cahiersbio-wetenschappen

en maatschappijSysteemAardeG.J. VAN DER ZWAAN

H.N.A. PRIEM

P.G. WESTBROEK

J. SMIT

D. KROON

G.J. BOEKSCHOTEN

P.J. CRUTZEN

Cahiers Bio-Wetenschappen en Maatschappij

Lay-out en druk: Drukkerij Groen BV, Leiden

Het bestuur van de stichting bestaat uit:prof. dr. D.W. van Bekkum (voorzitter)prof. dr. H.M. Dupuisprof. dr. J.P.M. Geraedtsprof. dr. J. Joosseprof. dr. J.A. Knottnerusprof. dr. W.J. Rietveldprof. dr. D. de Wiedprof. dr. P.R. Wiepkema (penningmeester)

Redactie:prof.dr. D.W. van Bekkumprof.dr. H.N.A. Priemprof.dr. G.J. van der Zwaan

Eindredactiedrs. Liesbeth Koenendr. Rik Smitsdrs. Wim van Haren

22e jaargang, nr. 2, november 2003

Abonnementen en bestellingen:

Stichting Bio-Wetenschappen en MaatschappijPostbus 93402, 2509 AK DEN HAAGTel. 070 - 34 40 781

De cahiers verschijnen viermaal per jaarVan de reeds verschenen cahiers zijn de meeste uitgavennog verkrijgbaar. Zie hiervoor de inlegkaarten in dit cahier

© Stichting Bio-Wetenschappen en Maatschappij

ISBN 90-73196-34-5

1

Cahier Systeem Aarde

INHOUD

TEN GELEIDE 2

HOOFDSTUK 1: HET SYSTEEM AARDE, DE SAMENHANG TUSSENLEVEN EN DODE MATERIE 4G.J. van der Zwaan

HOOFDSTUK 2: TIEN MILJARD JAAR AARDE 14De buren zijn variaties op hetzelfde themaH.N.A. Priem

HOOFDSTUK 3: GAIA, EARTH SYSTEM SCIENCE EN BIOGEOLOGIE 27P.G. Westbroek

HOOFDSTUK 4: DOELWIT AARDE: RUIMTEPROJECTIELEN,INSLAGKRATERS EN DE GEVOLGEN 34J. Smit

HOOFDSTUK 5: BROEIKASEFFECTEN UIT DE DIEPZEE 43D. Kroon

HOOFDSTUK 6: HOE DE MENS DE AARDE VEROVERDE 53G.J. Boekschoten

HOOFDSTUK 7: HET ANTROPOCEEN: OP DE DREMPEL NAAR DE TOEKOMST 60P.J. Crutzen

2

TEN GELEIDEDit cahier over Het Systeem Aarde kwam tot stand dank zij de samenwerking met de Vereniging“Het Nederlandsch Natuur- en Geneeskundig Congres” die eerder dit jaar van start ging met deuitgave van ons cahier Darwin en Gedrag. Dat laatste was vrijwel geheel geschreven door desprekers van het Symposium over Evolutionaire Psychologie dat het Congres op 29 maart 2003te Amsterdam organiseerde. Het voorliggende cahier over Het Systeem Aarde hangt nauw samenmet het Symposium dat onder dezelfde titel op 1 november 2003 in Artis wordt gehouden. Het bevat behalve de bijdragen van de sprekers Priem, Westbroek, Smit, Boekschoten en Kroon,artikelen van Crutzen en van der Zwaan. Daarmee heeft de redactie beoogd het onderwerp nogvollediger te behandelen dan tijdens het Symposium mogelijk was. Van dit Cahier zal ook een speciale uitgave verschijnen ter gelegenheid van de feestelijke bij-eenkomst die op 12 november in het museum Naturalis te Leiden plaats vindt om de onderte-kening van het convenant tussen de Nederlandse Organisatie voor wetenschappelijk Onderzoek(NWO) en de stichting Bio-Wetenschappen en Maatschappij te vieren.Dank aan allen die zich hebben ingespannen om dit symposium en het cahier tot stand te bren-gen. Zij getuigen met hun bijdragen van hun sterke motivatie om de vruchten van het weten-schappelijk onderzoek ook uit te dragen buiten de eigen kring van vakspecialisten.

D.W. van Bekkum Ph. RümkeVoorzitter VoorzitterSt. Biowetenschappen en Maatschappij Het Nederlandsch Natuur- en

Geneeskundig Congres

Het Nederlandsch Natuur- en Geneeskundig Congres is een genootschap dat in 1887 werdopgericht met het doel om academici van verschillende wetenschappelijke disciplines (artsen,biologen, scheikundigen, astronomen, epidemiologen, werktuigbouwkundigen, geologen, enz)met elkaar in contact te brengen en informatie te laten uitwisselen. In de beginjaren werdenmeerdaagse congressen gehouden met eminente wetenschappers en Nobelprijswinnaars zoalsBeyerinck, Einthoven, Eijkman, Van ‘t Hoff, Kamerlingh Onnes, Lorentz, Hugo de Vries, Zeemanen Zernicke. De oorspronkelijke doelstelling is inmiddels verlaten. Het ambitieniveau is thansminder hoog: het uitdragen van wetenschappelijke kennis, met name van Nederlandse onder-zoekers, naar een breder publiek. Sinds 1991 wordt twee maal per jaar over een natuurwetenschappelijk of sociaal-cultureelonderwerp een congres georganiseerd. Waren de symposia vroeger vooral gericht op typischebèta-onderwerpen, tegenwoordig zijn het meer algemene thema’s, zoals ‘Ontwikkelingen in deevolutiebiologie’ en ‘Waterkering in Nederland’, soms zelfs met een alfa- of gamma-tintje:‘Onderzoek over emoties’ en ‘Apen in het oude Egypte’.

