Het zal je niet ontgaan zijn: het klimaat verandert. Maar dat is niet voor het eerst. Zo’n 56 miljoen jaar geleden warmde de aarde ook enorm op en daar kunnen we een hoop van leren.

Enkele tientallen miljoenen jaren geleden, tijdens het Paleoceen, was het al flink warmer dan tegenwoordig. De aarde was in die tijd een zogenaamde ‘broeikaswereld’, waarin beide polen ijsvrij waren. Maar zo’n 56 miljoen jaar geleden, ongeveer tien miljoen jaar na het uitsterven van de dinosaurussen, werd de situatie een stuk extremer. Binnen duizenden jaren belandden enorme hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer, warmde het klimaat op en verzuurden de oceanen. Deze periode staat bekend als de ‘Paleocene-Eocene Thermal Maximum’ (kortweg PETM) en is veel bestudeerd door klimaatwetenschappers. Omdat het een fascinerende tijd is, maar vooral omdat we ervan kunnen leren over de huidige klimaatveranderingen.

Sedimentkern uit de oceaanbodem bij Walvis Ridge (Atlantische Oceaan). De abrupte kleurovergang markeert het begin van de PETM. Afbeelding: Ecord.org

Sedimentkern uit de oceaanbodem bij Walvis Ridge (Atlantische Oceaan). De abrupte kleurovergang markeert het begin van de PETM. Afbeelding: Ecord.org

Sedimentkernen
Hoe weten we eigenlijk dat er zich zo lang geleden iets bijzonders afspeelde? Daar zijn verschillende geologische bewijzen voor. De opvallendste is zichtbaar zodra je één blik op sedimentkernen uit de diepe oceaan werpt: witte, kalkrijke sedimenten worden ruw onderbroken door een donkere laag, waaruit de meeste kalk is verdwenen (zie afbeelding hierboven). Die donkere sedimenten werden afgezet tijdens de PETM. Het op deze manier verdwijnen van kalkafzettingen is een aanwijzing voor sterke oceaanverzuring, aangezien kalk makkelijker oplost in zuurder water. Zuurdere oceanen ontstaan op hun beurt weer door verhoogde CO2-concentraties in de oceaan (zie kader hieronder).

Verzuurde oceanen
Wanneer CO2 oplost in water leidt dit tot verzuring: de pH gaat omlaag. Dit is precies wat tijdens de PETM gebeurde, maar het is ook tegenwoordig aan de orde door de toegenomen CO2-concentraties. Toch wordt de oceaan niet daadwerkelijk ‘zuur’, zoals de term doet vermoeden: in principe gaat de oceaan van basisch naar minder basisch. Ook dit kan echter grote gevolgen hebben, vooral omdat het lastiger wordt voor organismen om kalkskeletten te maken in zuurder water. Daarnaast lost al gevormd kalk makkelijker op, wat precies de reden is dat diepzeesedimenten uit de PETM nauwelijks kalk bevatten.

Methaanhydraten
Onder meer door het bestuderen van dit soort sedimentkernen weten we inmiddels veel over klimaatveranderingen tijdens de PETM. Niet alleen vond er verzuring plaats, de aarde werd in een paar duizend jaar 5 tot 8°C warmer, afhankelijk van de locatie. Bovendien ontstonden in de buurt van de kust zuurstofarme gebieden. Een belangrijke vraag is natuurlijk: waar kwamen al die broeikasgassen zo plotseling vandaan? Dat is een van de grootste raadselen rondom de PETM waar wetenschappers zich al sinds de ontdekking eind vorige eeuw in vastbijten. Een belangrijke observatie is dat er al opwarming aan de gang was voordat het klimaatsysteem echt ontspoorde. Dat doet vermoeden dat er een zogenaamde tipping point werd overschreden: door initiële opwarming raakte het klimaatsysteem uit balans, waarna het in een onhoudbare stroomversnelling terecht kwam.
De meest gangbare hypothese is dat de aarde eerst een beetje opwarmde, bijvoorbeeld door vulkanisme en veranderingen in de baan en stand van de aarde. Hierdoor warmde de oceaan op, met als gevolg het dissociëren (‘smelten’) van methaanhydraten – een ijsachtig mineraal, bestaande uit methaan dat gevangen is in een soort kooi van watermoleculen (zie de afbeelding hieronder). Methaanhydraten, die je ook vandaag de dag in de oceaanbodem kunt vinden, zijn namelijk alleen stabiel onder hoge druk en bij lage temperaturen. Wanneer ze dissociëren komt dit methaan, een broeikasgas dat vele malen sterker is dan CO2, vrij. Het gevolg: de atmosfeer bevatte meer methaan – dat overigens snel wordt omgezet in CO2 – waardoor de aarde opwarmde.

