Steeds weer die broeikas

Vijf keer werd het leven op aarde grotendeels uitgeroeid. Dat zou telkens komen door een broeikaseffect, aldus de nieuwste trend in de aardwetenschap.

Michiel van Nieuwstadt

Wetenschap is modieus. Een tijdlang waren meteorieten hip. Die trend werd gezet door vader Luis en zoon Walter Alvarez toen zij in 1980 aannemelijk maakten dat de inslag van een meteoriet het uitsterven van de dinosauriërs veroorzaakte, 65 miljoen jaar geleden. Meteorieten kwamen in de mode als verklaring voor grote uitstervingen in het verre verleden. Er werden inslagkraters ontdekt die in datering aardig samenvielen met drie van de vier andere sterftegolven waarbij meer dan de helft van het leven op aarde verdween: 375, 251 en 200 miljoen jaar geleden. Het massale uitsterven aan het einde van het Ordovicium was 444 miljoen jaar geleden eigenlijk de enige uitzondering.

“Iedereen ging na de publicatie van Alvarez en Alvarez als een gek op zoek naar inslagen van meteorieten”, zegt marien geoloog Henk Brinkhuis, verbonden aan de Universiteit Utrecht. “En warempel. De dateringen leken aardig te kloppen.” Brinkhuis heeft veldonderzoek gedaan aan afzettingen die alle vijf de uitstervingen markeren. En ja, hij heeft zelf óók wel eens ten onrechte een meteoriet als hoofdschuldige voor een ramp aangezien.

De meteorietenmode is nu voorbij. Soms toonden nauwkeuriger dateringen van meteorietkraters aan dat het moment van inslag toch net niet samenviel met de grote sterfte. En er is nog een reden voor de verminderde populariteit van de meteoriethypothese. Er heeft zich een nieuwe mode aangediend. Een op hol geslagen klimaat is nu en vogue. In tal van wetenschappelijke publicaties worden grote sterftegolven uit de geschiedenis van de aarde in verband gebracht met uit de hand gelopen klimaatverandering. Vaak wordt ter vergelijking verwezen naar het versterkte broeikaseffect waarover de VN dezer dagen op Bali vergaderen.

De broeikaskanonnen die in het verre verleden de aarde in tropische temperaturen onderdompelden, zijn in deze klimaatrampscenario’s vooral grote vulkanen, en methaanijs dat loskomt uit de zeebodem. Ook een omslag in oceaancirculatie, of het stilvallen daarvan, komt vaak terug. De overeenkomsten met de somberste klimaatscenario’s van het VN-klimaatpanel springen in het oog. Daarin wordt gewaarschuwd voor het stilvallen van de Golfstroom en de ramp die dat zou betekenen voor West-Europa. Ook het plots vrijkomen van methaan uit zeebodem en permafrost is tegenwoordig een doemscenario waarmee klimaatwetenschappers serieus rekening houden.

geofantasie

Soms gaan aardwetenschappers te ver in hun vergelijkingen tussen heden en verleden. “Het trekken van zo’n parallel kan nuttig zijn”, zegt moleculair paleontoloog Jaap Sinninghe Damsté, van het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee. “Maar je zit met een geringe hoeveelheid gegevens en daaruit moeten we een beeld reconstrueren. Je moet de onzekerheden niet uit het oog verliezen. Soms bedrijven we met zijn allen geo fantasy.”

De Amerikaanse paleontoloog Douglas Erwin noemt scenario’s over de op hol geslagen broeikas in een reactie per e-mail ‘plausibel’, maar rept ook van een rage: “Ik heb al heel lang beargumenteerd dat broeikasfactoren een waarschijnlijke oorzaak zijn van tenminste een deel van de sterftegolf aan het einde van het Perm, maar er is geen enkele reden om aan te nemen dat àlle massa-extincties veroorzaakt zouden zijn door één en dezelfde oorzaak”. Henk Brinkhuis is het daarmee eens: “Je moet elk tijdvak beschouwen als een wereld op zich. Met zijn eigen mogelijkheden en beperkingen.”

Toch blijven veel aardwetenschappers zoeken naar de grote greep, de alomvattende theorie die àlle sterftegolven op aarde onder een noemer brengt.

Een van de pleitbezorgers van de nieuwe mode – hij spreekt zelf van een paradigmaverschuiving – is Peter Ward, hoogleraar aardwetenschappen aan de universiteit van Washington. Een uit de hand gelopen klimaatverandering was verantwoordelijk voor vier van de vijf massale uitstervingsgolven op aarde, zo schrijft hij in het boek ‘Under a Green Sky’ (2007). Het uitsterven van de dinosauriërs is de enige uitzondering. En Ward gaat nog verder: tal van kleinere levensvernietigende rampen hebben volgens hem dezelfde oorzaak. Een toegenomen hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer leidde telkens tot een verandering in oceaanstromingen en uiteindelijk tot een vernietigend zuurstoftekort – ook op het land.

