Evolutie van de Aarde
Zoals de lapis lazuli edelsteen waar hij op lijkt, lijkt de blauwe, door wolken omgeven planeet die we onmiddellijk van satellietfoto’s herkennen opmerkelijk stabiel. Continenten en oceanen, omringd door een zuurstofrijke atmosfeer, ondersteunen vertrouwde levensvormen. Toch is deze standvastigheid een illusie die voortkomt uit de menselijke ervaring van tijd. De aarde en haar atmosfeer veranderen voortdurend. Plaattektoniek verschuift de continenten, doet bergen rijzen en beweegt de oceaanbodem, terwijl onbegrepen processen het klimaat veranderen.
Zulke voortdurende verandering heeft de Aarde gekarakteriseerd sinds haar ontstaan zo’n 4,5 miljard jaar geleden. Vanaf het begin hebben hitte en zwaartekracht de evolutie van de planeet bepaald. Deze krachten werden geleidelijk versterkt door de globale effecten van het ontstaan van leven. Het verkennen van dit verleden biedt ons de enige mogelijkheid om de oorsprong van het leven en, misschien, zijn toekomst te begrijpen.
Wetenschappers geloofden vroeger dat de rotsachtige planeten, waaronder de Aarde, Mercurius, Venus en Mars, ontstonden door de snelle zwaartekrachtsineenstorting van een stofwolk, een deformatie die aanleiding gaf tot een dichte bol. In de jaren zestig veranderde het Apollo-ruimtevaartprogramma deze zienswijze. Onderzoek van maankraters bracht aan het licht dat deze gutsen veroorzaakt waren door de inslag van objecten die ongeveer 4,5 miljard jaar geleden in grote overvloed aanwezig waren. Daarna bleek het aantal inslagen snel te zijn afgenomen. Deze waarneming verjongde de theorie van de accretie, gepostuleerd door Otto Schmidt. De Russische geofysicus had in 1944 gesuggereerd dat planeten geleidelijk, stap voor stap, in omvang toenamen. Volgens Schmidt klonterde kosmisch stof samen tot deeltjes, deeltjes werden kiezelstenen, kiezelstenen werden kleine bolletjes, toen grote bolletjes, toen kleine planeten, of planetesimalen, en ten slotte werd het stof zo groot als de maan. Naarmate de planetesimalen groter werden, nam hun aantal af. Daardoor nam ook het aantal botsingen tussen planetesimalen, of meteorieten, af. Minder voorwerpen beschikbaar voor accretie betekende dat het lang duurde om een grote planeet op te bouwen. Een berekening van George W. Wetherill van het Carnegie Institution of Washington suggereert dat er ongeveer 100 miljoen jaar kon verstrijken tussen de vorming van een object met een diameter van 10 kilometer en een object ter grootte van de Aarde.
Het proces van accretie had belangrijke thermische gevolgen voor de Aarde, gevolgen die haar evolutie krachtig stuurden. Grote lichamen die tegen de planeet sloegen, produceerden immense hitte in haar binnenste, waardoor het kosmische stof smolt dat zich daar bevond. De resulterende oven – die zich zo’n 200 tot 400 kilometer onder de grond bevindt en een magma-oceaan wordt genoemd – was miljoenen jaren actief en gaf aanleiding tot vulkaanuitbarstingen. Toen de aarde nog jong was, werd de hitte aan het oppervlak, veroorzaakt door vulkanisme en lavastromen uit het binnenste van de aarde, versterkt door het voortdurende bombardement van enorme objecten, waarvan sommige misschien wel zo groot waren als de maan of zelfs Mars. In deze periode was geen leven mogelijk.
Naast de opheldering dat de Aarde was gevormd door accretie, dwong het Apollo-programma wetenschappers om te proberen de daaropvolgende temporele en fysieke ontwikkeling van de vroege Aarde te reconstrueren. Deze onderneming werd onmogelijk geacht door de grondleggers van de geologie, waaronder Charles Lyell, aan wie de volgende zin wordt toegeschreven: Geen spoor van een begin, geen vooruitzicht op een einde. Deze uitspraak geeft het idee weer dat de jonge aarde niet opnieuw kon worden geschapen, omdat haar overblijfselen door haar activiteit zelf werden vernietigd. Maar de ontwikkeling van de isotopengeologie in de jaren zestig had deze zienswijze achterhaald. Met de Apollo en de maanopnamen in het achterhoofd, begonnen geochemici deze techniek toe te passen om de evolutie van de Aarde te begrijpen.
Datering van gesteenten met behulp van zogenaamde radioactieve klokken stelt geologen in staat te werken op oude terreinen die geen fossielen bevatten. De wijzers van een radioactieve klok zijn isotopen – atomen van hetzelfde element die verschillende atoomgewichten hebben – en de geologische tijd wordt gemeten aan de hand van de snelheid waarmee een isotoop vervalt in een andere. Onder de vele klokken zijn die gebaseerd op het verval van uranium 238 in lood 206 en van uranium 235 in lood 207 bijzonder. Geochronologen kunnen de ouderdom van monsters bepalen door alleen het dochterprodukt – in dit geval lood – van de radioactieve ouder, uranium, te analyseren.
Pannen naar zirkonen
ISOTOPE GEOLOGIE heeft geologen in staat gesteld vast te stellen dat de aangroei van de Aarde culmineerde in de differentiatie van de planeet: het ontstaan van de kern – de bron van het magnetisch veld van de Aarde – en het begin van de atmosfeer. In 1953 gebruikte het klassieke werk van Claire C. Patterson van het California Institute of Technology de uranium-lood klok om een leeftijd van 4,55 miljard jaar vast te stellen voor de Aarde en veel van de meteorieten die haar vormden. In het begin van de negentiger jaren leidde werk van een van ons (Allègre) aan loodisotopen echter tot een enigszins nieuwe interpretatie.
Zoals Patterson betoogde, werden sommige meteorieten inderdaad ongeveer 4,56 miljard jaar geleden gevormd, en hun brokstukken vormden de Aarde. Maar de Aarde bleef groeien door het bombardement van planetesimalen tot zo’n 120 miljoen tot 150 miljoen jaar later. In die tijd – 4,44 miljard tot 4,41 miljard jaar geleden – begon de Aarde haar atmosfeer te behouden en haar kern te vormen. Deze mogelijkheid was reeds twee decennia geleden geopperd door Bruce R. Doe en Robert E. Zartman van de U.S. Geological Survey in Denver en is in overeenstemming met Wetherills schattingen.
Het ontstaan van de continenten kwam iets later. Volgens de theorie van de platentektoniek zijn deze landmassa’s het enige deel van de aardkorst dat niet wordt gerecycleerd en dus vernietigd tijdens de geothermische cyclus die wordt aangedreven door de convectie in de aardmantel. Continenten vormen dus een soort geheugen, omdat het verslag van het vroege leven in hun gesteente kan worden afgelezen. Geologische activiteit, waaronder plaattektoniek, erosie en metamorfisme, heeft echter bijna al het oude gesteente vernietigd. Zeer weinig fragmenten hebben deze geologische machine overleefd.
Niettemin zijn er in de afgelopen decennia verschillende belangrijke ontdekkingen gedaan, opnieuw met behulp van isotopengeochemie. Eén groep, onder leiding van Stephen Moorbath van de Universiteit van Oxford, ontdekte in West-Groenland een terrein dat tussen 3,7 en 3,8 miljard jaar oud is. Daarnaast onderzocht Samuel A. Bowring van het Massachusetts Institute of Technology een klein gebied in Noord-Amerika – de Acasta gneis – dat 3,96 miljard jaar oud zou zijn.
Ultimately, a quest for the mineral zircon led other researchers to even more ancient terrain. Zirkoon wordt gewoonlijk gevonden in continentale gesteenten en wordt niet opgelost tijdens het erosieproces, maar wordt afgezet in de vorm van deeltjes in sedimenten. Enkele stukjes zirkoon kunnen dus miljarden jaren overleven en als getuige dienen van de vroegere aardkorst. Het zoeken naar oude zirkonen begon in Parijs met het werk van Annie Vitrac en Jol R. Lancelot, later respectievelijk aan de Universiteit van Marseille en nu aan de Universiteit van Nmes, en met de inspanningen van Moorbath en Allgre. Het was een groep aan de Australische Nationale Universiteit in Canberra, onder leiding van William Compston, die uiteindelijk succes had. Het team ontdekte in West-Australië zirkonen die tussen 4,1 en 4,3 miljard jaar oud waren.
Zirkonen zijn van cruciaal belang geweest, niet alleen om de ouderdom van de continenten te begrijpen, maar ook om te bepalen wanneer het leven voor het eerst verscheen. De vroegste fossielen van onbetwiste ouderdom werden gevonden in Australië en Zuid-Afrika. Deze overblijfselen van blauwgroene algen zijn ongeveer 3,5 miljard jaar oud. Manfred Schidlowski van het Max Planck Instituut voor Scheikunde in Mainz bestudeerde de Isua-formatie in West-Groenland en beweerde dat organisch materiaal al 3,8 miljard jaar oud was. Omdat de meeste gegevens over het vroege leven door geologische activiteit zijn vernietigd, kunnen we niet precies zeggen wanneer het voor het eerst verscheen – misschien ontstond het heel snel, misschien zelfs 4,2 miljard jaar geleden.
