Dit is de tweede in een vijfdelige serie geschreven door experts in de nieuwe Hall of Fossils - Deep Time tentoonstelling van het Smithsonian die op 8 juni in het National Museum of Natural History werd geopend. De volledige serie is te vinden in ons Deep Time Special Report
Honderden miljoenen jaren geleden omhulden massieve ijskappen de continenten van de aarde van kust tot kust. Alleen de toppen van de bergen van de planeet stonden boven het ijs terwijl gletsjers grondden en zich een weg baanden door het gesteente, langzaam kronkelend naar de met sneeuw bedekte vlaktes. Waar de gletsjers de oceanen ontmoetten, kalven enorme blokken ijs en rots van de gletsjers en vielen in de zee. Het leven, voornamelijk algen, cyanobacteriën en andere bacteriën, bleef op de een of andere manier bestaan in de kleine ijsvrije zakken oceaanwater. Net als een ijzige planeet in een ver zonnestelsel was de aarde tijdens haar vormende jaren, een jeugdfase die bekend staat als de 'sneeuwbal'-aarde, een heel andere plaats dan de meestal blauwe planeet van vandaag.
Dramatische verschuivingen in het aardse klimaat hebben geowetenschappers al lang gefascineerd. Geowetenschappers bestuderen periodes waarin de aarde fundamenteel anders was dan vandaag om meer te weten te komen over de snelheid en timing van klimaatverandering. De mystiek van een planeet bijna volledig bedekt met ijs, zo onherkenbaar voor ons vandaag, is duidelijk. De onophoudelijke dubbelzinnigheid van het kennen van slechts een deel van het verhaal van de aarde - een verhaal waarvan de inkt in de loop van de tijd steeds meer vervaagt naarmate de oorspronkelijke geologische lagen worden gerecycled om nieuwe te vormen - creëert een constante cyclus van nieuwe ontdekkingen, aangezien bewijs iteratief samen wordt geweven.
De kern van het ontrafelen van het mysterie van de geschiedenis van onze planeet is de vraag: hoe werkt de aarde? Fossiele gegevens wijzen op bidirectionele interacties tussen het leven en de systemen van de aarde. Deze interacties worden bepaald door de koolstofcyclus, een delicate machine op planetaire schaal die het klimaat op aarde bepaalt. Uiteindelijk, om te begrijpen hoe de koolstofcyclus van de aarde werkt, moet je de menselijke invloed op dit moment waarderen: ondanks de dubbelzinnigheid van het verleden, is ons huidige traject uniek zeker.
De laatste keer dat een Sneeuwbal Aarde gebeurde was 640 miljoen jaar geleden, tijdens een periode die bekend staat als de Cryogenian. In die tijd was het complexe leven nog niet geëvolueerd, dus het is moeilijk om te weten welke fractie van het leven onder het onherbergzame ijs is omgekomen. Na ongeveer tien miljoen jaar begon het ijs zich terug te trekken en de oceanen te voorzien van overvloedige voedingsstoffen voor het leven. Dit post-glaciale oceaanbuffet valt samen met het eerste fossiele bewijs voor sponzen, en dus kan het de opkomst van de eerste dieren hebben bevorderd. Gebaseerd op de paar resterende lagen van de oude zeebodem, denken wetenschappers dat de planeet bijna volledig bevroren was, niet slechts eenmaal, maar meerdere keren in de beginjaren.
Daarentegen zijn andere periodes in de geschiedenis van de aarde buitengewoon warm geweest. Tweeënvijftig miljoen jaar geleden, tijdens het Eoceen, bezetten weelderige megabossen van moerascipres en zonsopgang roodhout wat nu de poolcirkel is, en de eerste dieren die we zouden herkennen als zoogdieren verschenen in het fossielenbestand. Perioden zoals het eoceen worden vaak een 'broeikasgassen'-aarde genoemd, omdat bekend is dat ze samenvallen met hoge niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer.
Net als Goudlokje dat op zoek is naar de pap die precies de juiste temperatuur heeft, heeft het klimaat op aarde herhaaldelijk bemonsterd van de uitersten.
Hoewel het idee om te schakelen tussen met ijs bedekte of door moeras bedekte planeten formidabel klinkt, hebben dergelijke grote klimaatverschuivingen zich gedurende tientallen miljoenen jaren voorgedaan, waardoor het leven voldoende evolutionaire tijd kreeg om nieuwe strategieën te ontwikkelen om te slagen. Deze langzame overgangen van broeikaseffecten naar broeikasgassen zijn het resultaat van subtiele veranderingen in de geologische koolstofcyclus van de aarde.
Door de geschiedenis van de aarde heen hebben vulkanen continu koolstof uitgestoten dat diep in het binnenste van de aarde is opgeslagen als reactie op verschuivende tektonische platen. Koolstofdioxide (CO2) van een reeks oprispende vulkanen stroomt in de atmosfeer, waar het oplost in regenwater en terugvalt naar de aarde. Terwijl regenwater door de grond sijpelt, lost het de rots op en neemt het onderweg calcium op. Riviersystemen leveren vervolgens het calcium en CO2 af aan de oceaan, en wanneer calciumcarbonaat of kalksteen neerslaat, vaak dankzij calcificerende organismen zoals koralen en weekdieren, wordt de CO2 eindelijk opgesloten.