Wards universele broeikasscenario begint met grootschalig vulkanisme, een betrekkelijk onomstreden regelmatig fenomeen dat in de geschiedenis van het leven op aarde een belangrijke, maar nog niet helemaal begrepen rol speelt. De magma komt dan niet omhoog uit kegelvormige vulkanen maar uit spleten in de grond. Grote delen van onze planeet zijn bedekt met vloedbasalten, de sporen van deze magmagolven. Hun datering valt vaak verrassend goed samen met uitstervingsgolven. Bij de erupties komen uit het magma grote hoeveelheden methaan en kooldioxide vrij, gassen die het broeikaseffect versterken en die zorgen voor opwarming van de aarde.

Toch is niet geheel duidelijk waarom dit vulkanisme op zichzelf zou leiden tot uitsterven op mondiale schaal. Warmere oceanen absorberen minder zuurstof uit de atmosfeer. En aanwijzingen voor zuurstofgebrek in oceanen markeren grote sterftegolven in de zee. Maar de broeikasgassen zijn waarschijnlijk niet direct dodelijk voor het leven op het land. “Van veel kooldioxide in de lucht gaan de plantjes alleen maar groeien”, zegt Sinninghe Damsté. Er is meer nodig om te kunnen komen tot een gelijktijdige sterftegolf op het land én in de zee. Ward heeft daarvoor een ingenieuze verklaring: grote bellen zwavelsulfide bubbelden op uit de oceanen en doodden het leven op het land.

Hoeveel Wards bubbel-mechanisme kan verklaren is niet duidelijk. Van sommige massa-extincties is niet eens genoeg informatie voorhanden om een serieus oordeel te vellen.

het best bestudeerd

Laten we kijken naar het einde van het Perm, 250 miljoen jaar geleden. Het is ’s werelds grootste uitstervingsgolf ooit en een van de best bestudeerde. Aan het einde van het Perm ontstonden de Siberian Traps. Grote delen van Siberië raakten toen bedekt met een soms kilometersdikke laag basalt die zich uitstrekt over een oppervlak van grofweg anderhalf keer Frankrijk.

Door de opwarming van de atmosfeer raakt de oceaancirculatie verstoord. “De oceaancirculatie wordt enkel en alleen aangedreven door temperatuurverschillen tussen de tropische breedtegraden en de polen”, zo legt Ward uit in een e-mail. “Als de wereld opwarmt, dan warmen de polen veel meer op dan de tropische gebieden. Het temperatuurverschil neemt af en dat betekent dat de oceaancirculatie verandert of stilvalt.”

Er zijn ook aanwijzingen voor zuurstoftekort in de oceanen aan het einde van het Perm. In zijn boek ‘Extinction’ wijst Perm-specialist Douglas Erwin van het Smithsonian Museum of Natural History in Washington, erop dat de zeeën na het einde van het Perm worden gedomineerd door een klein aantal soorten schelpdieren en armpotigen met een sterke voorkeur voor zuurstofarme omstandigheden in stilstaand water. Maar dit zijn diepzeeorganismen, het bewijst nog niet dat vrijwel de hele oceaan zuurstofloos was.

Ward combineert de bewijzen voor stilstaand, zuurstofloos oceaanwater met de afzetting van specifieke moleculaire fossielen: overblijfselen van de pigmenten van groene zwavelbacteriën die het giftige waterstofsulfide met behulp van licht omzetten in sulfide. Die zijn wereldwijd gevonden, onder andere in gesteenten die dateren van het einde van het Perm.

De groene zwavelbacteriën komen alleen voor wanneer zuurstofloos water tot vlak aan het oppervlak komt. “Als water vrij sulfide bevat, dan is het zuurstofloos”, legt Sinninghe Damsté uit, “want anders reageert dat sulfide direct met het aanwezige zuurstof. De groene zwavelbacteriën hebben ook zonlicht nodig, wat betekent dat ze dicht bij het oppervlak leven. In de Zwarte Zee leven de groene zwavelbacteriën tot 90 à 100 meter diep. Dit soort condities treedt vooral op wanneer er weinig stroming is zodat nauwelijks zuurstofverversing optreedt.”