Verhalen van gassen
EEN VAN DE BELANGRIJKSTE aspecten van de evolutie van de planeet is de vorming van de atmosfeer, omdat het deze verzameling gassen is die het leven in staat stelde uit de oceanen te kruipen en in stand te worden gehouden. Onderzoekers hebben sinds de jaren 1950 verondersteld dat de aardse atmosfeer is ontstaan door gassen die uit het inwendige van de planeet komen. Wanneer een vulkaan gassen uitspuwt, is dat een voorbeeld van de voortdurende uitgassing, zoals dat heet, van de Aarde. Maar wetenschappers hebben zich afgevraagd of dit proces plotseling plaatsvond – ongeveer 4,4 miljard jaar geleden, toen de kern werd gedifferentieerd – of dat het geleidelijk in de loop van de tijd plaatsvond.
Om deze vraag te beantwoorden, bestudeerden Allègre en zijn collega’s de isotopen van zeldzame gassen. Deze gassen, waaronder helium, argon en xenon, hebben de bijzondere eigenschap dat zij chemisch inert zijn, dat wil zeggen dat zij in de natuur niet reageren met andere elementen. Twee van deze gassen zijn bijzonder belangrijk voor atmosferische studies: argon en xenon. Argon heeft drie isotopen, waarvan argon 40 ontstaat door het verval van kalium 40. Xenon heeft negen isotopen, waarvan xenon 40 ontstaat door het verval van kalium 40. Xenon heeft er negen, waarvan xenon 129 twee verschillende oorsprongen heeft. Xenon 129 ontstond als gevolg van nucleosynthese voordat de aarde en het zonnestelsel werden gevormd. Het is ook ontstaan uit het verval van het radioactieve jodium 129, dat op aarde niet meer bestaat. Deze vorm van jodium was zeer vroeg aanwezig, maar is sindsdien uitgestorven, en xenon 129 is ten koste ervan gegroeid.
Zoals de meeste paren, hebben zowel argon 40 en kalium 40 als xenon 129 en jodium 129 verhalen te vertellen. Het zijn uitstekende chronometers. Hoewel de atmosfeer werd gevormd door de uitgassing van de mantel, bevat hij geen kalium 40 of jodium 129. Alle argon 40 en xenon 129, gevormd in de aarde en vrijgekomen, zijn vandaag in de atmosfeer te vinden. Xenon werd uit de aardmantel verdreven en in de atmosfeer vastgehouden; daarom kan aan de hand van de verhouding atmosfeer-mantel van dit element de leeftijd van de differentiatie worden vastgesteld. Argon en xenon, gevangen in de mantel, evolueerden door het radioactieve verval van kalium 40 en jodium 129. Als de totale ontgassing van de mantel aan het begin van de vorming van de aarde zou hebben plaatsgevonden, zou de atmosfeer dus geen argon 40 maar xenon 129 bevatten.
De grootste uitdaging voor een onderzoeker die dergelijke vervalverhoudingen wil meten, is het verkrijgen van hoge concentraties van zeldzame gassen in mantelgesteenten, omdat deze uiterst beperkt zijn. Gelukkig doet zich bij mid-oceanische ruggen een natuurlijk verschijnsel voor waarbij vulkanische lava sommige silicaten uit de mantel naar het oppervlak overbrengt. De kleine hoeveelheden gassen die in de mantelmineralen gevangen zitten, stijgen met de smelt naar het oppervlak en worden geconcentreerd in kleine blaasjes in de buitenste glasachtige rand van lava-ovens. Dit proces dient om de hoeveelheden mantelgassen met een factor 104 of 105 te concentreren. Door deze gesteenten te verzamelen door de zeeoor te baggeren en ze vervolgens onder vacuüm in een gevoelige massaspectrometer te vergruizen, kunnen geochemici de verhoudingen van de isotopen in de mantel bepalen. De resultaten zijn zeer verrassend. Berekeningen van de verhoudingen geven aan dat tussen 80 en 85 procent van de atmosfeer werd uitgestoten gedurende de eerste 1 miljoen jaar van de aarde; de rest kwam langzaam maar constant vrij gedurende de volgende 4,4 miljard jaar.
