In de ijskap tikt een Huygens-klok

Een zeventiende-eeuwse ontdekking van een van Nederlands grootste wetenschappers inspireert de klimaatwetenschap. IJs, water, wind en zon blijken samen een slingerklok te bouwen.

Terwijl ik een paar dagen op bed moest blijven, en me dus maar bezighield met het waarnemen van mijn twee nieuwe slingerklokken, merkte ik een prachtig verschijnsel op, dat niemand ooit had kunnen bedenken. Het is dat deze twee slingerklokken, naast elkaar opgehangen op een afstand van een of twee voet, zo precies gelijk liepen dat ze altijd samen slingerden, zonder ooit uit de pas te lopen.

In een brief aan zijn vader Constantijn rapporteerde Christiaan Huygens in 1665 een ontdekking die zowat om de maand nog geciteerd wordt in de wetenschappelijke literatuur. Zelf begreep hij het gedrag van zijn klokken niet goed. Nu heten ze 'gekoppelde niet-lineaire oscillatoren', en komen onderzoekers ze overal tegen.

José Rial, klimatoloog aan de universiteit van North Carolina, is een echte fan van Huygens-klokken. In maart publiceerde hij een artikel in Nature Geoscience waarin hij het komen en gaan van de ijstijden beschreef als het samenspel tussen tussen diverse slingers in het klimaat, die regelmatig een duwtje krijgen van de zon. En eind vorig jaar presenteerde hij op een congres van aardwetenschappers in San Francisco zijn oplossing voor het raadsel dat Antarctica en het Noordpoolgebied elkaars klimatologische schommelingen zo precies volgen: elk halfrond heeft zijn eigen klok, maar die twee houden elkaar bij de tijd zoals de slingerklokken in de slaapkamer van Huygens.

Dat twee klokken gelijk lopen, is in de eenentwintigste eeuw niet bijzonder. In een elektronisch uurwerk trillen kwartskristallen met een heel precies bepaald ritme. In een computer of mobiele telefoon ook, maar die kunnen bovendien ook altijd nog de juiste tijd ophalen via internet of het telefoonnetwerk. In de tijd van Huygens was het juist een enorme uitdaging om klokken te maken die niet voor- of achterliepen. Hij was degene die het slingeruurwerk perfectioneerde: een klok met een slingerend gewicht, dat even lang deed over een grote slingering als over een kleine. Want alleen dan bleef de klok de juiste tijd aangeven, zo lang je de slinger maar in beweging hield.

De twee klokken die door hem in hun samenspel werden betrapt, liepen van zichzelf niet gelijk, zoals Huygens vaststelde: "Ik heb ze vervolgens ver uit elkaar gehangen, de een aan het eind van de kamer, de andere op vijftien voet daar vandaan, en toen heb ik gezien dat er in een dag vijf seconden verschil tussen kwam, zodat hun overeenkomst niet van tevoren vaststond, maar voortkomt uit een of andere sympathie, die volgens mij geen andere kan zijn dan een onmerkbare beweging van de lucht, veroorzaakt door hun slingers. Maar de klokken zijn wel opgesloten in hun kasten, die met al het lood dat erin zit toch niet minder dan honderd pond elk zullen wegen."

Later concludeerde Huygens dat niet de lucht het middel was waarmee de klokken hun geheimzinnige communicatie voor elkaar kregen, maar trillingen in de balk waaraan ze allebei waren opgehangen. Maar de vraag bleef: hoe spelen die nauwelijks voelbare trillingen dat klaar?

Een soortgelijk raadsel hebben klimatologen op te lossen die zich buigen over 'het honderdduizend-jaar-probleem'. In perioden dat de aarde ijskappen kent, zoals nu, is er een afwisseling tussen glacialen, 'ijstijden' waarin het ijs oprukt, en interglacialen waarin het zich terugtrekt. De wereld zit sinds ruim 10.000 jaar in zo'n interglaciaal, dat volgde op het Weichsel-glaciaal dat 100.000 jaar duurde. Dat laatste is een typische lengte voor een ijstijd, en dat is het probleem: waar komt die tijdsduur vandaan?

Uit de ruimte, is een deel van het antwoord. Om precies te zijn: kleine veranderingen in de baan van de aarde zorgen voor warmere of juist koelere zomers op het noordelijk halfrond. En dan zorgt het samenspel van ijstrosmen en wind voor een 'ijstijd' of juist niet.

Het probleem met die theorie is dat de aardbaan niet eens in de 100.000 jaar verandert, maar op andere tijdschalen. Welke boodschap het klimaat ook krijgt van een iets smallere of juist iets ronder wordende aardbaan, in ieder geval niet de opdracht om eens in de 100.000 jaar warmer of kouder te worden. En heel krachtig is die boodschap ook al niet, als je hem invoert in klimaatmodellen valt haar invloed behoorlijk tegen.