De Stichting Bio-Wetenschappen en Maatschappij (BWM) wil nieuwe ontwikkelingen toegang-kelijk maken voor een breder publiek, maar beperkt tot de biowetenschappen en met de nadrukop de maatschappelijke gevolgen. Als belangrijkste instrument geeft de Stichting Cahiers uit,waarin de wetenschappers zelf verslag uitbrengen over nieuwe inzichten. Vanaf 2003 werktBWM binnen een alliantie met NWO, de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk onder-zoek en ZON, Zorg Onderzoek Nederland.

3

Geologische tijdschaal

Bron: TNO-NITG.

ERA

ERATHEEM

Kenozoicum

Mesozoicum

Paleozoicum

PERIODE

SYSTEEM

Kwartair

Neogeen

Paleogeen

Krijt

Jura

Trias

Perm

Karboon

Devoon

Siluur

Ordovicium

Cambrium

TIJDVAK(epoch)

SERIE

PleistoceenPlicoceen

Mioceen

Oligoceen

Eoceen

Paleoceen

Boven - Krijt

Onder - Krijt

Boven - Jura

Midden - Jura

Onder - Jura

Boven - Trias

Midden- TriasOnder - Trias

Boven - Perm

Onder - Perm

Boven - Karboon(Pennsylvanian)

Onder - Karboon(Mississipian)

Boven - Devoon

Midden - Devoon

Onder - Devoon

Miljoenen jaren

27

26

37

53

65

100

136

162172

190

205215225

240

280

325

345

359

370

395

430

500

570 –

Tert

iair

Het Systeem Aarde, de samenhang tussen leven en dode materie

1

G.J. VAN DER ZWAAN

G.J. van der Zwaan studeerde paleontologie, sedimentolo-gie en structurele geologie aan de Vrije Universiteit inAmsterdam en de Universiteit van Utrecht. Na een verblijf inhet buitenland promoveerde hij in 1982 op de paleoecologievan neogene foraminiferen (eencelligen). Hij werkte achter-eenvolgens bij de universiteiten van Utrecht en Nijmegen alsdocent en later hoogleraar Paleoecologie en Biogeologie.Tevens doceerde hij aan het Utrecht University College enverzorgde gastcolleges voor allerlei instellingen. Hij was lidvan vele commissies die zich bezighielden met de herstruc-turering van het universitair onderwijs, voorzitter van deKNAW-verkenningscommissie Biogeologie en is voorzittervan het Nationale Centrum voor Biogeologie i.o. Sinds 2003is hij naast hoogleraar Biogeologie aan de universiteiten vanUtrecht en Nijmegen, ook vice-decaan van de FaculteitGeowetenschappen van de Universiteit Utrecht, en trekkervan het nationale onderzoek op het gebied van deBiogeologie.

4

Er zijn nog raadsels genoeg. Zo is er de geheimzinnigeregelmaat waarmee ineens op grote schaal massaal soor-ten uitsterven. Elke 26 miljoen jaar is het raak. En waaromblijft de hoeveelheid zuurstof in onze atmosfeer nu al hon-derd miljoen jaar ongeveer even groot, terwijl die eigenlijkzou moeten toenemen? Hoeveel van de huidige toestandop aarde aan de mens moet worden toegeschreven, isook nog niet duidelijk, maar vast staat dat alle verkla-ringen en oorzaken liggen in de werking van het uiterstcomplexe en tegelijk verfijnde ‘Systeem Aarde’. Daarinwerken heel veel elementen en krachten samen en opelkaar in. De atmosfeer, het water, de aardkorst, en alleswat leeft zijn onderling nauw verweven, maar ook dezwaartekracht, de warmte van de zon en het hete binnen-ste van de aarde maken een wezenlijk deel uit van eeneenheid die steeds verandert, evolueert. Het systeem is inde loop van miljoenen jaren dan ook steeds ingewikkeldergeworden.

Die veelomvattende blik op de wereld, waarin letterlijkalles met alles samenhangt, waarin bijvoorbeeld het levenonmogelijk kan bestaan zonder dode materie, is pas delaatste tientallen jaren gemeengoed geworden. Weliswaarwerd in de tijd dat Darwin zijn Origin of Species schreef – het werd uiteindelijk gepubliceerd in 1859 – de natuurdoor wetenschappelijk onderzoekers nog als één geheelbeschouwd, en waren ze ook vaak thuis in verschillendevakgebieden, maar het ontbrak aan de kennis om desamenhang te kunnen zien. In de periode daarna drevenbiologen, geologen en paleontologen dan ook uiteen. Welwerd een ongelooflijke hoeveelheid werk verzet, en zijn ermassa’s gegevens verzameld, maar die werden zeldenmet elkaar in verband gebracht. Evolutieonderzoek bij-