De samenstelling van deze primitieve atmosfeer werd zeer zeker gedomineerd door koolstofdioxide, met stikstof als het tweede meest voorkomende gas. Sporen van methaan, ammoniak, zwaveldioxide en zoutzuur waren ook aanwezig, maar er was geen zuurstof. Afgezien van de aanwezigheid van overvloedig water, was de atmosfeer vergelijkbaar met die van Venus of Mars. Over de details van de evolutie van de oorspronkelijke atmosfeer wordt gediscussieerd, vooral omdat we niet weten hoe sterk de zon in die tijd was. Sommige feiten worden echter niet betwist. Het is duidelijk dat kooldioxide een cruciale rol heeft gespeeld. Bovendien geloven veel wetenschappers dat de evoluerende atmosfeer voldoende hoeveelheden gassen zoals ammoniak en methaan bevatte om organisch materiaal te doen ontstaan.
Toch blijft het probleem van de zon onopgelost. Eén hypothese stelt dat tijdens het Archeïsche eon, dat duurde van ongeveer 4,5 miljard tot 2,5 miljard jaar geleden, de kracht van de zon slechts 75% was van wat zij nu is. Deze mogelijkheid doet een dilemma rijzen: hoe kan het leven hebben overleefd in het relatief koude klimaat dat met een zwakkere zon gepaard zou moeten gaan? Een oplossing voor de zogeheten “zwakke vroege zon”-paradox werd in 1970 aangedragen door Carl Sagan en George Mullen van de Cornell University. De twee wetenschappers stelden dat methaan en ammoniak, die zeer effectief zijn in het opvangen van infrarode straling, in overvloed aanwezig waren. Deze gassen zouden een super- broeikaseffect kunnen hebben veroorzaakt. Het idee werd bekritiseerd omdat dergelijke gassen zeer reactief zijn en een korte levensduur in de atmosfeer hebben.
Wat controleerde de co?
In het eind van de jaren zeventig stelden Veerabhadran Ramanathan, nu aan het Scripps Institution of Oceanography, en Robert D. Cess en Tobias Owen van de Stony Brook University een andere oplossing voor. Zij stelden dat er geen behoefte was aan methaan in de vroege atmosfeer omdat kooldioxide overvloedig genoeg was om het supergroeneikaseffect teweeg te brengen. Ook dit argument riep weer een andere vraag op: Hoeveel kooldioxide was er in de vroege atmosfeer? Aardse kooldioxide is nu begraven in carbonaatgesteenten, zoals kalksteen, hoewel het niet duidelijk is wanneer het daar gevangen is geraakt. Tegenwoordig ontstaat calciumcarbonaat voornamelijk door biologische activiteit; in het Archeïsche tijdperk werd koolstof wellicht voornamelijk verwijderd door anorganische reacties.
Door de snelle ontgassing van de planeet kwamen grote hoeveelheden water vrij uit de mantel, waardoor de oceanen en de hydrologische cyclus ontstonden. De zuren die waarschijnlijk in de atmosfeer aanwezig waren, erodeerden gesteenten en vormden carbonaatrijke gesteenten. Het relatieve belang van een dergelijk mechanisme wordt echter betwist. Heinrich D. Holland van de Harvard Universiteit gelooft dat de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer tijdens het Archeon snel afnam en op een laag niveau bleef.
Inzicht in het kooldioxidegehalte van de vroege atmosfeer is van cruciaal belang om de klimaatbeheersing te begrijpen. Twee tegenstrijdige kampen hebben ideeën naar voren gebracht over hoe dit proces werkt. De eerste groep beweert dat de temperatuur en het kooldioxidegehalte op aarde werden beheerst door anorganische geochemische terugkoppelingen; de tweede groep beweert dat zij werden beheerst door biologische verwijdering.
James C.G. Walker, James F. Kasting en Paul B. Hays, destijds verbonden aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, stelden het anorganische model voor in 1981. Zij stelden dat de niveaus van het gas aan het begin van het Archeïcum hoog waren en niet scherp daalden. Het trio suggereerde dat naarmate het klimaat opwarmde, er meer water verdampte en de hydrologische cyclus krachtiger werd, waardoor de neerslag en de afvloeiing toenamen. De kooldioxide in de atmosfeer vermengde zich met regenwater tot koolzuur, waardoor mineralen aan het oppervlak bloot kwamen te staan aan verwering. Silicaatmineralen vermengden zich met de koolstof die zich in de atmosfeer bevond en legden die vast in sedimentaire gesteenten. Minder koolstofdioxide in de atmosfeer betekende op zijn beurt minder broeikaseffect. Het anorganische negatieve terugkoppelingsproces compenseerde de toename van zonne-energie.
