Afbeelding in de hoofding: Verwering van gesteente. Bron: Climatescience.org
Een trage koolstofkringloop
Het klimaat op Aarde is doorheen de geschiedenis van de planeet altijd blijven variëren. Warmere en koudere tijden wisselen elkaar af. Ook al heeft onze planeet klimaten gekend die vrij spectaculair kouder of warmer waren dan tegenwoordig, de grenzen van een leefbare planeet zijn nooit overschreden. Zulke klimaatwijzigingen worden voor een belangrijk deel bepaald door de concentratie aan broeikasgassen in de atmosfeer, met CO2 in de hoofdrol. De Aarde beschikt over systemen waarbij CO2 wordt toegevoegd aan en verwijderd uit de atmosfeer. We hebben het hier dus over de koolstofcyclus.
Voordat er mensen bestonden die gebruik maken van fossiele brandstoffen, was de belangrijkste toevoeging van koolstof aan de atmosfeer het werk van vulkanen. Het magma komt uit de mantel van de Aarde. In die mantel is de druk en temperatuur erg hoog, en calciumcarbonaat gaat dan spontaan opsplitsen in CO2 en Ca-ionen die met siliciumoxiden nieuwe gesteenten vormen. Het CO2 gaat vervolgens ontsnappen naar het oppervlak via vulkanisme.
Maar hoe geraakt koolstof terug in de mantel? Dit gebeurt via een proces dat we silicaatverwering noemen. De CO2 in de lucht gaat een deel oplossen in regenwater, en vormt koolzuur:
H2O + CO2 -> H2CO3
Dit koolzuur komt met de regen op gesteenten op het land, en gaat er mee reageren, bijvoorbeeld bij dit calciumsilicaat gesteente:
CaSiO3 + H2CO3 + H2O -> Ca2+ + 2 HCO3– + H2SiO4
De calcium ionen en het bicarbonaat komt uiteindelijk via grondwater en oppervlaktewater in de zee. Daar zal zich calciumcarbonaat (calciet) vormen dat op de bodem gaat neervallen (spontane chemie en ook doordat levende wezens kalkskeletjes aanmaken).
Ca2+ + 2 HCO3– -> CaCO3 + CO2
Als je de totale chemische reactie vanaf CO2 in de lucht tot en met calciet op de zeebodem gaat noteren op een uitgebalanceerde manier krijg je dit:
In de chemische vergelijkingen hierboven kan je zien dat de helft van de oorspronkelijk koolstof uit de atmosfeer vastgelegd wordt in nieuwe calciet, en de helft terug CO2 vormt in de zee. De helft die in het calciet blijft hangen op de zeebodem zal op zeer lange termijn terug in de mantel verdwijnen, dankzij platentektoniek. Op deze manier is silicaatverwering de methode van de Aarde om over miljoenen jaren het broeikasgas CO2 uit de atmosfeer te halen.
De snelheid waarmee CO2 wordt toegevoegd aan de atmosfeer (via vulkanen) en waarmee CO2 terug in de mantel gaat (via silicaatverwering) is in de geschiedenis van de planeet variërend. De variable snelheid van silicaatverwering werkt eigenlijk als een thermostaat, want verwering van gesteente gaat sneller als het warm is en/of als er meer CO2 in het regenwater terecht komt. Met andere woorden, in perioden met warmer klimaat – bijvoorbeeld 56 miljoen jaar geleden tijdens de overgang paleoceen-eoceen – kwamen er meer bicarbonaat en calcium en magnesium ionen in de zee terecht omdat het gesteente sneller verweerde (beetje zuurdere regen en warmer). Daardoor werd meer calciet gevormd op de oceanische korst, wat uiteindelijk terug verdween in de mantel. Het is een mechanisme dat we negatieve feedback noemen, en het zorgt voor het afvlakken van de meer extreme klimaatschommelingen op lange termijn. Op die manier kon de Aarde over miljarden jaren een leefbaar klimaat garanderen.
Schommelen met het klimaat, maar met mate
Hoewel het principe van de thermostaat duidelijk heel belangrijk is voor onze planeet, is de werkelijkheid wel nog wat ingewikkelder. Naast de hoeveelheid CO2 in de lucht en een warmer of kouder klimaat, zijn er nog heel wat factoren die dit proces namelijk beïnvloeden. Bijvoorbeeld:
- De aanwezigheid van complex leven in de oceaan: de vorming van calciet gebeurt tegenwoordig 20 keer sneller via levende wezens die kalkskeletjes bouwen dan door spontante chemische reacties zonder tussenkomst van leven.