5

voorbeeld ging over de geleidelijke danwel sprongsgewij-ze ontwikkeling van plant- en diersoorten, geologentwistten over het ontstaan van gesteenten, en paleontolo-gen richtten zich vooral op de datering van hun fossielen. Wat nu elk schoolkind over het ontstaan en de ontwikke-ling van de aarde weet, is voor het grootste gedeelte pasin de afgelopen tweehonderd jaar duidelijk geworden.Hoe onvoorstelbaar oud de aarde is bijvoorbeeld. Hooguiteen paar duizend jaar was heel lang de schatting. InDarwins tijd werd er voor het eerst over miljoenen jarengesproken, wat de noodzakelijke ruimte gaf aan de evolu-tiegedachte, en pas in 1911 kwam de Britse geoloogArthur Holmes met een ouderdom van meer dan een mil-jard jaar. Om precies te zijn: 1,6 miljard – wat nog altijdeen ruim drie miljard jaar jongere aarde opleverde dantegenwoordig voor waar wordt aangenomen. Hij wasdegene die inzag dat het onderzoek naar radioactiviteitvan Pierre en Marie Curie in Parijs grote en geheel nieuwemogelijkheden bood om dateringen te doen. Ook het idee dat het leven op land afstamde van leven inde oceaan is relatief jong. Geleidelijk groeide in de vorigeeeuw het beeld dat amfibieën uit vissen, reptielen uitamfibieën en zoogdieren uit reptielen waren ontstaan. Endat er naast langzame ook abrupte evolutionaire verande-ringen geweest zijn, die soms samenhingen met het plot-seling massaal uitsterven van soorten. Dat zoiets eenaantal keren gebeurd moest zijn, maakte systematischfossielenonderzoek voor het eerst duidelijk. Iets eerder was er al de goed onderbouwde conclusie vande Schotse geoloog James Hutton (1726-1797) dat som-mige gesteenten uit de diepere delen van de aardeafkomstig moesten zijn. Hij nam aan dat die gesteenteneerst gesmolten waren geweest en daarna gestold, enleidde daaruit af dat de diepere delen van de aardeimmens heet moesten zijn. Ook was hij de eerste die ver-onderstelde dat gebergten geleidelijk afgebroken werdenen vervielen tot afzettingsgesteente of sediment. Maarpas in de jaren zestig van de twintigste eeuw begon tot deonderzoeksgemeenschap door te dringen dat de conti-nenten niet stilliggen, maar langzaam uit elkaar drijven.En dat ze ooit één geheel (Pangea geheten) hebbengevormd. Tot op de dag van vandaag botsen of schuivende stukken, of in geologische termen: de platen, tegen ofonder elkaar. Die platentektoniek is de oorzaak vanaardbevingen en vulkanische uitbarstingen.Nieuwe waarnemingstechnieken zoals satellieten,gecombineerd met grote ongerustheid over de eindigheidvan het reservoir aan grondstoffen en over het milieu als

geheel – zoals invloedrijk verwoord in het eerste rapportvan de Club van Rome – zetten ten slotte vanaf de jarenzeventig een ware revolutie in het denken in gang. Hetinzicht groeide dat de omstandigheden op aarde, waar-onder het klimaat en de waterrijkdom, door levenspro-cessen worden gedomineerd. En dat de terugkoppelingentussen de levende en de niet-levende delen van de aardeeen sleutelrol spelen bij de regulering van het ‘globalesysteem’, zoals het meestal genoemd wordt in een halvevertaling van het Engelse ‘global system’. Nog een bij-drage aan dit denken vormde de geruchtmakende Gaia-hypothese van de Engelsman James Lovelock (ziedaarvoor de bijdrage Gaia, earth system science en bio-geologie van Peter Westbroek).Een groot internationaal onderzoeksprogramma onder denaam International Geosphere-Biosphere Programma(IGBP) uit de jaren negentig van de vorige eeuw had veelinvloed op de opinie. Steeds duidelijker werd dat er inhonderden miljoenen jaren evolutie een ragfijn, samen-hangend geheel ontstaan is, dat kwetsbaar is en ook eer-der in de aardse geschiedenis een aantal malen op groteschaal ontwricht is geraakt. De doemscenario’s van deClub van Rome hébben al plaatsgevonden, ver voordatde mens ten tonele verscheen, alleen toen door natuur-lijke oorzaken, zoals vulkaanuitbarstingen, de inslag vanmeteorieten en klimaatveranderingen. Pas de laatste tijdwordt de vraag gesteld of er verschillen zijn tussennatuurlijke ontregelingen van het systeem en door demens veroorzaakte verstoringen. Ook onderzoek naar hettempo waarin de aarde zich herstelde na een verstoring isnieuw. Inmiddels hebben de verschillende vakgebiedenelkaar weer gevonden in de aardwetenschappen, en teke-nen de contouren van het systeem aarde zich steedsscherper af.

De wortel van alle levenAlles draait op maar twee energiebronnen: de zon en dehitte in het binnenste van de aarde. Samen met dezwaartekracht sturen die alle processen op aarde. Zeleveren dus uiteindelijk ook de bron van energie voor deevolutie. Maar hun kracht is niet aldoor dezelfde. Deaarde is sinds haar ontstaan een kleine vijf miljard jaargeleden afgekoeld. Dat is vermoedelijk verlopen via eenregelmatige daling waar organismen (voor zover zebestonden) nauwelijks effect van hebben ondervonden. Maar waar organismen wel mee te maken krijgen, is deveranderlijke hoeveelheid energie van de zon. In het pro-ces van ‘natuurlijke selectie’ is dat een grote factor.