Deze oplossing staat in contrast met een tweede paradigma: biologische verwijdering. Een theorie van James E. Lovelock, de grondlegger van de Gaia-hypothese, ging ervan uit dat fotosynthetiserende micro-organismen, zoals fytoplankton, zeer productief zouden zijn in een omgeving met veel kooldioxide. Deze wezens onttrekken langzaam kooldioxide aan de lucht en de oceanen en zetten het om in calciumcarbonaat sedimenten. Critici antwoordden dat fytoplankton niet eens was geëvolueerd gedurende het grootste deel van de tijd dat er leven op aarde is geweest. (De Gaia-hypothese stelt dat het leven op aarde het vermogen heeft om de temperatuur en de samenstelling van het aardoppervlak te reguleren en het comfortabel te houden voor levende organismen.)
In het begin van de jaren negentig stelden Tyler Volk van de New York University en David W. Schwartzman van de Howard University een andere Gaiaanse oplossing voor. Zij merkten op dat bacteriën het kooldioxidegehalte in de bodem verhogen door organisch materiaal af te breken en door humuszuren te produceren. Beide activiteiten versnellen de verwering, waardoor kooldioxide aan de atmosfeer wordt onttrokken. Op dit punt wordt de controverse echter acuut. Sommige geochemici, onder wie Kasting, nu aan de Pennsylvania State University, en Holland, stellen dat leven weliswaar verantwoordelijk is voor een deel van de verwijdering van kooldioxide na het Archeon, maar dat anorganische geochemische processen het grootste deel van de sekwestratie kunnen verklaren. Deze onderzoekers zien het leven als een tamelijk zwak klimaatstabiliserend mechanisme voor het grootste deel van de geologische tijd.
Zuurstof uit algen
Het vraagstuk van de koolstof blijft van cruciaal belang voor de wijze waarop het leven de atmosfeer heeft beïnvloed. Koolstofbegraving is een sleutel tot het vitale proces van opbouw van atmosferische zuurstofconcentraties – een eerste vereiste voor de ontwikkeling van bepaalde levensvormen. Bovendien is de opwarming van de aarde nu het gevolg van het vrijkomen van deze koolstof door de mens. Gedurende een miljard of twee miljard jaar produceerden algen in de oceanen zuurstof. Maar omdat dit gas zeer reactief is en omdat er veel gereduceerde mineralen in de oude oceanen waren – ijzer bijvoorbeeld wordt gemakkelijk geoxideerd – raakte veel van de door levende wezens geproduceerde zuurstof eenvoudigweg op voordat het de atmosfeer kon bereiken, waar het gassen zou hebben aangetroffen die ermee zouden reageren.
Zelfs als evolutionaire processen in dit anaerobe tijdperk tot meer gecompliceerde levensvormen hadden geleid, zouden zij geen zuurstof hebben gehad. Bovendien zou ongehinderd ultraviolet zonlicht hen waarschijnlijk hebben gedood als ze de oceaan hadden verlaten. Onderzoekers zoals Walker en Preston Cloud, destijds aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, hebben gesuggereerd dat pas ongeveer twee miljard jaar geleden, nadat de meeste gereduceerde mineralen in de zee waren geoxideerd, atmosferische zuurstof zich ophoopte. Tussen één en twee miljard jaar geleden bereikte de zuurstof het huidige niveau, waardoor een niche ontstond voor evoluerend leven.
Door de stabiliteit van bepaalde mineralen, zoals ijzeroxide of uraniumoxide, te onderzoeken, heeft Holland aangetoond dat het zuurstofgehalte van de Archeaanse atmosfeer vóór twee miljard jaar geleden laag was. Men is het er grotendeels over eens dat het huidige zuurstofgehalte van 20 procent het resultaat is van fotosynthetische activiteit. De vraag is echter of het zuurstofgehalte in de atmosfeer in de loop van de tijd geleidelijk of plotseling is toegenomen. Recente studies wijzen uit dat de toename van zuurstof abrupt begon tussen 2,1 en 2,03 miljard jaar geleden en dat de huidige situatie 1,5 miljard jaar geleden werd bereikt.
De aanwezigheid van zuurstof in de atmosfeer had nog een belangrijk voordeel voor een organisme dat aan of boven de oppervlakte trachtte te leven: het lterde ultraviolette straling. Ultraviolette straling breekt veel moleculen af, van DNA en zuurstof tot de chloorkoolwaterstoffen die betrokken zijn bij de afbraak van ozon in de stratosfeer. Zulke energie splitst zuurstof in de zeer onstabiele atomaire vorm O, die zich weer kan verbinden tot O2 en tot de zeer speciale molecule O3, of ozon. Ozon absorbeert op zijn beurt ultraviolette straling. Pas toen er voldoende zuurstof in de atmosfeer was om de vorming van ozon mogelijk te maken, kreeg het leven zelfs maar een kans om voet aan de grond te krijgen. Het is geen toeval dat de snelle evolutie van het leven van prokaryoten (eencellige organismen zonder kern) naar eukaryoten (eencellige organismen met een kern) naar metazoa (meercellige organismen) plaatsvond in het miljarden jaren durende tijdperk van zuurstof en ozon.