Dankzij het methaan branden methaanhydraten wanneer je ze aansteekt. Afbeelding: United States Geological Survey.

Dankzij het methaan branden methaanhydraten wanneer je ze aansteekt. Afbeelding: United States Geological Survey.

Uitstervingen?
Dit alles had uiteraard gevolgen voor het leven uit die tijd. Veel ecosystemen ondergingen dan ook grote veranderingen. Zo vonden er enorme migraties plaats van (sub)tropische planten- en diersoorten naar hogere breedtegraden. De PETM is bijvoorbeeld het moment waarop veel nieuwe zoogdieren naar Noord-Amerika en Europa konden migreren. Opvallend is verder de massale uitstervinggolf onder benthische foraminiferen, op de oceaanbodem levende eencelligen die meestal kalkskeletjes bouwen (zie de afbeelding hieronder). Even opvallend is misschien juist het gebrek aan verdere uitstervingen. Het lijkt erop dat de meeste soorten zich hebben kunnen redden, door zich aan te passen of door te verhuizen.

Handige kenmerken
Dat is allemaal reuze interessant, maar kunnen wij ook lessen trekken uit de gebeurtenissen rondom de PETM? Jazeker, denkt Appy Sluijs, hoogleraar paleoceanografie aan de Universiteit Utrecht en expert op het gebied van de PETM. Deze periode heeft namelijk een aantal handige kenmerken. “Er is altijd klimaatverandering, maar normaal gesproken vinden grote veranderingen plaats op tijdschalen van honderdduizenden jaren of langer, omdat ze veroorzaakt worden door factoren als het verschuiven van continenten en vulkanisme. De PETM is uniek omdat het heel snel ging: binnen duizenden jaren kwam er heel veel koolstof vrij. Bovendien gaat het waarschijnlijk om ongeveer net zoveel koolstof als onze totale voorraad aan fossiele brandstoffen. Dat is een grappig maar zeer relevant toeval.”

Kalkskelet van een foraminifeer (Elphidium). Afbeelding: Hannes Grobe (via Wikimedia Commons).

Kalkskelet van een foraminifeer (Elphidium). Afbeelding: Hannes Grobe (via Wikimedia Commons).

Klimaatgevoeligheid
Dit maakt de PETM geschikt om meer te leren over het klimaat van nu. “De hamvraag als het gaat om moderne klimaatverandering is: we weten dat CO2 leidt tot opwarming, maar hoe gevoelig is het klimaat precies voor CO2? De huidige schatting is dat een verdubbeling van de hoeveelheid CO2 leidt tot een opwarming van tussen de 1,5 and 4,5°C. Dat is nogal een onzekerheid: het verschil tussen een Groenlandse ijskap of geen Groenlandse ijskap. Eén van de uitdagingen van de paleoklimatologie is om die onzekerheid kleiner te maken. Kunnen we bijvoorbeeld zeggen: ‘tijdens de PETM steeg de temperatuur met gemiddeld 5°C over de hele wereld, en deze CO2-concentraties horen daarbij’?”

Tipping point
Bovendien lijkt er tijdens de PETM een tipping point te zijn overschreden in de koolstofcyclus. Een interessant fenomeen, want iets dergelijks zou ook nu kunnen gebeuren. “Dat is een zeer realistisch scenario,” meent Sluijs. “We denken dat opwarming van oceaanwater tijdens de PETM heeft geleid tot het dissociëren van methaanhydraten. Die methaanhydraten zijn er nu ook, en ook zij zijn gevoelig voor een opwarmende oceaan. Het gaat dan om tijdschalen van duizenden jaren, dus wij hoeven er niet wakker van te liggen, maar in de toekomst zou het een probleem kunnen vormen. Andere mogelijke tipping points komen door permafrost en de koolstof die daarin opgeslagen zit, of het verdwijnen van zee-ijs, waardoor er minder zonlicht wordt weerkaatst. Periodes als de PETM kunnen ons een beter begrip geven van dit soort kantelpunten.”