6

Iedere soort die afhankelijk is van zonnestraling dient tij-dens de duur van zijn bestaan berekend te zijn op regel-matige veranderingen, bijvoorbeeld in de vorm van dag-nacht- of seizoensritmen.Daarnaast is er variatie in de baan van de aarde om dezon, die op veel langere termijnen speelt. Er zijn onderandere omlopen van 20.000, 40.000 en 100.000 jaar. Dieuiteenlopende zonnecycli kun je in een curve uitzetten,die weergeeft hoe de aarde soms veel en soms weinigstraling ontvangt. De afwisseling van de jongste ijstijdenof glacialen, en de tussenliggende periodes (interglacia-len) zijn er precies uit af te lezen. Dezelfde variatie in deaardbaan maakt dat het contrast tussen de seizoenen,vooral sinds het ontstaan van de jongste ijskappen op denoordpool en zuidpool (en dat is nog maar respectievelijk3,2 en 15 miljoen jaar geleden!), scherp is. Ieder orga-nisme dient daarop berekend te zijn en via natuurlijkeselectie zullen dus vooral die organismen overleven dieoptimaal aangepast zijn aan dergelijke regelmatige varia-ties. De warmte-effecten van de energiebronnen werken in opde rest van het aardse systeem. Dat valt kort samengevatonder te verdelen in vier compartimenten, die nauw ver-weven zijn en zich dan ook in onderlinge samenhang ont-wikkelen: de biosfeer, de lithosfeer, de atmosfeer en dehydrosfeer. In een wat losse definitie bevatten die achter-eenvolgens alle levende materie, de harde aarde inclusiefde aardkorst, alles wat in gasvorm voorkomt, en al hetwater. Dat ook de lithosfeer, de harde en rigide geachteaarde, zich constant in een staat van dynamische veran-dering bevindt, is een cruciaal recent inzicht. De biosfeer is duidelijk de jongste van die vier onderdelenvan het aardesysteem. Die heeft zich de afgelopen 600miljoen jaar als een dunne film genesteld op het grensvlaktussen de massieve compartimenten van de lithosfeer, dehydrosfeer en atmosfeer. De interactie tussen de biosfeeren de drie andere compartimenten is eindeloos complexen geschakeerd, maar er zijn wel drie processen aan tegeven waar het leven heel primair mee te maken heeft.Storing in een van die processen, die het leven als hetware dragen, zal directe en ernstige gevolgen hebbenvoor de ontwikkeling van dat leven. In de eerste plaats is er de grootschalige kringloop vanvoedsel, die gebaseerd is op de kringloop van verweringen erosie. Die kringloop verbindt de biosfeer en de litho-sfeer, al verloopt dat wel via tussenkomst van de atmo-sfeer en hydrosfeer. Daarnaast zijn er twee op het eerstegezicht iets minder belangrijke processen, die toch voor

het leven uiteindelijk van zeer doorslaggevende betekenisblijken: de beweging van het water in de oceanen, die viaeen soort transportband voedsel en vooral warmte overde aarde verspreidt, en een soortgelijke transportband inde atmosfeer, die vocht en warmte over de aarde ver-deelt. Twee transportbanden, en één cyclus: daar is hetleven op aarde helemaal van afhankelijk.Van groot belang is het concept van de “continentaldrift”: de theorie dat de continenten, zoals we die nu ken-nen, ooit eens verbonden waren maar later uiteengedre-ven zijn naar hun huidige positie. Het werkt als volgt: diepin de aarde, op het grensvlak van korst en de zogenaam-de mantel, circuleert vloeibaar gesteente. Dat gesteentewordt door de inwendige hitte in beweging gebracht, opeen manier die sterk lijkt op hoe water in een pannetje,dat op het gasfornuis opgewarmd wordt, gaat borrelen.Wie goed kijkt, ziet dat dat borrelen meer is dan bellenblazen: water wordt op de bodem van het pannetje ver-warmd, stijgt naar het oppervlak, koelt af en zakt zijde-lings terug naar de bodem van het pannetje. De beweging van het vloeibaar gesteente in de aarde leidttot een soortgelijke beweging (convectie), waarbij heetmateriaal over grote afstand aan het oppervlak komt. De zones waar dat optreedt, liggen diep in de oceaan en worden ridges (‘richels’ of ‘kammen’) genoemd (ziefiguur 1). Deze en andere vormen van vulkanisme leidentot een gigantische productie aan gassen: vulkanen zijn

Figuur 1: Dwarsdoorsnede door de aarde, waarbij vanuit een “ridge”(gelegen middenin de oceaan) heet gesteente naar buiten stroomt waardoorde platen aardkorst daar uiteenwijken. Elders duikt deze plaat onder eenandere, waardoor vulkanisme en gebergtevorming plaatsvindt. Erosie leidttot afbraak van dat gebergte, waarna sediment en voedingsstoffen via trans-port van water naar de oceaan vervoerd worden.