Hoewel de atmosfeer in deze periode een vrij stabiel zuurstofniveau bereikte, was het klimaat nauwelijks uniform. Er waren lange fasen van relatieve warmte of koelte tijdens de overgang naar de moderne geologische tijd. De samenstelling van fossiele plankton-schelpen die in de buurt van de oceaanbodem leefden, geeft een maat voor de temperatuur van het bodemwater. De gegevens wijzen erop dat het bodemwater in de afgelopen 100 miljoen jaar met bijna 15 graden Celsius is afgekoeld. Het zeeniveau daalde met honderden meters, en continenten dreven uit elkaar. Binnenzeeën verdwenen grotendeels, en het klimaat koelde gemiddeld 10 tot 15 graden af. Ongeveer 20 miljoen jaar geleden lijkt zich permanent ijs te hebben opgebouwd op Antarctica.
Ongeveer twee tot drie miljoen jaar geleden begint het paleoklimatologisch archief significante uitbreidingen en inkrimpingen van warme en koude perioden te vertonen in cycli van zo’n 40.000 jaar. Deze periodiciteit is interessant omdat zij overeenkomt met de tijd die de aarde nodig heeft om een oscillatie van de schuine stand van haar rotatieas te voltooien. Er is lang gespeculeerd, en onlangs berekend, dat bekende veranderingen in de geometrie van de baan de hoeveelheid zonlicht die tussen winter en zomer binnenkomt met ongeveer 10% zou kunnen veranderen en verantwoordelijk zou kunnen zijn voor het beginnen of eindigen van ijstijden.
De warme hand van de mens
Het meest interessant en verbijsterend is de ontdekking dat tussen 600.000 en 800.000 jaar geleden de dominante cyclus overschakelde van perioden van 40.000 jaar naar intervallen van 100.000 jaar met zeer grote uctuaties. De laatste grote fase van ijstijd eindigde ongeveer 10.000 jaar geleden. Op zijn hoogtepunt 20.000 jaar geleden bedekten ijskappen van ongeveer twee kilometer dik een groot deel van Noord-Europa en Noord-Amerika. Gletsjers breidden zich uit op hoogvlakten en bergen over de hele wereld. Er werd genoeg ijs op het land vastgehouden om de zeespiegel meer dan 100 meter te doen dalen tot onder het huidige niveau. Enorme ijskappen schraapten het land en veranderden het ecologische gezicht van de aarde, die gemiddeld ve graden C koeler was dan nu.
De precieze oorzaken van de langere intervallen tussen warme en koude perioden zijn nog niet opgehelderd. Vulkaanuitbarstingen kunnen een belangrijke rol hebben gespeeld, zoals blijkt uit het effect van El Chichón in Mexico en de berg Pinatubo op de Filippijnen. Tectonische gebeurtenissen, zoals de ontwikkeling van de Himalaya, kunnen van invloed zijn geweest op het wereldklimaat. Zelfs de inslag van kometen kan klimatologische tendensen op korte termijn beïnvloeden met catastrofale gevolgen voor het leven. Het is opmerkelijk dat ondanks gewelddadige, episodische verstoringen, het klimaat voldoende gebufferd is geweest om het leven gedurende 3,5 miljard jaar in stand te houden.
Een van de meest cruciale klimatologische ontdekkingen van de afgelopen 30 jaar is afkomstig van ijskernen in Groenland en Antarctica. Wanneer sneeuw op deze bevroren continenten valt, wordt de lucht tussen de sneeuwkorrels opgesloten in de vorm van luchtbellen. De sneeuw wordt geleidelijk samengeperst tot ijs, samen met de ingesloten gassen. Sommige van deze gegevens gaan meer dan 500.000 jaar terug in de tijd; wetenschappers kunnen de chemische inhoud van ijs en bellen analyseren uit delen van het ijs die zo diep liggen als 3.600 meter onder het oppervlak.
