Methaanuitbarstingen hielden de aarde warm

Hoe kon de aarde aan het begin van het Eoceen tienduizenden jaren lang tropisch warm blijven? Door methaan dat uit de zeebodem omhoog kwam borrelen, schreven aardwetenschappers uit Utrecht en Noorwegen vorige week in PNAS.

door

Hyracotherium eohippus hharder

De Eohippus is een mini-paardje dat leefde gedurende de warme periode aan het begin van het Eoceen.

Omdat kleine dieren makkelijker afkoelen dan grote, hadden zij een evolutionair voordeel. Veel diersoorten krompen dus in deze periode. Heintich Harder (1858-1935), via Wikiemedia Commons, CC0, Public Domain 1.0

Toen het Paleoceen eindigde en het Eoceen begon, zo’n 56 miljoen jaar geleden, begon de temperatuur op de toch al warme aarde plotseling te stijgen. Binnen enkele duizenden jaren kwam er minimaal vijf graden Celcius bij. Het was het begin van een tropische periode die meer dan 80.000 jaar zou duren, de warmste periode uit de afgelopen 100 miljoen jaar.

Aardwetenschappers vragen zich al tijden af hoe de hoge temperaturen zo lang konden aanhouden. Nu lijkt er een antwoord te zijn op dat raadsel. De warmte werd vastgehouden door methaangas, dat vrijkwam bij grote gasuitbarstingen op de zeebodem voor de kust van Noorwegen. Dat schrijven geoloog Joost Frieling van de Universiteit Utrecht en vijf andere aardwetenschappers uit Utrecht en Noorwegen deze week in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.

Methaan

Methaan (CH4) is een broeikasgas dat tot 34 keer sterker is dan koolstofdioxide (CO2), maar ook sneller vervalt – na pakweg een eeuw is het grotendeels omgezet in CO2. Dat het gas miljoenen jaren geleden bij enorme methaanuitbarstingen uit de bodem van de Noordzee omhoog kwam was al bekend. De zeebodem is nog altijd bedekt met honderden kraters met doorsneden tot enkele kilometers, al zijn die inmiddels bedekt door een deken van sedimenten. Nu is echter voor het eerst vastgesteld wanneer deze explosies plaatsvonden – namelijk gedurende een periode van 50.000 jaar die kort na snelle temperatuurstijging begon.

Apectodinium 675

De Apectodinium augustum, in de verschijning van een cyste. Dit is een (sub)tropische dinoflagellatensoort die alleen voorkomt tijdens de warme periode aan de start van het Eoceen. Appy Sluijs, Universiteit Utrecht, CC1.0

“De methaanexplosies hebben de opwarming dus niet veroorzaakt”, zegt Frieling, “maar ze kunnen wel verklaren waarom het zo lang warm is gebleven.”

De onderzoekers maakten gebruik van gesteente dat was opgeboord uit een van de kraters, vanaf dieptes tot 3,5 kilometer. Uit het soort pollen en cysten (een ingekapselde overlevingsstand) van dinoflagellaten (een algensoort) die ze aantroffen in het opgeboorde gesteente, en de samenstelling ervan, konden ze opmaken wanneer de gasexplosies plaatsvonden.

Met behulp van computermodellen berekenden ze vervolgens of het gas dat bij die uitbarstingen moet zijn vrijgekomen de langdurige warmte zou kunnen verklaren. Volgens deze modellen moet in totaal 1500 tot 2250 miljard ton koolstof in de vorm van CO2 en methaangas de lucht in zijn gegaan, in acht tot twaalf korte pulsen in een periode van 50.000 jaar.

Vulkanisch actief

Het gebied waar de kraters zich bevinden was tijdens de overgang van het Paleoceen naar het Eoceen vulkanisch actief. Dat betekent echter niet dat de kraters van vulkaanuitbarstingen afkomstig zijn, benadrukt Frieling. Bij vulkaanuitbarstingen baant gesmolten gesteente zich een weg omhoog door de aardkorst; in dit geval ging het om zeewater en gas.

Bij Noorwegen verspreidde de hete magma zich op grote diepte in horizontale richting door de ondergrond en verhitte het gesteente eromheen, legt Frieling uit. Omdat dit gesteente rijk was aan organisch materiaal zoals plantenresten, vormden zich hierbij grote hoeveelheden methaangas. De druk in de bodem liep daardoor steeds verder op, tot het gas met gigantische ontploffingen vrijkwam. “Het is een verschijnsel dat moeilijk voor valt te stellen omdat het vandaag de dag nergens op aarde voorkomt”, zegt Frieling, “en dat is maar goed ook.”

Methaan

Thermogeen methaan is methaan dat ontstaat als gesteente dat organisch materiaal bevat sterk wordt verhit, bijvoorbeeld door hete magma in de omgeving. In de zee voor de kust van Noorwegen perste de hete magma zich in horizontale richting door het gesteente, om zo sills te vormen. Klik linksboven voor vergroting. Joost Frieling, Universiteit Utrecht,

Tegenwoordig

Toch komt het broeikasgas methaan ook tegenwoordig uit de grond omhoog, maar dan op het vaste land. In de permanent bevroren bodem (de permafrost) rondom de noordelijke ijszee ligt ongeveer 1500 miljard ton koolstof opgeslagen in de vorm van CO2 en methaan. De verwachting is dat vijf tot vijftien procent hiervan deze eeuw nog vrijkomt door het ontdooien van deze bodems, schreven andere geologen vorig jaar in Nature – als we de opwarming tenminste tot twee graden weten te beperken. Dat is een tiende tot een kwart van de totale uitstoot aan broeikasgassen.

“Dit biogene methaan – dat wordt gevormd door het rotten van plantenresten – kan dus al vrijkomen bij een paar graden opwarming”, zegt Frieling. “Bij Noorwegen ging het om thermogeen methaan, dat ontstaat bij sterke verhitting. Daar had klimaatverandering geen invloed op. Daar is echt vulkanische hitte voor nodig.”

En de start?

Op de vraag wat de start van de warme periode na het Paleoceen veroorzaakte, geeft het onderzoek van de Utrechtse wetenschappers geen antwoord. De kans is echter groot dat ook hierbij een broeikasgas als methaan in het spel was. Dat de koolstofconcentratie in de lucht snel toenam blijkt namelijk uit metingen aan koolstofisotopen in sedimenten uit die tijd.

Deze koolstof kan bijvoorbeeld zijn vrijgekomen uit de destijds ontdooiende, rottende permafrost van Antarctica, of uit methaanhydraten uit zee – een soort warm ijs, dat methaan binnen zijn kristalstructuur gevangen kan houden, en gevoelig is voor kleine temperatuurschommelingen.

Extra sterk

Ko van Huissteden, aardwetenschapper aan de Vrije Universiteit Amsterdam en zelf niet betrokken bij het onderzoek, spreekt van een interessant artikel. “Vooral ook vanwege het modelexperiment”, zegt hij. “De auteurs hebben ook geëxperimenteerd met verschillende isotopenverhoudingen in de mogelijke koolstofbronnen, en die met de metingen vergeleken. Dat maakt het verhaal extra sterk.”

Bron

  • Frieling e.a., Thermogenic methane release as a cause for the long duration of the PETM, PNAS Early edition, doi:10.1073/pnas.1603348113