We zitten midden in een broeikascatastrofe. Dit is de boodschap van Al Gore in zijn film An Inconvenient Truth. Terecht wijst hij erop dat deze door de mens wordt veroorzaakt. In het geologische verleden hebben zich verschillende catastrofen voltrokken, door natuurlijke oorzaak, waardoor soorten organismen uitstierven. Sommige van deze klimaatveranderingen uit het verre verleden leren ons nu over de broeikascatastrofe van de toekomst.
Je neemt een pvc-buis en duwt hem met kracht de bodem in van de vijver in de achtertuin. De buis zit nu vol met modder die sinds het aanleggen van de vijver is neergedwarreld, gesedimenteerd, op de bodem. Helemaal onder in de buis zit het vijvergrind (en bij pech ook nog het vijferfolie). Op basis van de soorten stuifmeelkorrels in de laagjes modder zal een stuifmeeldeskundige, samen met een sediment-ouderdomsdeskundige, u kunnen vertellen welke planten u in welk jaar naast de vijver heeft neergezet. Met deze boring kan slechts tuinmode gereconstrueerd worden. Hoewel tuinmode in Nederland populairder is dan wetenschap, is het zinniger om boringen te gebruiken voor onderzoek naar klimaat en klimaatsveranderingen in het verleden. Door het opboren van sedimenten uit vijvers die oud genoeg zijn, zoals de Atlantische Oceaan, bestuderen paleoklimatologen het klimaat dat miljoenen jaren geleden in deze vijvers heerste.
De vijf meest extreme perioden van zeer grootschalig uitsterven, ontdekt door het onderzoek naar aardlagen, staan bekend als The Big Five. De meest dramatische catastrofe voltrok zich ongeveer 250 miljoen jaar geleden aan het einde van het Perm, toen 80 tot 85 procent van alle soorten uitstierven. Maar een bekender voorbeeld is het uitsterven van dinosauriërs aan het einde van het tijdperk Krijt, ongeveer 65 miljoen jaar geleden, als gevolg van de inslag van een metalen meteoriet in Yucatan, Mexico.
De meteoriet had een snelheid van 70 kilometer per seconde en had een doorsnede van 10 kilometer. Een gigantische kogel dus, zo breed als de afstand Leiden tot Alphen aan Den Rijn. De enorme hoeveelheid energie die bij de inslag vrijkwam veroorzaakte eerst mondiaal kortstondig temperaturen van 400 graden. Door de grote hoeveelheid stof die door de inslag de atmosfeer in werd geblazen, drong zonlicht voor een aantal jaren niet door tot het aardoppervlak. Hierdoor koelde het sterk af: een ‘impact winter’. Soorten organismen die normaal leefden in de Noord-Atlantische Oceaan, kwamen toen kortstondig voor in de huidige Middellandse Zee.
Naast de dinosauriërs stierven ook vele zeeorganismen uit, zoals algensoorten, gigantische schildpadden en de ammonieten, die lijken op de huidige Nautilus schelp. Verder stierven zeer veel soorten algen uit die kalkskeletjes maakten. Hierdoor zit in sedimenten op veel plaatsen in de oceanen die vlak na de meteorietinslag zijn gevormd heel weinig kalk, terwijl sedimenten van vlak daarvoor bijna volledig uit kalk bestaan.
De laatste 15 jaar is ontdekt dat in het geologische verleden door natuurlijke oorzaak verschillende broeikascatastrofen hebben plaatsgevonden die uitstervingen hebben veroorzaakt. Sterke variaties in de concentratie van het broeikasgas koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer waren hiervoor verantwoordelijk. Sinds de industriële revolutie stijgt de concentratie van het broeikasgas koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer, zonder enige twijfel als gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen. De vraag of een nieuwe broeikascatastrofe in de maak is, kunnen we beantwoorden door het verleden te bestuderen.