Ward concludeert dat bacteriën die houden van licht en waterstofsulfide aan het einde van het Perm welig tierden in oppervlaktewater. Het waterstofsulfide dat de bacteriën produceren komt uiteindelijk in grote bellen vrij – een fenomeen dat ook nu nog op kleine schaal waargenomen wordt in Noorse fjorden en voor de kust van Namibië. Het giftige gas veroorzaakte vervolgens massale sterfte op het land. ‘Killer Greenhouse Effect’ noemde Scientific American dit scenario vorig jaar. Tal van massale sterftegolven zouden erdoor verklaard moeten zijn.

Zo’n dodelijke broeikas roept bij Ward associaties op met de klimaatproblemen van vandaag – ook al wordt de wereld nu niet bedreigd door grootschalig vulkanisme of opborrelend waterstofsulfide uit de oceanen. Ward legt in ‘Under a Green Sky’ expliciet het verband tussen die uitstervingsgolven van vroeger en het ‘broeikasuitsterven’ waarvoor nu gevreesd wordt. Ward waarschuwt dat een warmer klimaat de Golfstroom tussen de Golf van Mexico en het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan kan stilleggen, met een plotsklaps koud West-Europa als gevolg. Dit scenario verschilt in zijn ogen niet wezenlijk van de majeure veranderingen van oceanische circulatiesystemen tijdens de grootste sterftegolven uit de geschiedenis van de aarde.

twijfels

Volgens collega’s gaat Ward hierin te ver, niet alleen in zijn presentatie van een universeel mechanisme voor sterftegolven, maar ook in de parallel met het heden. Jaap Sinninghe Damsté noemt het verhaal over het opborrelend waterstofsulfide “een prachtige theorie”. “Van mij krijgt hij veel punten voor originaliteit, maar ik betwijfel of dat dodelijke watersulfide middenin Rusland terecht heeft kunnen komen in een tijd dat alle continenten tegen elkaar aanlagen, zoals 250 miljoen jaar geleden het geval was. En de oceaancirculatie uit het Perm is onvergelijkbaar met de oceaancirculatie nu. We weten niet veel van de oceaanstromingen uit die tijd. Ik vraag me af hoe in zo’n zee in een klap zuurstofloze omstandigheden zouden kunnen ontstaan als gevolg van opwarming van de atmosfeer.”

Ook Henk Brinkhuis heeft grote twijfels. “Plotsklaps denkt iedereen alles te kunnen verklaren door een gebrek aan zuurstof dat samenhangt met veranderingen in de oceaancirculatie. Maar het gaat gewoon niet op. Waarschijnlijk zat er wereldwijd genoeg zuurstof in de atmosfeer om dat waterstofsulfide te neutraliseren.” In aanwezigheid van zuurstof wordt het waterstofsulfide snel omgezet in zwaveloxiden.

cfk’s

Brinkhuis zelf verklaart de sterftegolf aan het einde van het Perm weer op een andere manier. Met collega’s heeft hij gepubliceerd over aanwijzingen dat er bij het grootschalige vulkanisme in Siberië aan het einde van het Perm enorme hoeveelheden chloorfluorkoolwaterstoffen zijn vrijgekomen die de ozonlaag aantasten (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2004). Het lijkt een wild scenario, maar het is aannemelijk, zegt Henk Brinkhuis. Door die chloorfluorkoolwaterstoffen was de ozonlaag grotendeels verdwenen, en daardoor werd de aarde gebomdardeerd met ultraviolet licht. Daarom had het leven op aarde zo lang nodig om te herstellen.

Dát het leven lang nodig had om te herstellen maakt Brinkhuis op uit veranderingen in de ratio tussen de meest voorkomende variant van het element koolstof (C-12) en C-13, een versie van dit molecuul met één extra neutron in de kern. Planten en andere vormen van leven, slaan bij voorkeur de lichte variant op van koolstof, maar een langdurige daling van de ratio laat zien dat er door planten na het einde van het Perm miljoenen jaren nauwelijks C-12 werd vastgelegd. “Je kunt eruit opmaken dat het twee miljoen jaar duurt voordat het leven zich heeft hersteld”, zegt Brinkhuis. “Aan het einde van het Krijt herstelt het leven zich veel sneller.”

De lange herstelperiode is volgens Brinkhuis de sleutel tot het antwoord op de vraag wat nu het grote sterven aan het einde van het Perm heeft veroorzaakt. “Er moet iets gebeurd zijn dat het leven op aarde langdurig uit het lood heeft geslagen”, zegt hij. “In zeeafzettingen vind je miljoenen jaren na de extinctie alleen maar kleine rotvisjes. We zien dat zaden nauwelijks tot ontkieming komen. En als er wat op het land groeit, dan zijn het kleine vettige plantjes met een vettige huid. Wij denken dat ze zich daarmee beschermden tegen een overschot aan ultraviolet licht.”