7

daarmee de belangrijkste natuurlijke producenten vankoolzuurgas, ofwel CO2. Maar de natuur zorgt zolang ersprake van evenwicht is ook voor een tegenwicht. Naasteen bron van gasproductie is er ook een gasconsument.Dat proces zit zo in elkaar: als gevolg van de bewegingvan vloeibaar materiaal in de aarde gaan hele delen vande dunne buitenste schil, de aardkorst, bewegen.Sommige delen (zogenaamde platen) wijken uiteen (langs de ridges) en de continenten bewegen daar-door van elkaar af. Maar omdat de aarde een bol is,bewegen andere delen dan juist naar elkaar toe. Soms zal de ene plaat onder de andere duiken, soms zullenplaten botsen. In beide gevallen ontstaat een enormespanning in de korst, die uiteindelijk leidt tot opheffingvan het gesteente en de vorming van gebergten. En daar,in het ontstaan van reliëf, ligt de wortel voor bijna alleleven. Onder invloed van ijs, water, temperatuurverschillen,wind en vooral begroeiing, verbrokkelt dit gebergte ver-volgens namelijk in geologisch zeer korte tijd. Gesteentewordt eerst fijngemalen tot puin, en daarna nog fijner totzand en klei. Dit proces van verwering wordt geholpendoor de zwaartekracht: het materiaal wordt verplaatst ennaar beneden vervoerd, wat leidt tot afvlakking van hetgebergte. Vegetatie speelt hierin een cruciale rol: vooralvia beworteling en de daar optredende chemische wissel-werking wordt het gesteente chemisch aangepakt.Daarbij vindt de belangrijkste ‘consumptie’ plaats van deeerder vooral door vulkanen geproduceerde overmaataan gas: uit honderd kilo gesteente ontstaat 113,5 kilosediment. Dat wil zeggen dat 13,5 kilo atmosfeer ‘gecon-sumeerd’ wordt. In een ‘steady-state’ zijn de processenvan vulkanische gasproductie en consumptie door ero-sie, ongeveer in evenwicht.Maar belangrijker is het volgende: bij de verpulvering vanhet gesteente doen bacteriën en planten heel bijzonderwerk. Zij maken, vaak via chemische reacties, voedsel vrijwaarmee al het leven op aarde verder onderhoudenwordt. Dit zijn spore-elementen (bijvoorbeeld ijzer, zink,koper), maar vooral ook fosfor en in mindere mate stik-stof. De enige manier om fosfor – in veel opzichten hetelement dat het leven het meeste inperkt – vrij te maken,is via de kringloop van erosie van gesteente. En daarhaakt de kringloop van het leven op in: vegetatie groeit,op basis van de vrijgemaakte elementen, met behulp vanwater en licht. En die vegetatie staat aan de basis van alleverdere leven op het land, inclusief de hoogste delen vande voedselpiramide.

Uiteindelijk komt al dat materiaal dat de biosfeer zo pro-duceert, na de dood van de organismen weer terug op debodem voor hergebruik. En vroeg of laat zal 80 tot 95 pro-cent van al het materiaal dat op de continenten geprodu-ceerd wordt, via een overigens beperkt aantal groterivierstelsels, terechtkomen in de oceanen. Daar wordthet, inclusief het zo belangrijke fosfor, door de bewegingvan het water verder getransporteerd. Ze onderhoudt hetleven in de oceanen. Als deze kringloop onderbroken zouworden (we zouden bijvoorbeeld alle grote riviermon-dingen kunnen blokkeren), dan zou het leven in de oceaan in ongeveer duizend jaar dramatisch ineenstor-ten. Uiteindelijk is het lot van al die verweringsproducten,inclusief de resten van organismen en inclusief het fosfor, begraving op de zeebodem. Daar moet het wachten tot het door de beweging van de aardkorst ooitweer eens opgeheven wordt tot gebergte, waarna hetweer kan bijdragen tot de ontwikkeling van het leven opaarde.

Supertransportbanden voor warmte en vocht Die grote voedselkringloop hangt ook af van hoeveelwarmte en vocht er beschikbaar zijn. Daarvoor beschiktde aarde over ‘transportbanden’: één in het water, en éénin de lucht. Dat de zon de aarde niet overal even hard ver-warmt, is daarbij van doorslaggevend belang. De tempe-ratuurverschillen, die onder meer de tropen het heetst ende polaire gebieden het koudst maken, sturen eenbelangrijk deel van de aardse dynamiek aan. Het watervan de oceanen stroomt in een grote cirkel van de eve-naar naar de pool doordat de aarde draait en er windwaait, aangedreven door hoge- en lagedrukgebieden, dieop hun beurt weer onder invloed van de temperatuurver-schillen ontstaan. Die stroming neemt de sedimenten envoedingsstoffen langs de kustzone mee en verspreidt diein het oppervlaktewater van de oceanen. Daar ligt debasis van de oceanische voedselketen. Maar water dat naar de pool stroomt, neemt ook eenbelangrijke hoeveelheid warmte mee, die geleidelijkwordt afgestaan. Daarmee draagt de oceaan opfundamentele wijze bij aan het aardse klimaat. Aangeko-men op de noordpool wordt het water in de AtlantischeOceaan zo sterk afgekoeld, en daarmee zo veel zwaarder,dat het zinkt en als zeer diep water langs de oceaanbo-dem terugkeert. Stromend vangt dit water voedsel op datvan boven naar beneden regent, en zo gaat het weerhelemaal terug van de noordpool naar de zuidpool, waarhet naar boven gedwongen wordt en de transportband

8

zich gedeeltelijk sluit (zie figuur 2). Een deel van dit watergaat rond de zuidpool cirkelen, wordt weer afgekoeld enzakt opnieuw de oceanen in, bijvoorbeeld de Stille en deIndische Oceaan. Daar komt het na lange tijd weer boven,opnieuw verrijkt met voedsel dat tijdens de tocht vanboven naar beneden regende. Vervolgens zal het waterweer via het oppervlak naar de zuidpool vloeien, waarnade transportband helemaal gesloten is.

Figuur 2: De “transportband” van het oceaanwater, die in een grote lus dooralle oceanen stroomt, nu eens aan de oppervlakte, dan weer door afkoelinglangs de bodem van de oceanen.

Figuur 3: Schematische weergave van de circulatie in de atmosfeer; bijvoor-beeld, warme lucht stijgt op bij de equator en regent uit. De afgekoeldedroge lucht daalt op ongeveer 30o NB en ZB, waarna het weer terugstroomtnaar de equator. Zo wordt de zogenaamde “directe” Hadley cel gevormd.

Iedere keer als het diepe water bovenkomt, brengt hetdus opnieuw voedsel, dat eerder tijdens de tocht opge-vangen was, in de bovenste waterlagen. Zowel voor devoedselcyclus als voor de verdeling van warmte speelt deoceaan op die manier op gigantische schaal voor ‘buffer’.Verstoringen in dit systeem zullen ongekende invloedhebben, in de eerste plaats in de oceanen zelf, maar viade verspreiding van warmte ook op het wereldklimaat endus op het leven op land. Een soortgelijke transportband, die naast warmte vochtvervoert, is te vinden in de atmosfeer (figuur 3). Aan deevenaar stijgt warme, deels erg vochtige lucht op, diedoor afkoeling voor veel regen zorgt in de vochtige tropi-sche gordel. Daardoor blijft droge lucht over die neer-daalt na verdere afkoeling, en zorgt juist voor zeer drogewoestijnachtige gebieden op 30 graden noorder en zui-derbreedte. De atmosferische transportband zorgt dusvoor het transport van vocht, en daarmee ook voor warm-te. Op hogere breedten zijn soortgelijke circulatiecellenactief met de verdeling van warmte en vocht bezig. Die

distributie kan versnellen of vertragen: tijdens ijstijden zaler vijftien procent minder water uit de oceanen verdam-pen, waardoor de atmosfeer dus uiteindelijk veel minderwater kan transporteren, wat leidt tot een aanzienlijkeverdroging. Omgekeerd zal tijdens warme perioden veelmeer vocht vervoerd worden, waarmee de basisdelen vande voedselketen, de planten op het land, in hoeveelheidsterk zullen toenemen. De biomassa op het land (al hetlevende materiaal uitgedrukt in grammen koolstof/m2)hangt dus sterk samen met de vochthuishouding.Deze twee super-transportstelsels zorgen voor eenbelangrijke zeef waardoor het leven geselecteerd zal wor-den. Variatie in beide transportbanden kan bijvoorbeeldleiden tot belangrijke wereldwijde temperatuurwij-zigingen. Maar daarnaast zal het leven in de oceaan ookberekend zijn op belangrijke variatie in de hoeveelheidvoedsel door variatie in de oceanische transportband.Sleutelelement is dat het leven minstens aangepast moetzijn aan de kortlopende variatie in deze processen, bij-voorbeeld de 20.000 jaar cyclus van de aardbaan om dezon. Dit en andere variaties in zonne-energie genererensnelle veranderingen, waarbij de omstandigheden kun-nen veranderen van ijstijd naar interglaciaal binnen eenaantal honderden jaren, met alle wijzigingen in debeschreven transportstelsels van dien. Alles wat snellerverloopt, of van grotere omvang is, zal de biosfeer nietkunnen weerstaan en zal dus uitgebreide gevolgen heb-ben.

Polar cells

Temperate cells

Subtropicalhigh-pressure belt

Tropical cells

Equatorial trough

Tropical cells

Subtropicalhigh-pressure belt

Temperate cells

Polar cells

9

Het startpunt van vrijwel alle wereldwijde wijzigingen inhet aardse systeem is te vinden in de verschuiving vancontinenten, die onder invloed van de beweging vanvloeibaar gesteente diep in de aarde continu van positieveranderen. Geologisch gezien nog niet zo lang geleden(ongeveer 22 miljoen jaar), was de Middellandse Zee bij-voorbeeld aan de oostzijde verbonden met de IndischeOceaan. Ook de landbrug tussen Noord- en Zuid-Amerikabestond nog niet, die is pas 3,5 miljoen jaar geleden ont-staan. Wie op een wereldbol kijkt ziet dat als deze ope-ningen bestaan, er een zeestroming ontstaat, waarbij hetwater van de oceaan (onder invloed van de draaiing vande aarde) langs de evenaar gaat cirkelen. Dat wordt decircum-equatoriale stroom genoemd. Veel van de warmteblijft dan in de tropische gordel en wordt niet naar depolen getransporteerd. Kijken we eens wat meer in detail naar wat er gebeurdetussen 22 en 15 miljoen jaar geleden, dan geeft dat eengoed idee van de ontzagwekkende omvang van de pro-cessen. De Afrikaanse plaat bewoog in die tijd noord-waarts, naar de Europese plaat toe, en sneed daardoor deverbinding tussen de Indische Oceaan en MiddellandseZee af. De circum-equatoriale stroom werd onderbrokenen het onverwachte gevolg was dat het klimaat ingrijpenden snel veranderde. Warmte werd nu ook richting polengetransporteerd en zorgde daar voor verdamping enneerslag. Inmiddels was ook het Antarctische continentlosgekomen van Zuid-Amerika en kwam daardoor geïso-leerd te liggen. De neerslag die op de zuidpool neerkwam,bleef bewaard in de vorm van sneeuw en 15 miljoen gele-den ontstond daaruit de eerste grote ijskap. Verdereafkoeling leidde ertoe dat over de hele wereld drogerwerd. In een koudere wereld is er minder verdamping endat vertraagt de watercyclus, waardoor het nog drogerwordt, enzovoort. Uiteindelijk ontstonden zo de eersteuitgestrekte savannes en woestijnen. Nog weer veel laterontstond daar de mens, die zich als savannedier ontwik-kelde uit regenwoudprimaten (zie hierover de bijdrageHoe de mens de aarde veroverde van Bert Boekschoten).