Van voor 1958 zijn geen directe metingen van de CO2-concentratie in de atmosfeer maar is er informatie verkregen door metingen van CO2-concentraties in luchtbelletjes ingesloten in lagen uit ijskappen die zijn opgeboord. Gedurende de relatief warme periodes tussen ijstijden (de interglacialen) waarvan het huidige Holoceen er een is, was de CO2-concentratie ongeveer 280 deeltjes per miljoen, of parts per million (ppm). Tijdens ijstijden was de CO2-concentratie maar 180 ppm, wat gedeeltelijk de oorzaak was van de lage mondiaal gemiddelde temperatuur. In dit perspectief is de huidige CO2-concentratie, die sinds de industriële revolutie van 280 tot nu al boven de 380 ppm is gestegen, dus ver buiten het kader van de ijstijden en interglacialen. De afgelopen 800.000 jaar vertellen ons dus niet hoe een broeikaswereld er uitziet. Volgens het rapport van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) stijgt de CO2-concentratie, zonder maatregelen betreffende de uitstoot, door tot 1.000 ppm in het jaar 2100. Gedurende de daaropvolgende eeuwen zal de CO2-concentratie richting de 2.000 ppm stijgen als het verbranden van fossiele brandstoffen niet gestopt wordt.
De reconstructie van CO2-concentraties verder terug in de tijd wordt gedaan met behulp van chemische analyses op fossielen, die in boorkernen uit de oceaanbodem worden gevonden. Uit de resultaten blijkt dat de huidige CO2-concentratie van 380 ppm niet is voorgekomen in de afgelopen 20 miljoen jaar, en voor de toekomstige concentratie van 2.000 ppm moeten we terug naar zo’n 50 miljoen jaar geleden. Door de fossielinhoud en chemische samenstelling van opgeboorde aardlagen te bestuderen, kunnen we ook het klimaat uit die tijd reconstrueren. En wat blijkt? Het gras is groen, de lucht is blauw, en tijdens perioden met veel koolstofdioxide in de lucht was het warmer.
Hoe zag de fossiele broeikaswereld die tussen 60 en 50 miljoen jaar bestond er dan uit? Er was geen ijs; niet op Groenland, noch op Antarctica. De zeespiegel stond zo’n honderd meter hoger dan nu en Nederland lag onder water. In het Groenlandse moeras vluchtten de eerste paardachtigen voor de klappende kaken van krokodillen en op Antarctica groeide bos. In de Noordelijke IJszee was het lekker zwemmen, met watertemperaturen in de zomer vergelijkbaar met de huidige Noordzee.
Tijdens deze fossiele broeikasperiode vond een aantal broeikascatastrofen plaats. Bovenop de al warme condities werd het daardoor plotseling mondiaal nog veel warmer. Het beste voorbeeld is het Paleoceen-Eoceen temperatuursmaximum (PETM), dat 55 miljoen jaar geleden plaatsvond. Dit gebeurde 10 miljoen jaar na het massale uitsterven van de dinosauriërs door het inslaan van een meteoriet. Door natuurlijke oorzaak nam aan het begin van het PETM de concentratie koolstofdioxide sterk toe. Hierdoor het broeikaseffect nog verder versterkt werd en werd het mondiaal zo’n vijf graden warmer. Dier- en plantensoorten migreerden richting de polen. In de Noordelijke IJszee werden temperaturen van zo’n 23 graden bereikt waardoor subtropische soorten algen (dinoflagellaten) er goed konden gedijen. Een groot deel van de CO2 loste in de oceanen op. In de reactie van CO2 met water ontstonden onder andere H+ ionen waardoor de oceanen verzuurden. In geen enkele andere periode zijn er in de afgelopen 90 miljoen jaar op de zeebodem meer soorten organismen uitgestorven dan tijdens het PETM. Het duurde 150.000 jaar voordat de extra CO2 was onttrokken uit atmosfeer en de oceanen, en het klimaat zich weer hersteld had.
