Versmering isotopen opent weg naar nieuw klimaatarchief

Enkele jaren geleden spoten Groningse natuurkundigen van het Centrum voor Isotopen Onderzoek een sneeuwlaag op in Groenland, die in de jaren daarna steeds dieper kwam liggen. Onderzoek naar de diffusie van zuurstof- en waterstofisotopen naar buurlagen blijkt nieuwe mogelijkheden voor klimaatonderzoek open te leggen.

In polaire gebieden worden al tientallen jaren ijskernen uit diepe sneeuwlagen opgeboord. Ze vertellen veel over het klimaat in vroegere tijden, want met metingen aan isotopen van zuurstof en waterstof is na te gaan welke temperaturen er duizenden of zelfs honderdduizenden jaren geleden op aarde heersten. Zo wordt waardevolle kennis over het turbulente verloop van de klimaatgeschiedenis verzameld.

Verliezen

De eerste boringen naar ijskernen dateren uit de jaren zestig toen in de natuurkunde meer bekend werd over hoe watermoleculen met zwaardere isotopen overgaan van water naar waterdamp in de lucht. Dat gebeurt tijdens het proces waarbij water verdampt in de tropen om uiteindelijk uit te regenen of uit te sneeuwen op hogere breedtegraden.

De Groningse natuurkundige prof. dr. Harro Meijer is als hoofd van het universitaire Centrum voor Isotopenonderzoek (CIO) al geruime tijd bij klimaatonderzoek betrokken. ‘De waterdamp verliest tijdens die reis langzaam zware isotopen doordat de neerslag die bij voorkeur meeneemt,’ licht hij het beginsel van het onderzoek toe. ‘Als het bij de pool aankomt, bevat de resterende waterdamp minder zware isotopen. Hoe groot het verlies precies is, hangt af van de temperatuur onderweg. Dus: als je het verlies kent, kun je in principe de temperatuur berekenen’

Diffunderen

Hoewel dit verschijnsel het mogelijk maakt om isotoopconcentraties in sneeuw- of ijslagen op verschillende diepten te relateren aan temperaturen van langgeleden, is het juist interpreteren van de metingen echter niet eenvoudig. Een probleem daarbij is dat de verschillende isotopen van zuurstof en waterstof in een sneeuw- of ijslaag diffunderen naar buurlagen. Dat is vervelend, want deze ‘versmering’ van het originele signaal kan er zelfs voor zorgen dat seizoenvariaties verdwijnen.

Klimaatarchief

Deze week promoveert Gerko van der Wel in Groningen op onderzoek naar dit proces. Een lastige kwestie omdat de diffusie wordt beïnvloed door een reeks factoren, bijvoorbeeld dichtheid en porositeit van de sneeuw. Enkele jaren geleden kwam echter opvallend nieuws. Een Deense collega-onderzoeker bedacht dat men ook op een positieve manier gebruik kan maken van diffusie. Als de diffusie-snelheid van twee verschillende isotopen wordt vergeleken, blijkt dat de temperatuur in de sneeuwlaag als enige factor dit verschil beïnvloedt.

Dat opent nieuwe mogelijkheden, want zo kan het diffusieproces zelf als klimaatarchief gaan dienen. De concentratie van de isotopen zegt iets over de temperaturen onderweg; kennis over de diffusie verbetert de ijking van die metingen en voegt informatie toe over de temperatuur in de poolgebieden ten tijde van de neerslag.

Camp Summit

In zijn proefschrift beschrijft Van der Wel laboratoriumonderzoek naar de diffusie met sneeuwlagen die hij in de vriezer opsloeg. Parallel daaraan verzamelde hij met collega’s van het Centrum voor Isotopenonderzoek in de afgelopen jaren gegevens tijdens veldwerk bij Camp Summit, gelegen op 3200 meter hoogte midden op Groenland.

In 2007 sproeiden de Groningse onderzoekers daar een eerste sneeuwlaag op, die ze met een hogedrukspuit maakten uit water met een kunstmatig veranderde isotopensamenstelling. De jaren daarna werden steeds monsters genomen van deze laag, die geleidelijk aan steeds dieper komt te liggen door de nieuwe sneeuw die er bovenop valt. En intussen deed het diffusieproces zijn werk. Meijer: ‘De eerste jaren gaat de versmering het hardst, want dan is de sneeuw nog het luchtigst. Dat neemt steeds meer af. Als de sneeuw eenmaal 80 meter diep ligt, is het ijs geworden en stopt het diffusieproces’

Solide ondergrond

Het onderzoek bevestigt op de eerste plaats metingen die in de tachtiger jaren op Camp Summit en elders met boringen zijn verzameld, constateert Meijer. ‘Die metingen blijken vrij goed te zijn gecorrigeerd voor diffusie’. Maar belangrijker vindt hij de solide ondergrond die nu gelegd is om het onderzoek uit te bouwen. ‘We hebben het diffusieproces goed in de vingers. De techniek om diffusie zelf te gebruiken als klimaatindicator ligt eindelijk helemaal voor ons open.’

Symposium

Gerko van der Wel promoveert 2 maart 2012. Het Willem Barentsz Polar Institute van de Rijksuniversiteit Groningen organiseert rond de promotie een mini-symposium over ‘Isotope in ice cores and their relation to climate history’ met sprekers uit Nederland, Zweden en Zwitserland.

Noot voor de pers

Meer informatie: prof. dr. Harro Meijer