Steeds complexer én efficiënterZoals in de bijdrage van Harry Priem (Tien miljard jaaraarde) te lezen is, maakt de aarde deel uit van een zon-nestelsel dat nog steeds evolueert. De aarde ontwikkeldezich anders dan de andere planeten omdat zich al vroegeen aantal belangrijke kringlopen instelden maar ookhandhaafden. Die kringlopen waren van groot belang voorhet leven, maar omgekeerd speelde het leven een belang-

rijke rol in de handhaving van de dynamiek van dat primi-tieve aardse systeem. Het belang van het samenspel van leven en niet-leven valtgoed te zien aan de koolstofcyclus. Sinds kort weten wedat met de voortdurende plaatbewegingen enorme hoe-veelheden zeewater meegenomen worden naar diepedelen van de korst en zelfs naar de daaronder liggendemantel. Dat water blijkt broodnodig als smeermiddel omde neerwaartse beweging van de plaat mogelijk te maken,want zonder water stokt of vertraagt de plaatbeweging,en verliest de aarde zijn dynamiek. Er is dus een voortdu-rende kringloop van water dat eerst diep de aarde induikten later onder invloed van verhitting samen met gesmol-ten gesteente terug naar boven gebracht wordt via vulka-nisme. Op die manier is er op aarde altijd water in dekorst en mantel voorradig geweest, en het water dat uitde atmosfeer verdween, werd constant aangevuld via dedynamiek van convectie binnenin de aarde. Dat proces gaat hand in hand met een tweede verschijn-sel: samen met het water verdwijnt er met de onderdui-kende plaat ook een formidabele hoeveelheid kalk dediepte in. Dat kalk, aangemaakt door organismen die nahun dood naar de bodem van de oceaan zijn gezakt, komtop termijn terug (samen met andere gassen) als koolzuur(CO2). De gasproductie die tegenover de gasconsumptiedoor erosie en verwering staat. Het CO2 wordt dus steedsaangevuld, en zo komt de aarde aan een gewaarborgdeatmosfeer met een broeikasfunctie. Zo’n broeikas is essentieel voor leven: zonder de broeikas verdwijnt hetwater en worden grote temperatuurvariaties nietgedempt. Die aardse broeikas bestaat dus eigenlijk uit-eindelijk bij gratie van de convectie in de aarde en dedaaruit voortvloeiende plaatbeweging. Omgekeerd, zon-der broeikas geen water, en zonder water geen plaatbe-weging. Pas sinds heel kort zien we in dat deze cyclus, samen metweer andere cycli daarbinnen, essentieel zijn voor de sta-biliteit van het systeem. Ook weten we nu dat ze in deloop van de evolutie van de aarde steeds complexergeworden zijn. De boven beschreven cyclus verleent hetSysteem Aarde stabiliteit op heel lange tijdschalen. Ietskorter van duur is de zich daarbinnen afspelende cyclusvan verwering onder invloed van vegetatie (zie daarvoorook de bijdrage van Westbroek). Op het moment dat zichlandplanten ontwikkelden, zo’n vierhonderd miljoen jaargeleden, werd de lange koolstofcyclus als volgt ingewik-kelder: als het klimaat warmer wordt door de uitstoot vanveel CO2 via vulkanisme, dan neemt de vegetatie wereld-

10

wijd toe, want door de verhoogde verdamping wordt deaarde vochtiger, en het weer dus groeizamer. Toe-nemende vegetatie zorgt vervolgens voor snellere verwe-ring van gesteenten, wat dan weer leidt tot grotereconsumptie van CO2. Op termijn herstelt het evenwicht inde broeikas zich zo.Later is de koolstofcyclus nog veel verder geëvolueerd.Zo’n honderd miljoen jaar geleden ontstond er binnen degrote cyclus weer een andere kringloop: de vele groepenmicroscopisch kleine drijvende algen (modern fytoplank-ton) die in die tijd ontstonden, gingen zorgen voor eenverhoogde bioproductie. Dat leidde tot een verhoogdefotosynthetische activiteit, wat op zijn beurt weer meerkoolstofdioxide aan de atmosfeer onttrok (zie figuur 4).Dat wordt de biologische pomp van de oceaan genoemd,die sinds die tijd dus harder werkt. Zoals gezegd leverenverwering en erosie vooral onder invloed van vegetatievoedingstoffen. Die voedingsstoffen komen vroeg of laatin de oceaan, en worden daar gebruikt. Bij een warm kli-maat, dus bij veel vegetatie en daardoor veel productievan nutriënten, zal uiteindelijk ook een groot aandeel vandie voedingsstoffen aankomen aan de rand van de conti-nenten en in de zee. Daar leidt grotere bioproductie dantot ‘consumptie’ van CO2 : de pomp gaat harder werken