Maar daar komt de natuurkunde van samen tikkende klokken van pas, schrijft Rial. Wat je daarbij dan nodig hebt is niet alleen de ritmisch veranderende aardbaan, maar een ritmisch verlopend klimaatverschijnsel, of misschien wel meer dan een. Zoals Huygens de duwtjes niet kon waarnemen die de ene klok de andere gaf, terwijl die toch de klus klaarden, zo kunnen de bescheiden veranderingen van de aardbaan op de lange duur dat aardse ritme flink aanjagen.

De klok die voor onze glacialen zorgt, rekende Rial uit, is er een die eens in de 413.000 jaar heen en weer slingert. Gecombineerd met een klimatologische slinger op aarde die ongeveer eens in de 100.000 jaar slingert, dus een mooie ronde vier keer zo langzaam, levert dat een stevige koppeling op. Die werkt zoals bij een schommel die eens in de zoveel tijd op het goede moment een duw krijgt: ook als dat niet bij elke doorkomst gebeurt, gaan kind en schommel op den duur flink de hoogte in.

Zo'n slinger met een ritme van 100.000 jaar is er (zie kader). En als je goed zoekt, kun je in het klimaat nog veel meer samenwerkende slingers vinden, denkt Rial. Weerkundigen en klimatologen hebben koppelingen voorgesteld tussen het El Niño-effect dat in sommige jaren in de Stille Oceaan optreedt en de moesson in India, en tussen het weer in het noorden van de Atlantische Oceaan en in Ethiopië. Hoe dat kan? Gekoppelde slingers kunnen het antwoord zijn. Het is bijna valsspelen: net zoals Huygens niet kon zien hoe de ene klok de andere beïnvloedde, zo hoeven klimatologen geen keiharde invloed aan te tonen van het ene gebied op het andere. De aanname dat er best op een of andere manier een zwakke wisselwerking zal zijn, is voldoende om de wiskunde van de samenwerkende slingers in beweging te zetten.

Een concreet voorbeeld werkte Rial uit voor de kortdurende opwarmingen die het noordelijk halfrond kende tijdens de laatste ijstijd. Uit Groenlandse ijskernen blijkt dat er in 100.000 jaar een stuk of 24 van die opwarmingen waren. In Antarctica waren die er in die periode ook, en ze hielden een soortgelijk ritme aan. Twee Huygense slingers, concludeert hij, aan weerszijden van de planeet.

Als Rial gelijk heeft, dan is dat goed nieuws voor de klimaatwetenschap. In de complexe computermodellen die klimatologen tegenwoordig bouwen, en die stapje voor stapje voor zoveel mogelijk plaatsen op aarde doorrekenen hoe het klimaat verandert, kun je nog maar moeilijk zien waar schommelingen door veroorzaakt worden. En moet je je zelfs afvragen of dat echte klimaatverschijnselen zijn, of bijwerkingen van het programmeerwerk. Maar dankzij Huygens' klokken kunnen schijnbaar ingewikkelde verschijnselen ook nog steeds verklaard worden uit relatief simpele modellen. Waaraan je nog duidelijk kunt zien hoe ijs, water, wind en zon samen een slingerklok bouwen.

IJstijden komen en gaan
Om het klimaat te kunnen verklaren als een samenspel van slingers, moet je wel eerst slingers hebben. Op allerlei tijdschalen wordt daar in het klimaatsysteem naar gezocht.

Het ritme van 100.000 jaar waarmee ijstijden de laatste paar miljoen jaar komen en gaan, valt bijvoorbeeld te verklaren als een wisselwerking tussen de opmars van het ijs over het noordelijk halfrond en het rondwaaien van stof. Naarmate het ijs aangroeit, weerkaatst het meer zonlicht, en wordt het op aarde kouder, waardoor het ijs nog meer groeit. Maar het groeiende ijs veegt steeds meer grond voor zich uit, en een deel daarvan verwaait en valt als stof op het ijs. Daar wordt het dof van, het neemt meer zonnewarmte op en smelt op den duur zelfs. De ijslaag trekt zich terug en dat geeft de aarde de kans om nog meer zonlicht te vangen en verder op te warmen.

Het ritme van 1000 jaar waarmee binnen een ijstijd warme en koude perioden elkaar afwisselen, wordt mogelijk veroorzaakt door een vergelijkbare wisselwerking: als het kouder wordt, bevriest een steeds groter deel van de oceaan. Ook dat ijs zorgt voor weerkaatsing van zonnestraling en dus verdere afkoeling en dus nog meer ijs. Maar tegelijkertijd ligt het ijs ook als een isolerende deken over het zeewater heen. In combinatie met zonneschijn op open water veroorzaakt dat wereldwijd een geleidelijke opwarming van de oceanen. Uiteindelijk zorgt dat voor het smelten van zee-ijs, waarna de zon weer meer water kan verwarmen en het ijs zich verder terugtrekt. Zonder de isolerende ijslaag kan de oceaan weer afkoelen en begint de cyclus opnieuw.

undefined

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden