Om erachter te komen hoe het zonnestelsel er miljoenen jaren geleden uitzag, moet je niet naar boven kijken, maar juist naar beneden. Oeroude aardlagen bevatten namelijk sporen van vroegere klimaatveranderingen, die het gevolg waren van duw- en trekwerk van andere hemellichamen.
De zogenoemde Carinanevel gezien door ruimtetelescoop James Webb.
Wikimedia commons, NASA/ESA/STScI via publiek domeinAls je naar de sterren kijkt, kijk je terug in de tijd. Dit onvoorstelbare gegeven heeft het niet voor niets geschopt tot prominente regel in de hit Sterrenstof van de Jeugd van Tegenwoordig. Het is een van de redenen dat sterrenkunde voor velen tot de verbeelding spreekt. Dankzij onder meer ruimtetelescoop James Webb kijken de sterrenkundigen van tegenwoordig zelfs meer dan 13 miljard jaar terug in de tijd. Ze zien het heelal zoals het er vlak na de oerknal uitzag.
Deze kosmische tijdmachine heeft alleen één beperking: om ver terug in de tijd te kijken moet je ook ver het heelal in kijken. Je kunt dus alleen van verre sterrenstelsels zien hoe ze er miljarden jaren geleden uitzagen. De geschiedenis van onze eigen omgeving is een stuk lastiger te achterhalen. Als Neptunus op zijn verst staat, zie je hem zoals hij er vier uur geleden uitzag. Verder dan een paar uur terugkijken zit er voor het zonnestelsel dus niet in. Terwijl juist inzicht in de vroegere stand van de maan en de planeten van groot belang is om de oorsprong van de aarde en het leven erop te begrijpen.
We kunnen wel op basis van de huidige beweging van hemellichamen terugrekenen hoe de situatie vroeger moet zijn geweest. Alleen is die beweging op grote tijdschalen altijd chaotisch. Wil je miljoenen of zelfs miljarden jaren terugkijken in de tijd, dan worden de computermodellen onbetrouwbaar. “Astronomen kunnen nu tot ongeveer 60 miljoen jaar terug in de tijd heel nauwkeurige berekeningen maken”, zegt Margriet Lantink, geoloog aan de Amerikaanse University of Wisconsin-Madison. “Maar het is ook aangetoond dat ze eigenlijk niet verder terug kunnen rekenen.”
Verder dan een paar uur terugkijken naar ons zonnestelsel is niet mogelijk.
FreepikBeestjes
Gelukkig is er naast modelleren nog een manier om de geschiedenis van het zonnestelsel in kaart te brengen. Daarvoor moet je gek genoeg niet naar boven kijken, maar juist naar beneden. “Aardlagen zijn een soort indirect astronomisch observatorium”, zegt Lantink. “Om iets te leren over de langetermijneffecten van sterrenkundige verschijnselen, moeten we kijken naar de geologie.”
In de aarde kun je namelijk sporen vinden van vroegere klimaatveranderingen. Je kunt bijvoorbeeld in een oude aardlaag fossielen vinden van beestjes die alleen in een koud klimaat leven. Als je die beestjes in een iets minder oude laag niet terugvindt, moet het gebied in de tussentijd zijn opgewarmd. Ook kunnen algemenere patronen in de samenstelling van gesteente wijzen op klimaatveranderingen.
Duw- en trekwerk
Een plotselinge klimaatverandering kan allerlei oorzaken hebben: een grote vulkaanuitbarsting, een meteorietinslag, noem maar op. Maar als er een regelmatig patroon zit in klimaatveranderingen, hebben die mogelijk een astronomische oorsprong. We weten namelijk dat de baan van de aarde rond de zon en de stand van de aardas op grote tijdschalen – tien- tot honderdduizenden jaren – periodiek verandert. Dat komt vooral door duw- en trekwerk van de maan en andere planeten. Die staan soms dichterbij dan anders, zodat ze via de zwaartekracht wat harder aan de aarde trekken.
Ongeveer honderd jaar geleden ontwikkelde de Servische wiskundige Milutin Milanković de theorie dat deze periodieke veranderingen tot klimaatverandering leiden. Vijftig jaar later werd de theorie van de Milanković-cycli experimenteel bewezen. Niet dankzij sterrenkundigen, maar dankzij geologen en paleoklimatologen. “In grote expedities gingen wetenschappers onder de diepzee boren. Toen vonden ze hele mooie regelmatige afwisselingen in sedimenten, die daar honderdduizenden jaren lang onverstoord neer waren gedwarreld”, zegt Lantink.
Patronen
In aardlagen kun je dus bewijs vinden voor periodieke klimaatveranderingen. Door de ouderdom van deze lagen vast te stellen, weet je dan wanneer en op welke tijdschalen die klimaatveranderingen ongeveer plaatsvonden. Die informatie kun je vergelijken met astronomische modellen, die een schatting geven van de tijdsperiode waarin de baan van de aarde rond de zon bijvoorbeeld verder uitgerekt was dan nu.
Zo kun je geologische informatie benutten om de modellen van het zonnestelsel, die steeds onnauwkeuriger worden naarmate je verder terug in de tijd gaat, aan te scherpen. Nauwkeurigere computermodellen kunnen dan weer helpen om patronen in aardlagen beter te interpreteren. Dankzij die wisselwerking tussen astronomie en geologie zijn de ijstijden van de afgelopen twee miljoen jaar bijvoorbeeld gelinkt aan veranderingen in de hoeveelheid zonlicht die op aarde terechtkwam.
Vorig jaar ontdekte Lantink sporen van periodieke klimaatveranderingen in 2,5 miljard jaar oude gesteentelagen in West-Australië. Tussen de veranderingen zat relatief weinig tijd. Dat bewees dat de precessie van de aarde – oftewel zijn tolbeweging, een van de Milanković-cycli – destijds sneller ging dan nu. “Het was al bekend dat de precessie in het verre verleden anders moet zijn geweest dan nu. Maar eigenlijk waren er weinig tot geen betrouwbare manieren om dat vast te stellen”, zegt Lantink. “Men wist niet dat er zulke oude aardlagen bestaan waarvan de kwaliteit nog steeds goed genoeg is om er patronen in te ontdekken.”
De Joffre Gorge in het Karijini Nationaal Park in West-Australië, waar Lantink en haar team bewijs vonden voor de aanwezigheid van Milankovitch-cycli in rotsformaties van 2,46 miljard jaar oud.
Greg JackMaan
Bij astronomische oorzaken van klimaatverandering denk je natuurlijk meteen aan de zon. Maar in dit geval was de maan de boosdoener. De snellere tolbeweging kwam doordat de maan 2,5 miljard jaar geleden een stuk dichter bij de aarde stond dan nu. Die nabijheid van de maan had ook gevolgen voor de draaiing van de aarde rond zijn eigen as. Lantinks team concludeerde dat die toen een stuk sneller ging dan nu, zodat een dag destijds geen 24 uur, maar slechts 17 uur duurde.
Die conclusie helpt bij het oplossen van een raadsel over het verleden van de maan. Volgens de gangbare theorieën is de maan ooit uit de aarde ontstaan, toen daar een planeetachtig object ter grootte van Mars op knalde. Sindsdien drijft onze kosmische kompaan steeds verder bij ons vandaan.
Dankzij spiegels die de Apollo-astronauten op de maan hebben geplaatst, weten we hoe snel de maan de afgelopen zestig jaar van ons af is bewogen. Trek je dat door, dan kun je inschatten wanneer hij van de aarde is losgebroken.
Maar als je dat doet, kom je uit op zo’n 1,5 miljard jaar geleden. We bezitten echter, wederom dankzij de Apollo-missies, maanstenen van pakweg 4,5 miljard jaar oud, die pas kunnen zijn gevormd toen de maan al los van de aarde was. De maan moet vroeger dus langzamer van de aarde zijn weg bewogen dan nu. “Zijn vroegere traject is heel ingewikkeld te modelleren, omdat het van heel veel verschillende dingen afhangt”, zegt Lantink. Daarom hebben computermodellen extra datapunten uit het verleden nodig als houvast. Lantinks onderzoek voorziet ze van die datapunten.
Andersom kunnen nieuwe, onafhankelijke modellen haar resultaten ook weer ondersteunen. “Tegelijk met mijn artikel verscheen er een artikel waarin astronomen een verbeterd model presenteerden van de evolutie van het aarde-maansysteem. Hun resultaten kwamen exact overeen met die van ons. Dat kan nog steeds toeval zijn, maar zo’n onafhankelijke bevestiging is wel heel erg leuk”, zegt Lantink.
De maan bewoog vroeger langzamer van de aarde af dan nu.
NASA, Bill Anders,Wikimedia Commons via publiek domeinEffect op leven
Zo leggen aardlagen periodieke klimaatveranderingen bloot die inzicht geven in het vroegere zonnestelsel. Maar de schep graaft aan twee kanten. Dergelijk onderzoek geeft ook inzicht in het vroegere klimaat op aarde. Dat kan helpen bij inschatten van de gevolgen van de huidige, door de mens veroorzaakte klimaatverandering. Want hoewel de vroegere klimaatveranderingen veel langzamer plaatsvonden, kunnen we er volgens Lantink toch lering uit trekken. “Het onderzoek laat zien dat relatief beperkte schommelingen in de stand van de aardas en de baan van de aarde heel grote veranderingen kunnen veroorzaken in de omstandigheden op aarde. Die hebben veel effect op de evolutie van leven.”
De ijstijden hebben bijvoorbeeld invloed gehad op de migratie van de eerste mensachtigen uit Afrika, zegt ze. “Na de laatste ijstijd is de zeespiegel met enkele meters per eeuw gestegen, alleen maar door die astronomische effecten. Dus kun je je voorstellen wat de huidige, enorm veel snellere opwarming voor effect gaat hebben.”
De aarde van nu toont dus de hemel van vroeger, en tegelijk ook de aarde van vroeger. Dat geeft dan weer inzicht in de aarde van de toekomst. Sterrenkundigen kijken terug in de tijd, maar geologen zijn de ultieme tijdreizigers.