Afbeelding in de hoofding: Model van de energie die onze zon afgeeft sinds haar ontstaan (let op, het is een logaritmische tijdschaal). Bron: https://www.researchgate.net/figure/Evolution-of-the-solar-luminosity-as-computed-from-a-stellar-evolution-model-Baraffe-et_fig1_356513556
De grafiek in de hoofding laat zien dat zonne-energie op Aarde toeneemt met de tijd. Dat is eigen aan het soort ster dat de Zon is. Op de bovenste horizontale as zie je de tijd ten opzicht van vandaag in miljarden jaren geleden. Sinds het onstaan van leven op Aarde (mogelijks ongeveer 4 miljard jaar geleden, maar dat weten we niet goed) is de zonne-energie dus voortdurend heel langzaam toegenomen. 4,5 miljard jaar geleden kregen we ongeveer 70% van de huidige energie op onze planeet. Mocht de atmosfeer toen dezelfde geweest zijn als vandaag, dan zou dat dus veel te koud zijn. Dan zou de Aarde een grote bevroren bol zijn, en dan was vloeibaar water niet mogelijk. Dat is duidelijk niet hoe het gegaan is. Meer nog: de Aarde is er eigenlijk in geslaagd om geleidelijk minder warmte vast te houden naarmate er meer zonne-energie binnen kwam. Onderstaande grafiek laat dit zien vanaf 4,5 GA tot vandaag.
Op bovenstaande grafiek zien we de langzame stijging van de zonne-energie over 4,5 miljard jaar, aangeduid met een rode lijn. De twee dikke zwarte lijnen tonen de berekende temperatuur die de Aarde zou hebben (gemiddelde jaartemperatuur) indien er geen atmosfeer zou zijn (zoals op de Maan) en indien de atmosfeer al die tijd dezelfde zou zijn als tegenwoordig. De gemiddelde temperatuur zou in dat laatste geval onder het vriespunt van water gebleven zijn gedurende de eerste 2,8 miljard jaar! Onderzoek van gesteenten (en isotopen) toont nochtans aan dat de gemiddelde jaartemperatuur al die tijd mooi binnen leefbare grenzen gebleven is. Dit wordt op de grafiek getoond met de bovenste grijze band. Deze voorstelling is schematisch en geeft een stabiele trend weer. Er waren echter ook uitschieters die hier niet getekend zijn, zoals de Sturtiaanse ijstijden en de Marinoaanse ijstijden in de periode 720-635 MA. In de meest extreme ‘snowball Earth’ momenten in die tijd ging de globale gemiddelde temperatuur wel onder het vriespunt. Mogelijk tot -20°C tot -40°C. Het toenmalige (voornamelijk eencellig) leven op Aarde is toen op het randje ontsnapt aan een volledige uitsterving. Op de evenaar en rond plaatselijke actieve vulkanen moet de temperatuur toch boven het vriespunt gelegen hebben, zodat er overlevingszones waren waar fotosynthese ook nog mogelijk bleef. Deze snowball Earth perioden zijn natuurlijk zeldzaam in de hele geologische geschiedenis. We kunnen in elk geval wel besluiten dat de atmosferische samenstelling tijdens de hele geschiedenis genoeg aangepast was om aards leven onophoudelijk te laten voortbestaan. Toch in elk geval sinds het einde van het hadeïcum (vanaf 3,9 GA). Dat is niet zo evident. Een planeet die via positieve feedback mechanismen ontspoort tot een onleefbare situatie is gemakkelijk denkbaar. Venus en Mars zijn eigenlijk in dat geval. Het is echt verbazend dat de Aarde iedere keer net genoeg broeikasgassen vasthield, zodat het niet onleefbaar warm of onleefbaar koud bleef.
