield, D.E., Poulton, S.W. & Narbonne, G.M.2007,Late-Neoproterozoic Deep-Ocean Oxygenation and the Rise of Animal Life.Science 315: p. 92-94
(en)Dromart, G., Garcia, J.P., Picard, S., Atrops, F., Lécuyer, C. & Sheppard, S.M.F.2003,Ice age at the Middle–Late Jurassic transition? Earth and Planetary Science Letters 213 (3-4): p. 205-220
(en)Eyles, N.1993,Earth's glacial record and its tectonic setting. Earth-Science Reviews 35: p. 1-248
(en)Eyles, N.2008,Glacio-epochs and the supercontinent cycle after ∼3.0 Ga: Tectonic boundary conditions for glaciation. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 258: p. 89–129
(en)Janis, C.M.2003Radiation of Tertiary Mammals. in:Briggs, D.E.G. & Crowther, P.R. (eds.)Palaeobiology II. p. 25-31. Blackwell,ISBN 978-0-632-05149-6
(en)Kopp, R.E., Kirschvink, J.L., Hilburn, I.A. & Nash, C.Z.2005,The Paleoproterozoic snowball Earth: A climate disaster triggered by the evolution of oxygenic photosynthesis.Proceedings of the National Academy of Sciences 102 (32): p. 11131-11136
(en)Williams, G.E.2008,Proterozoic (pre-Ediacaran) glaciation and the high obliquity, low-latitude ice, strong seasonality (HOLIST) hypothesis: Principles and tests. Earth-Science Reviews 87: p. 61-93
(en)Wilson, R.S.L., Drury, S.A. & Chapman, J.L.2000,The Great Ice Age, climate change and life. The Open University,ISBN 0-415-19842-9
