De stijgende wereldtemperatuur van vandaag de dag geeft aanleiding tot (intenties tot) politieke verdragen om de koolstofdioxide (CO₂) uitstoot te reduceren zoals het onlangs getekende verdrag van Bali. Een vergelijkbare situatie waarbij een versterkt broeikaseffect optrad vond 55 miljoen jaar geleden plaats. Een verhoogde CO₂ concentratie veroorzaakt door vulkanisme zou methaan (ook een broeikasgas), opgeslagen bevroren toestand in ondiepe zeebodems, in de atmosfeer hebben gebracht na verwarming. De temperatuursstijging kwam hierdoor uit op ongeveer 8° C over een periode van ongeveer 6000 jaar. Onderzoeker Appy Sluijs van de Universiteit Utrecht en collega’s hebben voor het eerst deze kettingreactie aangetoond op basis van boorkernen uit New Jersey (V.S.). De publicatie verscheen in het wetenschappelijke weekblad Nature.

Klimaatsmaximum

De periode rond 55 miljoen jaar geleden valt samen met de overgang van het Paleoceen naar het Eoceen. Al langer is bekend dat dit een periode is geweest van een hoge concentratie van broeikasgassen. Een hoge temperatuur werd aangetoond door de aanwezigheid van de tropische, eencellige alg Apectodinium in de Noordelijke IJszee in deze tijd. Krokodillen in Canada, palmachtige planten in Groenland en nijlpaarden op Spitsbergen zijn ook bewijzen van een warme periode. De temperatuur in de Noordelijke IJszee zou zelfs gestegen zijn tot 24° C, ongekend hoog. Deze periode van extreme warmte wordt het ‘Paleocene-Eocene Thermal Maximum’ (PETM) genoemd, een klimaatsmaximum.

Apectodinium

Van de alg Apectodinium zijn overblijfselen gevonden van omhulsels die gevormd zijn in periodes van voedselschaarste of weinig licht in de oceaan. Bijvoorbeeld, na een algenbloei is er relatief weinig zuurstof beschikbaar en maken deze eencelligen een omhulsel, een ‘cyst’, om in te overleven. Als de omstandigheden gunstiger zijn komen ze weer uit hun cyst en gaat de normale levenscyclus weer verder. Het organisme zelf blijft niet bewaard. De organische cyst is zeer resistent tegen afbraak en blijft daarom goed bewaard. Ook hebben de cysts een kenmerkende vorm per soort terwijl de soorten en hoeveelheden daarvan vaak informatie geven over de temperatuur van het oceaanwater.

Resultaten van de studie

Om beter inzicht te krijgen in de opeenvolging van reacties zijn sedimentopeenvolgingen uit boorkernen van de oostkust van de Verenigde Staten (New Jersey) bestudeerd. Hieraan zijn koolstofmetingen, temperatuurreconstructies en een studie aan de hoeveelheden Apectodinium gedaan. Veranderingen van koolstofwaarden reflecteren vaak veranderingen in het klimaat. De temperatuur en de hoeveelheden van Apectodinium blijken eerder te veranderen dan de koolstofwaarden, gemiddeld een paar duizend jaar eerder dan de abrupte verandering in koolstofwaarden. Sedimenten uit de Noordzee laten ook zien dat de hoeveelheid Apectodinium eerder verandert dan de koolstofwaarden. Dit bewijst dat dit een wereldwijde verandering is.

Vulkanisme en CO2

Hoe zijn al deze resultaten nu te verklaren? Vulkanen lijken één sleutel te zijn voor de oplossing. Vulkanen produceren naast lava ook gassen. Eén van deze gassen is het broeikasgas CO₂. Met andere woorden: een verhoogde vulkanische activiteit zorgt voor een toename van CO₂ in de atmosfeer. De theorie is dat de vulkanische activiteit toenam gedurende het Paleoceen. Hierdoor steeg de temperatuur op aarde al naar 27° C. Dit is te koppelen aan de genoemde temperatuurreconstructies en de veranderingen in de hoeveelheden van Apectodinium in noordelijke oceanen.

Methaan

De abrupte verandering in koolstofwaarden hangt waarschijnlijk samen met een plotseling vrijkomen van grote hoeveelheden methaan (CH₄). De bron hiervan is waarschijnlijk het methaan-hydraten reservoir. Dit methaan zat ingesloten in ijs in ondiepe bodems van oceaan. Het opgewarmde oceaanwater door de verhoogde CO₂.concentratie kwam pas na enkele duizenden jaren bij de zeebodem. Hierdoor kwam het methaan vrij en kwam als gas in de atmosfeer terecht. CH₄ is een zeer sterk broeikasgas, ongeveer 10 keer zo sterk als CO₂. Hierdoor steeg de temperatuur naar recordwaarden.

De hierboven beschreven kettingreactie is een scenario dat niet alleen 55 miljoen jaar geleden heel waarschijnlijk heeft plaatsgevonden maar ook in de toekomst mogelijk is. Immers, ook nu hebben we te maken met een periode van snel stijgende temperaturen. Ook de hoeveelheden CO₂ dat we met zijn allen in de atmosfeer brengen is vergelijkbaar met 55 miljoen geleden. En ook nu zijn er methaanhydraten opgeslagen in oceaanbodems maar ook in de Siberische en Noord-Amerikaanse permafrost (bevroren bodems). Eén ding is zeker: als de methaanhydraten te warm worden en smelten waardoor CH₄ vrijkomt dan zal het grote gevolgen hebben voor de hele wereld…

Referentie:

Sluijs, A., Brinkhuis, H., Schouten, S., Bohaty, S.M., John, C.M., Zachos, J.C., Reichart, G., Sinninghe Damste, J., Crouch, E.M. & Dickens, G.R., 2007. Environmental precursors to rapid light carbon injection at the Palaeocene/Eocene boundary. Nature 450: 1218-1222. doi:10.1038/nature06400 en ‘Supplementary Information’