Het Intergovernal Panel on Climate Change (IPCC) voorspelt dat in het jaar 2100 de CO₂ concentratie in de atmosfeer 1000 ppmV (aantal deeltjes per miljoen) zal bereiken tegen ongeveer 385 ppmV nu. En dat terwijl de CO₂ concentratie voor de industriele revolutie 280 ppmV was (Afb. 1). Deze stijging is vooral te wijten aan de verbranding van fossiele brandstoffen. Omdat CO₂ een broeikasgas is, zal een hogere concentratie in de atmosfeer een temperatuursstijging teweeg brengen, een trend die nu al te zien is. Bovendien laten computerberekeningen zien dat de kans op extreme weersomstandigheden (stormen, hevige regenval) zal stijgen, en dit kan zeker lokaal grote gevolgen hebben.

De opwarming van de aarde zal zorgen voor het smelten van de ijskappen (bijv. Groenland) en gletsjers, deze smeltende ijskappen op het land zullen voor een stijgende zeespiegel zorgen. Het IPCC kijkt vooral naar de veranderingen voor de komende 100 jaar, terwijl de gevolgen van de klimaatverandering zich op veel langere tijdsschalen manifesteren. Om alle gevolgen van de toekomstige klimaatveranderingen te voorspellen, zijn alleen computerberekeningen niet genoeg. Daarvoor weten we nog niet genoeg van het klimaatsysteem, zeker niet van een klimaatsysteem dat uit zijn evenwicht gebracht wordt door extreme toevoeging van CO₂.

Om toch te bepalen wat de aarde te wachten staat in de toekomst, onderzoeken wetenschappers de periode rondom 55 miljoen jaar geleden, de overgangsperiode tussen de tijdvakken Paleoceen en Eoceen. Door natuurlijke oorzaken liet de aarde een soort van ‘oerscheet’ waardoor de CO₂ concentratie snel 2 tot 3 keer hoger werd (de snelheid daarvan is te vergelijken met wat er nu gebeurt). Door de oerscheet steeg de wereldwijde temperatuur met 5-8°C. Deze periode wordt ook wel het Paleoceen-Eoceen Temperatuurs Maximum (PETM) genoemd en duurde ongeveer 170.000 jaar. Door deze tijdsperiode nauwkeurig te bestuderen kunnen we erachter komen hoe het klimaatsysteem en het leven op aarde reageerde op zo’n plotselinge uitstoot van CO₂ in de atmosfeer, en hoe lang het duurde voordat de CO₂ weer uit de atmosfeer was.

Klimaatonderzoek in het verre verleden: boren in zee

Toen de oerscheet plaatvond, bestond de mens nog niet en dus er zijn geen temperatuursmetingen beschikbaar. Het ‘archief’ waar we onze informatie over het klimaat uit halen licht diep opgeslagen op de bodem van de zeeën. Elk jaar wordt er op de zeebodem een laagje sediment afgezet bestaande uit zand, klei of kalkskeletjes (van bijv. dode microorganismen zoals foraminiferen) of een combinatie daarvan. Deze sedimentlagen bevatten informatie over de zeewatertemperatuur, pH, snelheid en richting van stromingen en de zeediepte.

Deze informatie is de basis voor het reconstrueren van het klimaat. Het sediment hiervoor wordt van de zeebodem gehaald door het inzetten van boorschepen. Zo is er bijvoorbeeld geboord op de Noordpool en de Walvis Rug (voor de kust van Namibië). Vanaf het schip worden 9 m lange buizen in de zeebodem geschoten, en gevuld met sediment naar boven gehaald. De volgende boring vindt in hetzelfde gat plaats en neemt sediment van 9-18 m diepte mee zodat steeds dieper en ouder sediment naar boven gehaald wordt (Afb. 2). Daarna wordt het sediment uit de boorkern geanalyseerd op de fossielinhoud en andere kenmerken, zoals kleur en korrelgrootte van het sediment.

Het Paleoceen Eoceen Temperatuurs Maximum

De oerscheet van de aarde We noemen het niet voor niets een oerscheet; de CO₂ stijging veroorzaakt te zijn uit het plotseling vrijkomen van methaan. Dit methaan is afkomstig van methaanhydraten van ijs op de oceaanbodem. Methaanhydraten bestaan uit methaan (CH₄) en water (H₂O). Door een kettingreactie van 55,5 miljoen jaar geleden warmde de aarde op en kwam het methaan plotseling vrij. Verhoogde vulkanische activiteit zorgde waarschijnlijk voor het smelten van de methaanhydraten. Het vrijgekomen methaan ‘borrelde’ in gasvorm vanuit de oceaan de atmosfeer in, en werd daar snel omgezet naar CO₂. De verhoogde CO₂ concentratie in de atmosfeer zorgde ervoor dat de aarde opwarmde.

Waar gaat de CO₂ naar toe? Veel van de uitgestoten CO₂ werd snel opgenomen in de oceanen en verlaagde daardoor de pH van het oppervlaktewater. Kalkskeletjes, zoals coccolithophoren en foraminiferen (Afb. 3) losten hierdoor op. In Afb. 3 is duidelijk te zien dat de witte laag (met veel kalkskeletjes) overgaat in een rode laag (met veel klei en bijna geen kalkskeletjes). De klei is via rivieren naar de zee getransporteerd en is in beide lagen aanwezig, maar omdat tijdens het PETM alle kalk oploste, bleef alleen de klei over.