- Gebergtevorming: wanneer door platentektoniek grote gebergten ontstaan, gaat op die plek gesteenteverwering behoorlijk sneller.
- Laag zeeniveau op Aarde: wanneer het zeewater daalt, komt er meer land bij, en dus is het oppervlak met gesteenteverwering groter.
- Plantengroei: als het land bedekt is met vegetatie, wordt verwering van het onderliggend gesteente vertraagd.
Daarbij komt nog dat de koolstofcyclus lang niet de enige factor is die het klimaat bepaalt. Over de geschiedenis van de Aarde zien we dus veel lange termijn klimaatschommelingen die we niet zomaar eenvoudig kunnen begrijpen. Op nog grotere tijdschaal (bijvoorbeeld over de totaliteit van de laaste 600 miljoen jaar) zien we wel een extra trend: de gemiddelde hoeveelheid CO2 in de atmosfeer neemt heel langzaam af. Dit verklaart waarom we in recentere tijden (bijvoorbeeld de laatste 3 miljoen jaar) in een gemiddeld koudere wereld zijn beland. De mens draait deze trend tijdelijk even terug om naar een warmere wereld door de fossiele koolstof uit de grond te verbranden. Maar dat is op veel kortere tijdschaal. We mogen ons eraan verwachten dat we nog eens 500 miljoen jaar in de toekomst zo weinig CO2 over houden in de atmosfeer, dat fotosynthese onmogelijk wordt. Dan stopt uiteraard alle leven voor planten en dieren. De reden van die dalende CO2 trend is de zeer langzame afkoeling van de mantel van de Aarde, en dus een verminderend vulkanisme.
Koolstof: het hele plaatje
De hele koolstofcyclus die afhangt van de hierboven beschreven mechanismen wordt soms de ’trage koolstofcyclus’ genoemd. Er is namelijk ook een veel snellere cyclus die te maken heeft met het leven op Aarde: fotosynthese en celademhaling, en met uitwisselingen tussen water en lucht. Er zijn erg veel bronnen te vinden die proberen de hoeveelheden koolstof in te schatten die in de trage en snelle cyclus rondgaan. Ik heb er veel bekeken, en geprobeerd om vervolgens zelf een soort consensus balans uit te tekenen. Het resultaat zie je hieronder.
Merk op dat koolstofreservoirs in de bodem en de oceanen ook veel groter zijn dan de jaarlijkse mobiliteit van koolstof.
Als je het uitdrukt in gemiddelde hoeveelheid per jaar, lijkt het aandeel van vulkanisme en silicaatverwering (de trage cyclus) heel klein. Maar de snelle cyclus blijft meestal in balans over langere tijd, dus het is wel degelijk de trage cyclus die in de geschiedenis dikwijls de extremen wist te verhinderen. Daar zijn ook uitzonderingen op. De enorme opkomst van landvegetatie in het Carboon was zulke uitzondering.
Een andere uitzonderlijke periode was iets meer dan 600 miljoen jaar geleden, wanneer de Aarde meer dan één keer in een uitzonderlijke koud klimaat terecht kwam. Dit was van 720 miljoen tot 635 miljoen jaar geleden (juist voor het ontstaan van planten- en dierenrijken, in het zogenaamde Cryogeniaan. Het is veel beter bekend onder de term sneeuwbal Aarde (Snowball Earth) of slushball Earth. Omdat de planeet bijna volledig bedekt geraakte met ijs, werd één kant van de trage koolstofcyclus stil gelegd: de silicaatverwering. Over miljoenen koude jaren konden gesteenten niet meer verweren in regenwater. Ze waren immers met een dik pak ijs bedekt. Het toevoegen van CO2 door vulkanen bleeft echter wel doorgaan. Op die manier naam het broeikasgas in de atmofeer langzaam toe, en kon de Aarde na miljoenen jaren terug naar een normaal klimaat evolueren.
Besluit
Er zijn veel factoren in de koolstofcyclus die nu en dan uit evenwicht geraken. Dit heeft directe invloed op het klimaat. Desondanks weet de Aarde binnen leefbare grenzen te blijven, en de trage koolstofcyclus (vulaknisme en silicaatverwering) blijven steeds op lange termijn de extremen afvlakken. Dit hebben we te danken aan actieve platentektoniek en de juiste verhoudingen van water en land op het oppervlak. Het leven zelf neemt ook een grote rol op zich.