Het onttrekken van CO2 gebeurde door de opslag van koolstof (C) in sedimentlagen op de oceaanbodem in de vorm van kalk (calciumcarbonaat, CaCO3) en organisch materiaal. Kalk wordt door verschillende soorten algen geproduceerd in de oppervlaktelaag van de oceanen en bevat per molecuul een atoom koolstof. Als een alg doodgaat, zinkt zijn kalkskeletje naar de zeebodem alwaar het deel uit gaat maken van het sediment. Door de verzuring van de oceanen aan het begin van het PETM, losten veel van deze skeletjes op. Op lange termijn werd deze verzuring echter tegengewerkt. Dit gebeurde door de verwering van silicaatgesteenten op continenten, wat per reactie een molecuul CO2 uit de atmosfeer omzet in een molecuul dat verzuring tegengaat. Deze moleculen werden door rivieren naar de oceanen vervoerd, waar ze ophoopten. Kalk loste hierdoor niet meer op maar sedimenteerde weer op de zeebodem, waardoor het overschot aan koolstof in de zeebodem begraven werd. Ook werd tijdens het PETM, voornamelijk in ondiepe zeeën als de Arctische Oceaan en delen van de vroegere Middellandse Zee, veel organisch materiaal begraven in aardlagen. Zo werd de CO2-concentratie weer vergelijkbaar met die van vlak voor het PETM. Dat had wel 150 duizend jaar geduurd.
Het PETM is vergelijkbaar met de huidige en toekomstige situatie. Alle fossiele brandstoffen bij elkaar bevatten tenminste 5.000 petagram koolstof, ongeveer de hoeveelheid die tijdens het PETM ‘geïnjecteerd’ werd. Als we niet stoppen ze te verbranden, zal al deze koolstof als CO2 de lucht in worden gepompt. We zijn nu pas aan het begin van de effecten van de verhogende CO2-concentraties, maar de mondiale opwarming is toch al 1 graad Celsius, de bovenste laag van de oceanen verzuurt en diersoorten migreren richting de polen. Tenzij de mens iets anders uitvindt, zal de koolstof afkomstig van fossiele brandstoffen uiteindelijk weer in de vorm van biologisch geproduceerde kalk en organisch materiaal worden begraven in aardlagen. Het planten van extra bomen zal maar een klein effect hebben. Het zal dan ook, net als tijdens het PETM, ongeveer 100 duizend jaar duren voor de extra koolstof volledig uit de oceaan en atmosfeer is verdwenen.
De gevoeligheid van het klimaat voor veranderingen in CO2-concentratie is exponentieel. Dit betekent dat iedere verdubbeling van de CO2-concentratie een opwarming van ongeveer 2,5 graden zal veroorzaken. De injectie van 5.000 petagram koolstof veroorzaakt in een wereld met een lage CO2-concentratie dus meer opwarming dan in een wereld met een hoge CO2-concentratie. Het verschil tussen het PETM en de huidige situatie is dat de CO2-concentratie al heel hoog was vlak voor de PETM en laag voor de industriële revolutie. Dit betekent dus dat de opwarming van de komende eeuwen, als we alle fossiele brandstoffen verbranden, waarschijnlijk veel groter zal zijn dan de vijf graden ten tijde van het PETM.
Kortom, het in kaart brengen van de huidige en toekomstige klimaatsverandering is een typisch geval van the past is the key to the future. In aanvulling op wat Al Gore presenteert in zijn film weten we wél hoe een broeikaswereld eruit ziet. We moeten alleen wel ver genoeg willen zoeken in het verleden. Het verleden leert ons dat een koolstofatoom normaal gesproken een cyclus doorloopt van honderd miljoen jaar waarbij hij als CO2 door vulkanisme de atmosfeer in wordt gebracht, oplost in de oceaan, in kalk of organisch materiaal wordt vastgelegd, sedimenteert op de zeebodem, wordt vastgelegd in gesteenten en uiteindelijk weer door een vulkaan wordt uitgeblazen. Op dit moment duwt de mens in een ongekend tempo koolstof afkomstig van gesteentes direct de atmosfeer in, wat wellicht uiteindelijk gaat leiden naar een klimaat dat zich tientallen miljoenen jaren niet meer heeft voorgedaan op aarde.
Tekst: Appy Sluijs (1980)
Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)
Homepage Bètacanon
(maandag 23 juli 2007)