Hoe kon de Aarde zich steeds voldoende aanpassen? Laten we nog eens opnieuw kijken naar de schematische voorstelling van de samenstelling van de atmosfeer in de geschiedenis van de planeet:
We overlopen eens de trend op de grafiek voor elk van de meest relevante atmosferische gassen:
N2 – stikstofgas
De huidige partiële druk van stikstofgas is 78% (op de log y-as hier is dat afgerond een waarde van -0,1). Bij de vorming van de Aarde werd redelijk veel ammonium (NH3) uitgestoten via vulkanisme. Deze moleculen werden door UV straling gesplitst, en het grootste deel eindigde als stikstofgas (N2) en waterstofgas (H2). Het zeer licht waterstofgas kon veel gemakkelijker ontsnappen van de zwaartekracht van de Aarde naar de lege ruimte. We vermoeden dat de hoeveelheid stikstof die toen over bleef weinig verschilde van de huidige hoeveelheid. Stikstofgas is namelijk zeer passief. Het reageert eigenlijk met niets. Het is dus gewoon in onze lucht blijven hangen. Op een zeker moment begonnen planten wel stikstof uit de atmosfeer te halen met behulp van schimmels (wat ze vandaag nog steeds volop doen). De opname door planten was zeker wel relevant voor de vruchtbaarheid van de bodem en dus de ontwikkeling van landecosystemen (nitraten – NO3 – zijn belangrijke nutriënten). Maar de hoeveelheid was laag genoeg om de samenstelling van de atmosfeer niet significant te veranderen.
CO2 – Koolstofdioxide
De volle rode lijn toont de trend van koolstofdioxide. Door vulkanische uitgassing is onze planeet gestart met een zeer hoge concentratie CO2. Hoewel de concentraties heel snel daalden door carbonaatvorming en platentektoniek, bleef de hoeveelheid CO2 de eerste 4 miljard jaar ruimschoots hoger dan de 420 ppm (0,004%) die we vandaag hebben (en 280 ppm voor de industriële revolutie). Als je kijkt naar de rode lijn, dan zie je over de hele lijn een licht dalende trend. Dat heeft onder meer te maken met de afkoeling van de planeet, en dus de vermindering van vulkanisme. Deze geleidelijke vermindering van een belangrijk broeikasgas lijkt wel ideaal om het effect van de geleidelijke toename van zonne-energie te compenseren. Dit is alvast een belangrijke verklaring voor de stabilisatie van het globaal klimaat om de planeet binnen leefbare grenzen te houden. Verder zien we dat het CO2 niveau op de trendlijn twee keer scherp omhoog gaat na een aanzienlijke daling. Dit zijn de grote globale ijstijden tijdens het Great Oxydation Event (GOE, 2,4-2,0 GA) en tijdens het Cryogeniaan (720-635 MA). De initiële daling verklaart mee de ijstijden (minder broeikasgas), maar hoe verklaar je de daaropvolgende stijging? Omdat bijna de volledige Aarde toen bedekt was met ijs, kon de CO2 niet uitregenen en terug in de mantel geraken via silicaatverwering (herinner u de aard-thermostaat van 1.7). Ondertussen bleven vulkanen wel CO2 toevoegen, en konden fotosynthetische organismen niet meer wereldwijd CO2 gebruiken voor hun groei – dat kon enkel nog in de ijsvrije zones. Het is door die relatief snelle stijging van CO2 dat de Aarde telkens weer uit haar snowball toestand kon ontsnappen.
H2O – Waterdamp
Net zoals CO2 is water een hoofdbestanddeel van de grote uitgassing uit vulkanisme tijdens de vorming van onze planeet (Hadeïcum). De atmosfeer startte dan ook met overvloedig veel waterdamp, een krachtig broeikasgas. Maar al snel na de eerste miljoenen jaren zorgde globale afkoeling voor het uitregenen ervan, en voor de vorming van de oceanen. Die oceanen hebben altijd een bufferende effect gehad op het klimaat, zoals eerder besproken. De donkerblauwe stippellijn op de grafiek toont verder een redelijk stabiele concentratie aan waterdamp in de atmosfeer. Het gaat hier over gemiddelden, want water is erg mobiel, en wisselst snel tussen oppervlaktewater, grondwater, waterdamp, en wolken. En wat betekenen de grotere pieken op de blauwe stippellijn? De eerste piek omhoog, rond 3,9 GA, is een illustratie van grote hoeveelheden waterdamp die kunnen vrijkomen wanneer de Aarde geraakt werd door zware planetoïden of kometen. Ongetwijfeld waren er tussen 4,5 en 3,9 GA veel van dergelijke pieken, in het bijzonder tijdens de ‘late heavy bombardement’. NIet alleen konden ze hele zeeën verdampen door de zware impact. De kometen waren zelf ook nog eens een bron van extra binnenkomend water. De twee pieken die omlaag wijzen dan: Dit zijn alweer die extreme ijstijden. Ook hier is het illustratief, eerder dan een correcte weergave. Het betekent dat waterdamp tijdelijk fel verminderde in de atmosfeer door de globale bedekking met ijskappen. Dat zijn immers perioden dat verdamping en neerslag grotendeels gaan stilvallen.