De ijsboringen hebben vastgesteld dat de lucht die de oude Egyptenaren en Anasazi Indianen inademden, sterk leek op de lucht die wij vandaag inademen – met uitzondering van een groot aantal luchtverontreinigende stoffen die in de afgelopen 100 of 200 jaar zijn toegevoegd. De belangrijkste van deze toegevoegde gassen, of verontreinigende stoffen, zijn extra kooldioxide en methaan. Sinds ongeveer 1860 – het begin van de industriële revolutie – is het kooldioxidegehalte in de atmosfeer met meer dan 30% gestegen ten gevolge van industrialisatie en ontbossing; het methaangehalte is meer dan verdubbeld ten gevolge van landbouw, landgebruik en energieproductie. Het vermogen van verhoogde hoeveelheden van deze gassen om warmte vast te houden is wat de bezorgdheid over klimaatverandering in de 21e eeuw aanwakkert.
De ijskernen hebben aangetoond dat aanhoudende natuurlijke snelheden van wereldwijde temperatuursverandering typisch ongeveer één graad C per millennium bedragen. Deze verschuivingen zijn nog steeds significant genoeg om radicaal te hebben veranderd waar soorten leven en om mogelijk te hebben bijgedragen aan het uitsterven van charismatische megafauna zoals mammoeten en sabeltandtijgers. Maar een zeer bijzonder verhaal uit de ijskernen is niet de relatieve stabiliteit van het klimaat gedurende de afgelopen 10.000 jaar. Het blijkt dat er tijdens het hoogtepunt van de laatste ijstijd, 20.000 jaar geleden, 50 procent minder kooldioxide en minder dan de helft minder methaan in de lucht was dan tijdens ons tijdperk, het Holoceen. Deze bevinding suggereert een positieve terugkoppeling tussen kooldioxide, methaan en klimaatveranderingen.
De redenering die het idee van dit destabiliserende terugkoppelingssysteem ondersteunt, gaat als volgt. Toen de wereld kouder was, was er minder concentratie broeikasgassen, en werd er dus minder warmte vastgehouden. Toen de aarde opwarmde, steeg het kooldioxide- en methaangehalte, waardoor de opwarming versnelde. Als het leven al een rol heeft gespeeld in dit verhaal, dan is het eerder de drijvende kracht geweest achter de klimaatverandering dan dat het zich ertegen heeft verzet. Het lijkt steeds waarschijnlijker dat de mens, toen hij deel ging uitmaken van deze cyclus, ook heeft bijgedragen tot de versnelde opwarming. Deze opwarming is vooral uitgesproken sedert het midden van de jaren 1800 als gevolg van de uitstoot van broeikasgassen door industrialisatie, veranderingen in het landgebruik en andere verschijnselen. Maar ook hier blijven onzekerheden bestaan.
Niettemin zijn de meeste wetenschappers het erover eens dat het leven wel eens de voornaamste factor zou kunnen zijn in de positieve terugkoppeling tussen klimaatsverandering en broeikasgassen. Aan het eind van de 20e eeuw was er een snelle stijging van de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak. De periode vanaf de jaren tachtig was zelfs de warmste van de afgelopen 2000 jaar. Negentien van de 20 warmste gemeten jaren zijn sinds 1980 opgetreden, en de 12 warmste zijn allemaal sinds 1990 opgetreden. Het jaar met de hoogste temperatuur ooit was 1998, en 2002 en 2003 stonden respectievelijk op de tweede en derde plaats. Er zijn goede redenen om aan te nemen dat het decennium van de jaren negentig nog warmer zou zijn geweest als de Mount Pinatubo niet was uitgebarsten: deze vulkaan bracht genoeg stof in de hoge atmosfeer om wat invallend zonlicht tegen te houden, waardoor de aarde een paar tienden van een graad afkoelde gedurende een aantal jaren.
Kan de opwarming van de afgelopen 140 jaar op natuurlijke wijze zijn ontstaan? Met steeds grotere zekerheid is het antwoord nee.
Het kader rechts toont een opmerkelijke studie die probeerde het temperatuurrecord van het noordelijk halfrond een volle 1000 jaar naar achteren te schuiven. Klimatoloog Michael Mann van de Universiteit van Virginia en zijn collega’s voerden een complexe statistische analyse uit van zo’n 112 verschillende factoren die verband houden met de temperatuur, waaronder boomringen, de omvang van berggletsjers, veranderingen in koraalriffen, zonnevlekkenactiviteit en vulkanisme.
Het resulterende temperatuurrecord is een reconstructie van wat zou zijn verkregen als er metingen op basis van thermometers beschikbaar waren geweest. (Voor de jaren na 1860 zijn werkelijke temperatuurmetingen gebruikt.) Zoals blijkt uit het betrouwbaarheidsbereik, is er een aanzienlijke onzekerheid in elk jaar van deze 1.000-jarige temperatuurreconstructie. Maar de algemene trend is duidelijk: een geleidelijke temperatuurdaling gedurende de eerste 900 jaar, gevolgd door een sterke temperatuurstijging in de 20e eeuw. Deze grafiek suggereert dat het decennium van de negentiger jaren niet alleen het warmste van de eeuw was, maar van het hele afgelopen millennium.