Het wetenschappelijke boorschip JOIDES Resolution, waarmee sedimentkernen in de oceaan genomen kunnen worden. Afbeelding: William Crawford, IODP / TAMU.

Het wetenschappelijke boorschip JOIDES Resolution, waarmee sedimentkernen in de oceaan genomen kunnen worden. Afbeelding: William Crawford, IODP / TAMU.

Veerkracht
Naast fysische klimaatverandering is er natuurlijk het biologische aspect. Zo kun je onderzoeken welke organismen het beter gaan doen en welke juist minder goed tijdens de PETM, en door welke milieufactoren dat dan komt. Het blijkt dat veel plant- en diersoorten weliswaar migreerden, maar dat ze zich wel konden redden, gezien het geringe aantal uitstervingen. Zou het kunnen dat het ook nu allemaal mee zal vallen? “Oceaanverzuring vormt voor veel soorten een risico tot uitsterven, maar tijdens de PETM gebeurde dat inderdaad nauwelijks. Je kunt dan denken dat het nu ook mee zal vallen. Wel is de CO2-toename van tegenwoordig veel sneller dan toen, in de orde van honderden jaren, en de mate van oceaanverzuring is sterk afhankelijk van hoe snel je CO2 in het systeem brengt. Het zou goed kunnen dat de impact op mariene organismen daardoor groter is. Ook zijn de meeste soorten die nu in de oceaan zitten geëvolueerd in een wereld met een lage CO2-concentratie, terwijl soorten tijdens de PETM al gewend waren aan meer CO2 en daardoor misschien beter aangepast waren.”

Onzekerheid vernauwen
Er zijn dus veel klimaatvragen waar het bestuderen van de PETM, maar ook andere periodes, aan bij kunnen dragen. Hoe snel kunnen we echt nuttige antwoorden dan verwachten? “We weten het nog niet. Een aantal jaren geleden hebben we daar een groot symposium over georganiseerd bij de KNAW (Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, NW). Toen hebben we een artikel geschreven in het tijdschrift Nature over de vraag ‘wat weten we nu en wat kunnen op dit moment herleiden uit het verleden rond klimaatgevoeligheid?’. Daaruit ontstond een hoopvol beeld. Voor het verleden hebben we qua klimaatgevoeligheid ongeveer dezelfde onzekerheden als voor de huidige situatie, maar eigenlijk begint dit vakgebied pas net. De hoop is dus dat onze informatie in de nabije toekomst zo precies en zo compleet wordt, dat we de onzekerheid kunnen vernauwen. Bij de PETM moeten we er vooral achter zien te komen wat de absolute CO2-concentraties waren. Verder hebben we veel te weinig informatie uit de tropen. Dat is een van de focuspunten van nu: hoe krijgen we betere inzichten in temperatuur- en ecologieveranderingen in de tropen?”

“Bij de PETM moeten we er vooral achter zien te komen wat de absolute CO2-concentraties waren”

Het grote verschil met nu
Geschat wordt dat de PETM ongeveer 200,000 jaar duurde; daarna leek het klimaat weer op dat van vlak voor de periode. Dat is misschien wel het allergrootste voordeel van kijken naar het verleden: we kunnen niet alleen bestuderen hoe klimaatverandering begon, maar ook hoe het systeem zich vervolgens herstelde. De planeet redt zich immers wel, zo benadrukt ook Sluijs. “Hét grote verschil tussen de PETM en nu is dat er nu zeven miljard mensen op deze planeet rondlopen. Als dit (de huidige klimaatverandering, red.) 55 miljoen jaar geleden was gebeurd, had er geen haan naar gekraaid. Het gaat uiteindelijk om de impact op ons.”

Niels Waarlo (1994) is masterstudent Aardwetenschappen aan de Universiteit Utrecht, waar hij zich vooral bezighoudt met klimaatreconstructie en sedimentaire geologie. Daarnaast heeft hij een grote interesse in wetenschapscommunicatie, vooral in de vorm van journalistiek. Zo schrijft hij voor Change Magazine over de aardwetenschappelijke kant van klimaatverandering. Ook is hij voor verschillende websites actief als muziekjournalist.