CH4 – Methaan
De roze lijn toont de trend van methaan. Dit gas is een zeer sterk broeikasgas en wordt enerzijds uitgestoten door vulkanen, en anderzijds geproduceerd door sommige levensvormen. Uiteraard werd bij de start van de Aarde veel methaan uitgestoten (de grote uitgassing), maar wel veel kleinere hoeveelheden dan water en CO2. Dat zie je duidelijk op de grafiek ind e eerste miljard jaar. Maar daarna komt een opvallende stijging. De Archaea en Bacteria die methaan uitstoten hebben toen hun hoogtepunt gekend. Ze verbruiken waterstofgas (H2) en CO2 voor hun metabolisme. We vermoeden dat zij tot de allereerste levensvormen behoorden. Ze konden zonder veel problemen gedijen in de oude oceanen, alleen gelimiteerd door de hoeveelheid voedingsstoffen. Daarom ligt de methaanpiek op de grafiek tussen 3 en 2,5 GA. Maar dan is de hoeveelheid zuurstof beginnen toenemen (GOE), wat twee gevolgen had: enerzijds werd het methaan in de atmosfeer snel geoxideerd door het zuurstofgas, en anderzijds werd de met zuurstof aangerijkte ondiepe oceaan onleefbaar voor de methanogenen. Voor hen is zuurstof giftig, ook in kleine hoeveelheden. We zien de concentratie methaan dan ook instorten tijdens het GOE, om nadien nooit meer terug te stijgen. Methaanproducerende organismen bestaan nog altijd veelvuldig in zuurstofarme milieus (moerassen, ingewanden, anoxische diepe wateren), maar de zuurstofrijke atmosfeer zorgt ervoor dat het gas niet lang in onze atmosfeer kan blijven. In elk geval heeft de grotere hoeveelheid methaan wel bijgedragen aan een warmer klimaat voor 2,5 GA. En dat was belangrijk om de zwakkere zon te compenseren.
Zuurstof (O2) in de atmosfeer is al uitgebreid besproken in het vorige deel (1.12), dus dit gaan we hier niet herhalen.
Besluit
Vandaag is de hoeveelheid broeikasgas veel lager dan op de vroege Aarde, maar dan toch nog genoeg om een ideale globale temperatuur van gemiddeld 15°C aan te houden. Als je alle broeikasgassen ineens zou wegnemen, dan had onze planeet vandaag een gemiddeld temperatuur van -18°C. Wat zeker helpt, is het thermostaat-effect van de lange termijn koolstofcyclus (vulkanisme en silocaatverwering). Anders gezegd: verhoogde zonne-energie zorgt ervoor dat er sneller koolstof in de mantel verdwijnt, zoals uitgelegd in 1.7.
De aanwezigheid van fotosynthetisch leven zorgt dan weer voor zuurstof, wat ook weer een regulerend effect heeft, en bovendien een ozonlaag mogelijk maakt. Door dat laatste werden landecosystemen mogelijk op onze levende planeet, eens dat er meercellig complex leven was. Zuurstof regelt mee het klimaat, want het oxideert bijvoorbeeld methaan. Zonder zuurstof zou methaan teveel toenemen in de atmosfeer, en een overdreven broeikaseffect zou het gevolg zijn. Bovendien helpt zuurstof de gesteenteverwering versnellen, een afkoelend effect via de koolstofcylcus.
Kortom, onze planeet heeft een indrukwekkend aanpassingsvermogen dankzij een fijn afgesteld atmosfeer met talrijke feedbackmechanismen. Het zorgde 4 miljard jaar lang voor een net voldoende stabiele omgeving, zodat complexe levensvormen en rijke biodiversiteit de tijd kregen om zich te ontwikkelen.