Perm-specialist Erwin interpreteert de feiten weer anders. Hij concludeert dat het uitsterven rond het einde van het Perm kwam in twee golven die tien miljoen jaar uit elkaar liggen. Een meteoriet als oorzaak voor de tweede uitstervingsgolf valt zijns inziens nog altijd niet uit te sluiten, al zijn er geen overtuigende bewijzen voor gevonden.

Wat kan het einde van het Perm ons dan leren over de klimaatproblemen van vandaag? “Helemaal niets”, zegt Brinkhuis. Het lijkt het verstandigst om op te passen met universele verklaringen. Of het nu meteorieten zijn, of op hol geslagen broeikassen.

prullenbak

Moeten alle vergelijkingen tussen toen en nu de prullenbak in? Nee. Opmerkelijk genoeg geloven Ward en Brinkhuis allebei dat een relatief bescheiden uitstervingsgolf die 55 miljoen jaar geleden plaatshad wel degelijk te maken had met een uit de hand gelopen broeikaseffect. Een broeikaseffect dat ons een beeld zou kunnen geven van een wereld waarin de concentratie aan broeikasgassen vijf keer zo hoog ligt als tegenwoordig.

Van een massale sterftegolf was 55 miljoen jaar geleden geen sprake al werd het leven in de diepzee wel zwaar getroffen. Zelfs op de polen heersten tropische omstandigheden. De zeespiegel lag zeventig meter hoger dan nu. De temperatuur nam wereldwijd toe met gemiddeld vijf graden Celsius in minder dan tienduizend jaar. In kalkafzettingen en plantenresten van het einde van het Paleoceen komt plotseling de lichte koolstofisotoop C-12 relatief veel voor. Volgens Brinkhuis is dat te verklaren doordat methaanhydraten die opgeslagen waren in de zeebodem plotseling vrijkwamen. “Alsof de zeebodem een gigantische methaanscheet laat”, zegt hij. Methaanhydraten of methaanijs zijn in de loop van miljoenen jaren afgezet door methaan producerende microben. Ze zijn nog rijker aan lichte koolstof dan planten.

Toch staat ook dit model ter discussie. Geofysicus Mark Pagani, verbonden aan Yale University, heeft uitgerekend dat de hoeveelheid methaanijs die uit de zeebodem kon vrijkomen waarschijnlijk onvoldoende was om de enorm hoge concentratie aan broeikasgassen te verklaren (Science, december 2006). Klimaatsceptici denken bovendien dat Brinkhuis en zijn collega’s oorzaak en gevolg door elkaar hebben gehaald. De hoge concentratie koolstofdioxide is volgens hen niet de oorzaak, maar het gevolg van een opwarmende aarde.

Een aanwijzing dat de Utrechtenaren het wel bij het rechte eind hebben is volgens Sinninghe Damsté te halen uit een boorkern die is opgediept uit de zeebodem voor de oostkust van Noord-Amerika. Met de Utrechtse collega’s zal hij er binnenkort over publiceren. Sinninghe Damsté: “Die boorkern komt uit een gebied waar sediment zich in heel hoog tempo heeft opgehoopt. De tijd is als het ware uitgerekt. Daardoor kun je oorzaak en gevolg prachtig terugzien. Eerst zie je de aanwijzingen voor een toename van de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer. Pas daarna zie je het koolstof-12 oplopen. Het ontsnappen van methaan uit de zeebodem was dus een gevolg van de opwarming, en leidde weer tot verdere opwarming.”

Als een snel stijgende methaanconcentratie aan het einde van het Paleoceen het resultaat was van een uit de hand gelopen broeikas, dan kan dat best opnieuw gebeuren, betogen Ward en Brinkhuis. Sinninghe Damsté maant ook hier tot voorzichtigheid: “Op geen enkele extinctiegrens is bewijs gevonden van methaanetende microben. Die zou je verwachten als het methaangehalte in de oceanen en de atmosfeer plotseling toeneemt. De oceaanstromingen zagen er aan het begin van het Paleoceen ook heel anders uitzag. De Noordelijke IJszee was een afgesloten bassin, heel anders dan nu. Daar heb je dus niet zo veel aan als je conclusies wilt trekken over het lot van onze Warme Golfstroom.”

Rectificatie / Gerectificeerd

In het artikel Steeds weer die broeikas (W&O 15 december), staan onjuistheden. Waterstofsulfide minnende bacteriën zetten het gas om in sulfiet en niet in sulfiden. Een keer wordt gesproken over zwavelsulfide waar waterstofsulfide is bedoeld. In de tijdbalk staat tribolieten in plaats van trilobieten.