Halverwege het interview heeft Arie van den Berg het tussen neus en lippen door over ‘experimenten met continenten.’ Pardon? Sinds wanneer worden er proeven gedaan met werelddelen? In het echt kan dat natuurlijk niet, maar in een computermodel doe je met een planeet wat je maar wilt, legt Van den Berg uit. Maak de kern wat heter, de korst wat dikker, stop er nog een mantelpluim extra in – bij de afdeling theoretische geofysica van de Universiteit Utrecht kan het allemaal. Als de uitkomsten van de simulatie een beetje op de werkelijkheid lijken, kloppen de aannames in het model misschien ook wel.

Erg gesimplificeerd

Het blijft frustrerend: terwijl astronomen onbelemmerd uitzicht hebben op sterrenstelsels die zich op tien miljard lichtjaar afstand bevinden, tasten de collega’s van de faculteit aardwetenschappen in het duister waar het gaat over de planeet onder onze voeten. In grote lijnen wordt de opbouw en de ‘werking’ van de aarde wel begrepen, maar de details zijn allesbehalve duidelijk.

Toch zouden sterrenkundigen en planethologen eens wat vaker aandacht moeten besteden aan recente ontwikkelingen in de geofysica, denkt Van den Berg. Want als ze het over het inwendige van een planeet hebben, wordt er wel héél erg gesimplificeerd. Neem Mars. Net als de aarde is die planeet heet geboren. Maar Mars is een stuk kleiner, en net zoals baby’s sneller onderkoeld raken dan volwassenen, zo straalt een klein planeetje zijn inwendige warmte sneller uit dan een grote. Conclusie: Mars is afgekoeld, en de geologische activiteit op de planeet moet lang geleden al tot stilstand zijn gekomen.

Maar Van den Berg is ervan overtuigd dat planethologen te simpele modellen hebben gebruikt. Volgens de Utrechtse onderzoekers vindt er ‘partiële smelt’ plaats in de mantel van Mars, en daardoor blijft het binnenste van de planeet veel langer heet. Vulkanisme is nog steeds mogelijk, en in de verre toekomst zou Mars ons nog wel eens voor verrassingen kunnen stellen.

Vorig jaar publiceerden Van den Berg en zijn collega’s (Bertram Schott uit Utrecht en David Yuen uit Minnesota) hun theorie in ‘Geophysical Research Letters.’ Op 14 maart gaf Van den Berg een presentatie op de 33ste Lunar and Planetary Science Conference in Houston, Texas. ‘Ik heb geen enkele negatieve reactie gehad,’ zegt hij, ‘maar ook niet veel positieve. Het zal nog wel een jaartje duren voordat dit wordt opgepikt.’

Trage convectie

Partiële smelt vindt plaats in een tientallen kilometers dikke zone in het buitenste deel van de mantel van de aarde. Gesteente uit het inwendige van de planeet komt langzaam omhoog als gevolg van trage convectie. Ondanks de hoge temperatuur is het gesteente op grote diepte vast, omdat de druk er zo gigantisch hoog is. Maar dichter bij het oppervlak is de druk lager, en beginnen sommige mineralen te smelten. De smelt heeft een lager soortelijk gewicht, stijgt naar het oppervlak, en stolt daar in een bazaltische korst, zoals die onder de oceanen voorkomt. Het niet -gesmolten residu blijft achter en fungeert als een theemuts, zodat een snelle afkoeling van het planeetinwendige wordt voorkomen.

Van den Bergs promotor Nico Vlaar was begin jaren tachtig een van de eersten die dit proces – indertijd nog een zuiver theoretisch idee – toepaste op de vroege geschiedenis van de aarde. De planeet was toen veel heter, zodat de partiële smeltlaag veel dikker geweest moet zijn: waarschijnlijk zo’n tweehonderd kilometer. Om die reden kan het proces van zeebodemspreiding en plaattektoniek, dat nu zo’n belangrijke rol in de geologie van de aarde speelt, lang geleden nooit hebben plaatsgevonden; daarvoor was die buitenste laag te dik en te stabiel.

‘Wanneer zeebodemspreiding op gang is gekomen, is een hot issue,’ zegt Van den Berg. ‘Waarschijnlijk zo’n tweeënhalf miljard jaar geleden, aan het begin van het Proterozoïcum. Maar de meningen hierover zijn sterk verdeeld.’ Toch lijdt het nauwelijks twijfel dat de partiële smeltlaag op enig moment dun genoeg begon te worden om plaattektoniek mogelijk te maken. Een belangrijke verandering, aldus Van den Berg, want momenteel vindt driekwart van het warmteverlies van de aarde plaats via zeebodemspreiding.

Computermodellen

De afgelopen tien jaar hebben Van den Berg en zijn collega’s zich beziggehouden met het ontwikkelen van computermodellen om deze processen beter te kwantificeren. Met de supercomputers van de Stichting Academisch Rekencentrum Amsterdam (SARA) of van het supercomputercentrum in Minnesota zijn ze in staat de grootschalige geologische evolutie van een planeet in een paar dagen ‘door te rekenen’. En al snel drong het besef door dat de modellen ook toegepast kunnen worden op andere planeten. Mars bijvoorbeeld.

Mars is kleiner dan de aarde, heeft een lagere oppervlaktezwaartekracht, en een geringer drukverloop in het inwendige. De partiële smeltlaag is daardoor veel en veel dikker; misschien wel zevenhonderd kilometer. ‘De bazaltische korst van Mars is daardoor ook veel dikker dan die van de aarde,’ zegt Van den Berg, ’zo’n veertig tot tachtig kilometer, zo blijkt uit zwaartekrachtmetingen. Op aarde is de korst gemiddeld maar zeven kilometer dik.’

Het ‘theemuts-effect’ van de dikke partiële smeltlaag heeft Mars behoed voor een te snelle afkoeling. Sterker: momenteel koelt de aarde sneller af dan Mars, aldus Van den Berg. De kleinere buurplaneet is naar alle waarschijnlijkheid nog steeds geologisch actief, en op plaatsen waar zich toevallig een krachtige, hete mantelpluim bevindt, zoals onder de Tharsis hoogvlakte, kan nog steeds vulkanisme voorkomen. Boven op de Tharsis rug liggen vier gigantische schildvulkanen, waarvan de meeste planeetonderzoekers aannemen dat ze al lang niet meer actief zijn. ‘Maar in ons model kan dat zo weer opnieuw beginnen,’ zegt Van den Berg. ‘Je kunt er bij wijze van spreken op wachten.’ Inderdaad blijkt uit recente foto’s die gemaakt werden door de ruimtesonde Mars Global Surveyor dat sommige lavastromen in het Tharsis gebied waarschijnlijk niet ouder zijn dan tien miljoen jaar, en mogelijk zelfs aanzienlijk jonger.

In de verre toekomst zal het inwendige van Mars toch verder afkoelen. Dat er ooit plaattektoniek op gang zal komen is niet waarschijnlijk; daarvoor zal de partiële smeltlaag vermoedelijk te stabiel blijven. Maar feit is wel dat het ontgassingsproces van Mars nog steeds niet is afgelopen. Wanneer in de toekomst grote hoeveelheden vluchtige stoffen vrijkomen, zoals kooldioxide en waterdamp, is een nieuwe klimaatomslag niet uitgesloten. ‘Het zou me niet verbazen als er over een paar honderd miljoen jaar weer een flinke plas water op Mars ligt,’ aldus Van den Berg.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 2 uit de jaargang 2003 van het blad Archimedes.