Afbeelding tegoed: Stanford
Als een tijdmachine ons 4,6 miljard jaar terug naar de geboorte van de aarde zou kunnen brengen, zouden we onze zon 20 tot 25 procent minder helder zien schijnen dan vandaag. Zonder een aardse kas om de energie van de zon op te vangen en de atmosfeer te verwarmen, zou onze wereld een draaiende bal van ijs zijn. Het leven is misschien nooit geëvolueerd.
Maar het leven evolueerde, dus er moeten broeikasgassen zijn geweest om de aarde te verwarmen. Bewijs uit het geologische record wijst op een overvloed aan broeikasgas kooldioxide. Methaan was waarschijnlijk ook aanwezig, maar dat broeikasgas laat niet genoeg van een geologische voetafdruk achter om met zekerheid te detecteren. Moleculaire zuurstof was er niet, duiden rotsen uit de tijd aan die ijzercarbonaat bevatten in plaats van ijzeroxide. Stenen vingerafdrukken van stromende stromen, vloeibare oceanen en mineralen gevormd door verdamping bevestigen dat de aarde 3 miljard jaar geleden warm genoeg was voor vloeibaar water.
Nu, het geologische record dat in enkele van de oudste rotsen van de aarde is onthuld, vertelt een verrassend verhaal over de ineenstorting van die kas - en de daaropvolgende regeneratie. Maar nog verrassender, zeggen de wetenschappers van Stanford die deze bevindingen rapporteren in het nummer van 25 mei van het tijdschrift Geology, is de cruciale rol die rotsen speelden in de evolutie van de vroege atmosfeer.
"Dit is echt de eerste keer dat we hebben geprobeerd een beeld samen te stellen van hoe de vroege atmosfeer, het vroege klimaat en de vroege continentale evolutie hand in hand gingen", zegt Donald R. Lowe, een professor in de geologische en milieukunde die de paper met Michael M. Tice, een afgestudeerde student die het vroege leven onderzoekt. NASA's Exobiology Program financierde hun werk. "In het geologische verleden werden klimaat en atmosfeer echt sterk beïnvloed door de ontwikkeling van continenten."
Het record in de rotsen
Om geologische aanwijzingen samen te vatten over hoe de vroege atmosfeer was en hoe deze evolueerde, heeft Lowe, een veldgeoloog, sinds 1977 vrijwel elke zomer in Zuid-Afrika of West-Australië doorgebracht met het verzamelen van rotsen die letterlijk ouder zijn dan de heuvels. Enkele van de oudste rotsen van de aarde, ze zijn ongeveer 3,2 tot 3,5 miljard jaar oud.
"Hoe verder je teruggaat, hoe moeilijker het is om een trouw record te vinden, rotsen die niet zijn verdraaid en geperst en niet zijn veranderd en anderszins veranderd", zegt Lowe. "We kijken ongeveer terug naar het sedimentaire record."
Na het meten en in kaart brengen van rotsen, brengt Lowe monsters terug naar Stanford om in secties te snijden die zo dun zijn dat hun kenmerken onder een microscoop kunnen worden onthuld. Medewerkers nemen deel aan geochemische en isotopische analyses en computermodellen die de geschiedenis van de rotsen verder onthullen.
Het geologische record vertelt een verhaal waarin continenten het broeikasgas kooldioxide verwijderden uit een vroege atmosfeer die mogelijk zo heet was als 70 graden Celsius (158 F). Op dit moment was de aarde voornamelijk oceaan. Het was te warm om poolkappen te hebben. Lowe veronderstelt dat regen gecombineerd met atmosferische koolstofdioxide om koolzuur te maken, dat de vooruitstekende bergen van nieuw gevormde continentale korst heeft doorstaan. Koolzuur dissocieerde om waterstofionen te vormen, die hun weg vonden naar de structuren van verweringsmineralen, en bicarbonaat, dat door rivieren en stromen werd afgevoerd om als kalksteen en andere mineralen in oceaansedimenten te worden afgezet.
In de loop van de tijd werden grote stukken oceanische korst naar beneden getrokken of ondergedompeld in de aardmantel. De koolstof die in deze korst was opgesloten, was in wezen verloren, vastgehouden voor de 60 miljoen jaar of zo, waardoor de mineralen nodig waren om terug naar de oppervlakte te worden gerecycled of door vulkanen te worden vergast.
