Een betere thermometer voor het verleden

RUG-hoogleraar Harro Meijer ging in 2007 naar Groenland om daar sneeuw te maken. Een dun laagje kunstmatige sneeuw bovenop de enorme ijskap zou hem kunnen helpen de thermometer te ijken waarmee de temperatuur op Groenland tot vele duizenden jaren terug is te meten. Het resultaat was nogal ingewikkeld.

Er hangt een grote poster aan de muur van zijn werkkamer in het Natuurkunde en Scheikunde gebouw op Zernike. Twee personen houden een sneeuwkanon vast in een ijzig landschap. Het zijn Harro Meijer en zijn promovendus Gerko van der Wel, die sneeuw maken op Groenland. Dat klinkt misschien raar, maar er was een prima wetenschappelijke reden om dat te doen, vertelt Meijer, wetenschappelijk directeur van het Energy and Sustainability Research Institute Groningen van de RUG.

De ijskap op Groenland, tot wel drie kilometer dik, bevat een bevroren archief van het klimaat. De ijskap is de afgelopen honderdduizend jaar ontstaan door sneeuw die samengedrukt is tot ijs. Klimaatwetenschappers bestuderen al heel lang boorkernen uit deze ijskap om meer te weten te komen over het klimaat in het verre verleden. ‘Een manier om dat te doen is door het meten van de concentratie ¹⁸O’, zegt Meijer. Dit ¹⁸O is een zwaardere versie van normaal zuurstof (¹⁶O), met twee extra neutronen in de kern.

Directe meting

Omdat het iets zwaarder is heeft ¹⁸O iets andere fysische eigenschappen dan gewoon zuurstof. Dat beïnvloedt onder meer de verdamping en condensatie van water met zo’n zeldzaam zwaar zuurstofatoom. Het resultaat is dat de hoeveelheid ¹⁸O in de sneeuw die op Groenland valt relatief laag is, en varieert tussen winter en zomer. ‘Simpel gezegd hangt de hoeveelheid ¹⁸O af van het verschil in temperatuur tussen de tropen, waar water verdampt, en Groenland, waar het neerkomt als sneeuw.’

Dus wanneer je de concentratie ¹⁸O meet in ijsmonsters van verschillende diepten zegt dat iets over het temperatuursverloop. ‘Tot ongeveer duizend jaar terug kunnen we jaarlijkse patronen zien, met een hogere ¹⁸O concentratie in de zomer. In diepere lagen is dat jaarlijkse signaal niet meer zichtbaar. Maar je kunt nog wel lange termijn trends in de temperatuur volgen.’

Een nadeel van deze methode is dat de relatie tussen ¹⁸O in de sneeuw en de absolute temperatuur op Groenland nogal indirect is. Er spelen naast verdamping en neerslag nog veel andere factoren een rol. Maar rond het jaar 2000 kwamen wetenschappers met een alternatief dat een meer directe meting van de temperatuur leek te geven. Meijer: ‘Sigfus Johnson bedacht dat de diffusie van ¹⁸O en deuterium (²H), de zware vorm van waterstof, vooral afhangt van de temperatuur in de sneeuwlaag.’ Dit zou een directe meting van de echte temperatuur opleveren. ‘Dat was goed nieuws voor klimaatwetenschappers. Wij willen graag weten hoe koud het nu echt was tijdens de laatste ijstijd.’ Dat soort gegevens is belangrijk voor het maken van klimaatmodellen.

Firnlaag

Maar de techniek die Johnson introduceerde bevatte nog wel wat onbekende factoren. ‘Diffusie vindt plaats in de zogeheten firnlaag, de bovenste zestig meter van de ijskap waar de sneeuw nog niet tot ijs is samengedrukt. Dus de temperatuur die je meet via diffusie is een gemiddelde van enkele tientallen jaren.’ Maar wat belangrijker was, de diffusie van ¹⁸O en ²H was alleen gemeten in laboratoriumexperimenten.

Daarom gingen Meijer en Van der Wel naar Groenland: zij wilden de diffusiesnelheid in echte sneeuw testen. Daarvoor gebruikten zij water met extra ²H, waar ze een sneeuwlaagje van een paar centimeters mee maakten. In de vijf jaar die volgden bezocht Meijer het veldje van zes bij zes meter om monster te nemen van de firnlaag, waarin hij de diffusiesnelheid van ²H mat. Dit leverde een verrassend resultaat op. ‘Volgens het model van Johnson zouden we in vijf jaar tijd zes centimeter diffusie moeten zien, maar we vonden slechts vier centimeter.’

Dit maakt de techniek om temperatuur te meten niet ongeldig, maar betekent wel dat de schatting van de absolute temperatuur er een paar graden naast kan zitten. Er is echter een oplossing, denkt Meijer. ‘We moeten eigenlijk de diffusie meten in de hele zestig meter dikke firnlaag. Op die manier weten we precies hoeveel diffusie er is, en dat kunnen we dan correleren met de historische informatie die we hebben over de temperatuur en neerslag.’ Op die manier zou de ‘thermometer’ van Johnson goed gekalibreerd worden.

Meijer is in overleg met collega’s over dit experiment. ‘Het is een groot project, mogelijk te groot voor ons instituut.’ Maar de plek waar hij zijn eerste experiment heeft gedaan, zou er ideaal voor zijn. ‘De plek heet Summit, en er is daar sinds 1988 een Amerikaans onderzoeksstation, dus we hebben flink wat gegevens. En de infrastructuur is er prima.’

Summit was overigens de tweede plek waar Meijer sneeuw ging maken. ‘Onze eerste poging was op een plek waar collega’s van de Universiteit Utrecht regelmatig kwamen. Op de hoogste locatie was de temperatuur heel het jaar onder nul, precies wat wij nodig hadden. Maar, en dat is wat gênant voor klimaatonderzoekers, we hadden geen rekening gehouden met de opwarming van de aarde. Het jaar nadat we ons sneeuwlaagje hadden aangebracht, begon het in de zomer te dooien op de onderzoekslocatie. Daarom zijn we daar gestopt.’ En dat toont maar weer eens aan hoe belangrijk onderzoek naar klimaatverandering is.’

Het onderzoek is dit voorjaar gepubliceerd: Van der Wel, L.G., Been, H.A., Van de Wal, R.S.W., Smeets, C.J.P.P., and Meijer, H.A.J. 2015. Constraints on the δ2H diffusion rate in firn from field measurements at Summit, Greenland. The Cryosphere. 9:1089–1103. (open access).