Door de overgang te bestuderen van de atmosfeer met veel kooldioxide en weinig zuurstof in het Archeon naar het tijdperk van grote evolutionaire vooruitgang ongeveer een half miljard jaar geleden, wordt duidelijk dat leven een factor kan zijn geweest in de stabilisatie van het klimaat. In een ander voorbeeld – tijdens de ijstijden en interglaciale cycli – lijkt het leven de tegenovergestelde functie te hebben gehad: het versnellen van de verandering in plaats van deze te verminderen. Deze observatie heeft een van ons (Schneider) ertoe gebracht te beweren dat klimaat en leven een co-evolutie hebben doorgemaakt in plaats van dat het leven uitsluitend als negatieve terugkoppeling op het klimaat fungeert.
Als wij mensen onszelf als deel van het leven beschouwen – dat wil zeggen als deel van het natuurlijke systeem – dan zou men kunnen stellen dat onze collectieve invloed op de aarde betekent dat wij een significante co-evolutieve rol in de toekomst van de planeet hebben. De huidige tendensen van bevolkingsgroei, de vraag naar een hogere levensstandaard en het gebruik van technologie en organisaties om deze op groei gerichte doelstellingen te bereiken, dragen alle bij tot vervuiling. Wanneer de prijs van vervuiling laag is en de atmosfeer wordt gebruikt als een gratis riool, kunnen kooldioxide, methaan, chloorkoolwaterstoffen, stikstofoxiden, zwaveloxiden en andere giftige stoffen zich ophopen.
Drastische veranderingen in het verschiet
In HET VERSLAG Klimaatverandering 2001 schatten klimaatdeskundigen van het Intergovernmental Panel on Climate Change dat de wereld tegen 2100 tussen 1,4 en 5,8 graden C zal zijn opgewarmd. Het milde eind van die marge – een opwarming van 1,4°C per 100 jaar – is nog steeds 14 keer sneller dan de 1°C per 1000 jaar die historisch gezien de gemiddelde snelheid van natuurlijke verandering op wereldschaal is geweest. Mocht het hoogste niveau worden bereikt, dan zou het klimaat bijna 60 keer zo snel kunnen veranderen als het natuurlijke gemiddelde, wat zou kunnen leiden tot veranderingen die velen als gevaarlijk zouden beschouwen. Veranderingen in dit tempo zouden veel soorten vrijwel zeker dwingen om te proberen hun verspreidingsgebied te verleggen, net zoals zij dat deden tijdens de overgang tussen ijstijd en interglaciaal tussen 10.000 en 15.000 jaar geleden. Niet alleen zouden soorten 14 tot 60 maal sneller moeten reageren op klimaatveranderingen, maar slechts weinigen zouden nog ongestoorde, open trekroutes hebben zoals aan het eind van de ijstijd en het begin van het interglaciale tijdperk. De negatieve effecten van deze aanzienlijke opwarming – op gezondheid, landbouw, kustgeografie en erfgoedsites, om er maar een paar te noemen – zouden ook ernstig kunnen zijn.
Om de cruciale projecties van toekomstige klimaatveranderingen te maken die nodig zijn om het lot van ecosystemen op aarde te begrijpen, moeten we door land, zee en ijs graven om zoveel mogelijk te weten te komen van geologische, paleoklimatologische en paleoecologische verslagen als we kunnen. Deze gegevens vormen de achtergrond waartegen we de ruwe instrumenten kunnen ijken die we moeten gebruiken om in een duistere milieu-toekomst te turen, een toekomst die in toenemende mate door ons wordt beïnvloed.
De AUTEURS
CLAUDE J. ALLGRE en STEPHEN H. SCHNEIDER bestuderen verschillende aspecten van de geologische geschiedenis van de aarde en haar klimaat. Allgre is hoogleraar aan de Universiteit van Parijs en leidt de afdeling geochemie van het Parijse Geofysisch Instituut. Hij is buitenlands lid van de Nationale Academie van Wetenschappen. Schneider is hoogleraar aan de afdeling biologische wetenschappen van de Stanford-universiteit en mededirecteur van het Centrum voor milieuwetenschappen en -beleid. Hij werd in 1992 onderscheiden met een MacArthur Prize Fellowship en in 2002 verkozen tot lid van de National Academy of Sciences.