Migratie, Radiatie, Extinctie Een ander gevolg van de opwarming was de migratie van verschillende plant- en diersoorten. Eencelligen zoals de dinoflagellaat Apectodinium kwam voor het PETM alleen voor in tropische oceanen, maar is in sedimenten uit het PETM ineens terug te vinden over de hele wereld (Afb. 4). Daarnaast zijn er fossielen van tropische bomen gevonden in Noord-Canada en was Antarctica begroeid met een gematigd regenwoud. Rondom en tijdens het PETM ontstaan de eerste moderne primaten, waar wij mensen uiteindelijk uit zijn voortgekomen. Aan de andere kant zorgde het PETM zorgde er voor dat 35-50% van alle benthische foraminiferen (bodemlevende, eencelligen met een kalkskeletjes) uitstierven.

Zeespiegelstijging Het stijgen van de zeespiegel door de temperatuursstijging van 5-8°C komt niet alleen door het smelten van gletsjers, maar ook door het uitzetten van verwarmd water (thermische uitzetting). Warm water heeft namelijk een lagere dichtheid dan koud water en neemt dus meer volume in. Deze uitzetting droeg tijdens het PETM ongeveer 5 m bij aan zeespiegelstijging. Op plekken waar 55,5 miljoen jaar geleden ondiepe zeeën waren (zoals de Noordzee), is de zeespiegelstijging goed te zien aan de fossielinhoud van de sedimentlagen. Op andere plaatsen werden moerassen overspoeld door de stijgende zeespiegel.

PETM: analoog voor de toekomst?

Het PETM wordt door veel wetenschappers veel gezien als de beste analoog voor de toekomstige klimaatveranderingen, vooral door de gelijkenis in de snelheid van CO₂ stijging: in minder dan 1000 jaar kwam er ongeveer 2000 Gt CO₂ vrij. (In vergelijking, in 2007 werd er 8,5 Gt CO₂ uitgestoten). Zo worden computerberekeningen gebruikt om te na te gaan hoeveel stormen er tijdens het PETM voorkwamen, hoe vaak en waar het regende, en hoe warm het op aarde was. Hiermee proberen wetenschappers een beeld te krijgen van het verwachte toekomstige klimaat, ondanks het feit dat de wereld van voor de oerscheet al een versterkt broeikaseffect had (zie Afb. 1). Wetenschappers hebben namelijk ontdekt dat de gemiddelde zeewatertemperatuur voor het PETM 10-15°C hoger was dan nu! Er waren toen geen (grote) ijskappen op Antarctica en Groenland en er zwommen krokodillen rond in het gematigd regenwoud in Spitsbergen.

De opwarming door de oerscheet zorgde er dus niet voor dat grote ijskappen op Groenland en Antarctica smolten: het was vóór het PETM namelijk al te warm voor grote ijskappen. De toekomstige klimaatverandering zou dus nóg extremer kunnen worden dan die tijdens het PETM, omdat er nu nog ijskappen zijn die al aan het smelten zijn. Waar tijdens het PETM de temperatuurstijging ongeveer gelijk was over de hele aarde, zal bij de toekomstige opwarming van de aarde de polen het sterkst opwarmen.

Tegenwoordig zijn de polen met veel ijs bedekt dat werkt als een spiegel: het reflecteert het zonlicht terug het heelal in en heeft een extra afkoelend effect. Echter, als het ijs smelt, komt de onderliggende rotsbodem tevoorschijn en gaan planten groeien. Dit zorgt niet voor reflectie, maar voor absorptie van het zonlicht. Hierdoor wordt het nog warmer op de polen … een zichzelf versterkend mechanisme dus (positieve terugkoppeling) (Afb. 5).

We weten ondertussen al het een en ander van het versterkte broeikaseffect tijdens het PETM en de gevolgen voor het leven op aarde. Het duurde bijvoorbeeld ongeveer honderdduizend jaar voordat het klimaatsysteem zich weer had hersteld tot de situatie vlak voor het PETM. We weten echter nog lang niet genoeg. Er is bijvoorbeeld nog heel weinig informatie over hoeveel CO₂ er precies vrijkwam, en ook hoeveel CO₂ er voor de oerscheet in de atmosfeer zat. Wat we verder nog niet precies weten is wat de seizoenaliteit (het verschil in zomer en winter) was tijdens het PETM. En hoe bijvoorbeeld het tropisch regenwoud eruit zag. Het zou best kunnen dat de tropen te warm werden tijdens het PETM, waardoor veel plantensoorten niet meer konden groeien. Dit zijn een aantal voorbeelden die we nog graag willen onderzoeken, om zo het klimaatsysteem in deze extreme klimaatsomstandigheden beter te begrijpen. Dit zal helpen het klimaat van de toekomst beter te voorspellen.

Referenties:

Dickens, G.R., 2003. Earth and Planetary Science Letters 213: 169-183. Dickens et al., 1995. Paleoceanography 10: 965-971. Pagani et al., 2005. Science 309: 600-603. Pearson, P.N., en Palmer, M.R., 2000. Nature 406: 695 – 699 Sluijs et al., 2007. In: Deep-Time Perspectives on Climate Change: Marrying the Signal from Computer Models and Biological Proxies, Geological Society of America Special Paper. Sluijs et al., in druk. Palaeoceanography. Sluijs et al., 2006. Nature 441: 610-613. Zachos et al., 2005. Science 308: 1611-1614. Zachos et al., 2003. Science 302: 1551-1554.