De hete vroege atmosfeer bevatte waarschijnlijk ook methaan, zegt Lowe. Toen het kooldioxidegehalte daalde als gevolg van verwering, werden de kooldioxidegehaltes en het methaan op een gegeven moment ongeveer gelijk, vermoedt hij. Dit zorgde ervoor dat het methaan aërosol werd tot fijne deeltjes, waardoor een nevel ontstond die leek op wat tegenwoordig aanwezig is in de atmosfeer van Saturnus 'maan Titan. Dit 'Titan-effect' vond 2,7 tot 2,8 miljard jaar geleden plaats op aarde.
Het Titan-effect verwijderde methaan uit de atmosfeer en de waas filterde licht weg; beide veroorzaakten verdere koeling, misschien een temperatuurdaling van 40 tot 50 graden Celsius. Uiteindelijk, ongeveer 3 miljard jaar geleden, stortte de kas net in, theoretiseren Lowe en Tice, en de eerste ijstijd van de aarde kan 2,9 miljard jaar geleden hebben plaatsgevonden.
De opkomst na de val
Hier onthullen de rotsen een vreemde draai in het verhaal - uiteindelijke regeneratie van de kas. Bedenk dat de aarde 3 miljard jaar geleden in wezen Waterworld was. Er waren geen planten of dieren die de atmosfeer beïnvloedden. Zelfs algen waren nog niet geëvolueerd. Primitieve fotosynthetische microben waren in de buurt en speelden mogelijk een rol bij de vorming van methaan en het geringe gebruik van kooldioxide.
Zolang de snelle continentale verwering aanhield, werd carbonaat afgezet op de oceanische korst en ondergebracht in wat Lowe noemt "een grote opslagfaciliteit ... die het grootste deel van de kooldioxide uit de atmosfeer hield."
Maar toen kooldioxide uit de atmosfeer werd verwijderd en in gesteente werd verwerkt, vertraagde de verwering - er was minder koolzuur om bergen te eroderen en de bergen werden lager. Maar vulkanen spoten nog steeds grote hoeveelheden koolstof uit gerecyclede oceaankorst in de atmosfeer.
'Dus uiteindelijk stijgt het kooldioxidegehalte weer', zegt Lowe. "Het zal misschien nooit terugkeren naar zijn volle glorieuze niveau van 70 graden Celsius, maar waarschijnlijk is het geklommen om de aarde weer warm te maken."
Deze zomer zullen Lowe en Tice monsters verzamelen waarmee ze de temperatuur van dit tijdsinterval, ongeveer 2,6 tot 2,7 miljard jaar geleden, kunnen bepalen om een beter idee te krijgen van hoe heet de aarde is geworden.
Nieuwe continenten werden gevormd en verweerd, waardoor opnieuw kooldioxide uit de atmosfeer werd gehaald. Ongeveer 3 miljard jaar geleden was misschien 10 of 15 procent van het huidige aardoppervlak in continentale korst gevormd. Tegen 2,5 miljard jaar geleden was er een enorme hoeveelheid nieuwe continentale korst gevormd - ongeveer 50 tot 60 procent van de huidige oppervlakte van de continentale korst. Tijdens deze tweede cyclus veroorzaakte verwering van de grotere hoeveelheid gesteente een nog grotere atmosferische koeling, wat ongeveer 2,3 tot 2,4 miljard jaar geleden tot een diepe ijstijd leidde.
In de afgelopen paar miljoen jaar slingerden we heen en weer tussen glaciale en interglaciale tijdperken, zegt Lowe. We bevinden ons momenteel in een interglaciale periode. Het is een overgang - en wetenschappers proberen nog steeds de omvang te begrijpen van de wereldwijde klimaatverandering die door de mens in de recente geschiedenis is veroorzaakt, vergeleken met die van natuurlijke processen door de eeuwen heen.
"We verstoren het systeem met snelheden die veel hoger zijn dan die welke in het verleden door klimaatveranderingen zijn gekenmerkt", zei Lowe. "Niettemin zijn vrijwel alle experimenten, vrijwel alle variaties en alle klimaatveranderingen die we vandaag proberen te begrijpen, eerder gebeurd. De natuur heeft de meeste van deze experimenten al gedaan. Als we oude klimaten, atmosferische composities en de wisselwerking tussen de korst, de atmosfeer, het leven en het klimaat in het geologische verleden kunnen analyseren, kunnen we enkele eerste stappen nemen om te begrijpen wat er vandaag en morgen zal gebeuren. ”
Oorspronkelijke bron: Stanford News Release