In sommige opzichten is de koolstofcyclus een beetje zoals het verwarmen van een huis met een gebroken thermostaat: wanneer de oven te veel warmte of CO2 uitstoot, kunnen ramen worden geopend om het huis te koelen. Voor de koolstofcyclus verwarmt een toename van de activiteit van vulkanen de planeet, die wordt gecompenseerd door een toename van rotsverwering in de bodem, waardoor meer calcium en CO2 naar de oceanen wordt verplaatst om kalksteen te vormen en een negatieve feedback creëert die de atmosferische CO2-niveaus stabiel houdt, en bij uitbreiding de temperatuur van de planeet, onder controle. Dit touwtrekken tussen de oven, of wereldwijde CO2-uitstoot, en de ramen, of de verwering van rotsen, bepaalt grotendeels de toestand van het klimaat op aarde. Het is gemakkelijk om vulkanen te zien als de snode actoren in deze touwtrekwedstrijd; Lusteloze en niet-reagerende rotsverwering in de bodem kan echter even schurkachtig zijn.
Stoom en andere gassen, zoals koolstofdioxide, sijpelen uit de grond nabij een vulkaan in IJsland. Hoewel planten koolstofdioxide opnemen, wordt meer dan een miljoen jaar tijdschaal veel van die koolstof teruggevoerd naar de atmosfeer, zodat vulkanen in de hele geschiedenis van de aarde als een netto bron van atmosferisch koolstofdioxide hebben gediend. (Kate Maher) Wonder boven wonder zijn de bodems van de planeet meestal behoorlijk bedreven in het openen en sluiten van vensters, als ze genoeg tijd krijgen. Gemiddeld is de levensduur van een koolstofmolecuul in het oceaanatmosfeersysteem ongeveer 300.000 jaar, en daarom wordt de aarde op miljoen jaar tijd meestal in evenwicht gehouden door de open ramen.
Desalniettemin hebben zich in de geschiedenis van de aarde vele malen catastrofes voorgedaan, die vaak samenvielen met grote massa-uitstervingen. De dader achter deze catastrofale gebeurtenissen aan het licht brengen is moeilijk. Soms vallen buitensporige vulkanische emissies verdacht samen met grote omwentelingen in de koolstofcyclus.
Aan het einde van het Perm, 251 miljoen jaar geleden, barstten de Siberische vallen uit op de kolenlagen van wat nu Siberië is, waardoor zoveel koolstof vrijkomt dat de opwarming van de aarde en verzuring van de oceaan zeker een rol hebben gespeeld in de grootste uitsterven van de zee. Bij het einde van het Perm-uitsterven van massa, ging 90 procent van de mariene soorten uit, en langzaam, gedurende miljoenen jaren, werd de koolstofbalans hersteld en herstelde het leven. Het leven zag er anders uit dan voorheen, met de eerste verschijning van ichthyosaurus en scleractijnse koralen.
De tentoonstelling "Fossil Hall — Deep Time" van het Smithsonian opent op 8 juni 2019. (Smithsonian.com) Het is verleidelijk om het verhaal van de aarde te beschouwen als een catastrofale omwenteling gevolgd door de oprichting van nieuwe en steeds complexere levensvormen. Dit is waar, maar misschien is een meer wonderbaarlijk verhaal hoe twee schijnbaar ongelijksoortige actoren, CO2-uitstralende vulkanen en het bodem-rivier-oceaan continuüm dat de CO2 terugvoert naar het binnenste van de aarde, erin geslaagd zijn om het klimaat op aarde meestal miljarden jaren bewoonbaar te houden. Schattingen van fossiele bodems en planten, evenals zeeafzettingen, suggereren dat de CO2-niveaus in de atmosfeer ten minste de laatste 600 miljoen jaar meestal binnen vijf keer pre-industriële niveaus lagen.
Ter vergelijking: volgens het meest pessimistische scenario van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) zou de CO2-concentratie in de atmosfeer in het jaar 2100 3, 5 tot 5 keer de pre-industriële waarden kunnen benaderen, niveaus die niet meer zijn waargenomen sinds het einde van de Perm-massa. Om dit in perspectief te plaatsen, stoten mensen nu CO2 uit met een snelheid die ongeveer 68 keer de snelheid is die het via de oceanen naar de vaste aarde kan worden teruggevoerd. Er is momenteel geen bekende manier om de overdracht van koolstof door bodem en rivieren met meer dan een paar procent te verhogen, zodat het honderdduizenden jaren zal duren om het overtollige CO2 uit het oceaanatmosfeersysteem te verwijderen. Als gevolg van veranderingen in landgebruik en bevolkingsgroei kortsluiten we bovendien langzaam de bodems, rivieren en ecosystemen die gezamenlijk werken aan de overdracht van CO2 van de atmosfeer naar de oceanen en uiteindelijk naar kalksteen.
Het is gemakkelijk om door de lens van de geschiedenis van de aarde te kijken naar de uitgestrekte blauwe oceanen, weelderige groene bossen, delicate woestijnen en met sneeuw bedekte toppen en te concluderen dat de aarde voor zichzelf zal zorgen. De realiteit is dat de aarde een geologisch agens nog nooit zo snel en meedogenloos heeft gezien als mensen. Hoewel de aarde er nu veel anders uitziet dan in het verleden, zijn de lessen uit de geschiedenis van de aarde nog steeds van toepassing: we zetten de hitte veel sneller op dan de aarde mogelijk de ramen kan openen.