en zal verdere opwarming door de onttrekking van CO2

stabiliseren.Kenmerkend is dat al die processen weer positieve ennegatieve feedback hebben op andere processen endaarmee het hele systeem oneindig complex maken. Eenaantal van die feedback-mechanismen is essentieel. Dekoolstofpomp bijvoorbeeld leidt ertoe dat er koolstof vanhet toneel verdwijnt, omdat dode organismen op debodem van de zee begraven worden. In theorie zou dehoeveelheid zuurstof in atmosfeer daardoor gestaag toemoeten nemen (zie fig. 4). De zuurstof kan immers niet bijdat begraven organische materiaal komen. Maar aange-zien de atmosfeer de afgelopen honderd miljoen jaarredelijk constante zuurstofgehaltes heeft gekend moetener ergens in het systeem regelende mechanismen zijn diewe nog niet goed kennen. Alles bij elkaar is het leven met het steeds complexerworden van het systeem wel beduidend efficiënter gewor-den: er zijn veel aanwijzingen dat door een steeds betereordening, en steeds langere voedselketens, de hoeveel-heid leven op aarde (gemeten in grammen koolstof perm2) gestaag is toegenomen en dat het leven steeds meer“massa” heeft veroverd door effectieve omzetting van deaardkorst in voedingsstoffen.

Figuur 4: Evenwicht tussen de opname van koolstof en de productie van zuurstof. Die ‘consumptie’ vindt plaats tijdens de fotosynthese, via CO2. Na de dood vande plant wordt precies dezelfde hoeveelheid zuurstof gebruikt als het organisch materiaal vergaat, wat leidt tot productie van CO2.

NET OXYGEN PRODUCTION

PHOTOSYNTHESISPHOTOSYNTHESIS

RESPIRATION BURIAL OF ORGANIC MATTER

6CO2 + 6H2O ↔ C6H12O6 + 6O2CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

11

Massaal uitstervenOp ieder moment van de aardse geschiedenis stervensoorten uit. Dat wordt achtergrondextinctie genoemd.Maar op gezette tijden in de aardse geschiedenis ging hetveel verder dan dat, en werd er diep gesneden in dediversiteit van het leven op aarde. In een relatief korteperiode stierven een zeer groot aantal soorten en familiesuit. Een kenmerk van deze massa-extincties is ook datschijnbaar ongerelateerde groepen getroffen worden.Beroemde voorbeelden zijn de grens tussen de geologi-sche tijdperken Perm en Trias (250 miljoen jaar geleden)en de Krijt-Tertiair grens (65 miljoen jaar geleden). Demassa-extincties zijn in vrijwel alle gevallen toe te schrij-ven aan storingen in de drie basale kringlopen: die vanverwering en erosie, die van de beweging in de oceaan,en de atmosferische circulatie. Steeds is er sprake vaneen heftige, en voor de omvang van de verandering, zeersnel verlopende storing waarop het leven schijnbaar nietingericht was. Over de precieze achterliggende mechanismen van deextincties is een heftig debat gaande: enerzijds is er eengroep mensen die denkt in termen van catastrofes, bij-voorbeeld de inslag van een meteoriet die leidde tot eenenorme stofwolk. De daarop volgende periode vanduisternis en temperatuurverandering zou hebben geleidtot veranderingen in de oceanische circulatie en ineen-storting van de voedselpiramide (zie de bijdrage Doelwitaarde: ruimteprojectielen, inslagkraters en de gevolgenvan Jan Smit). Extincties in de basale delen van het eco-systeem zouden hebben geleid tot een groot aantal daar-uit voortvloeiende extincties, omdat de organismenafhankelijk zijn van de primaire producenten. Andere onderzoekers zien oorzaken in ongebruikelijk hef-tige vulkanische activiteit, waarvan bekend is dat dievoorkwam tijdens een aantal bekende massa-extincties.Daardoor kwam een grote hoeveelheid gas en stof deatmosfeer in, wat de temperatuurbalans op aarde zeersnel verstoorde. Dat leidt onvermijdelijk tot aantastingvan de twee transportbanden voor warmte en vocht, endus van de totale aardse huishouding.

Maar er is meer aan de hand: kenmerk van deze massa-extincties is dat er een geheimzinnige regelmaat in lijkt tezitten. Iedere 26 miljoen jaar (althans statistisch) lijkt ereen plotselinge toename in uitsterven voor te komen (ziefiguur 5). Dat is vooralsnog een geheel onverklaard feno-meen. Grote groepen sterven massaal en in samenhanguit, ten dele ook als gevolg van ineenstorten van ecologi-

Figuur 5: Oplopende diversiteit gedurende de afgelopen 600 miljoenjaar, verdeeld over drie evolutionaire fauna’s.

CAMBRIAN FAUNA

TrilobitesInarticulate

brachiopods

Archaic molluscs

Primitivecrinoids

Cenozoic

Num

ber

of f

amili

es

Paleozoic Mesorole

PALEOZONIC FAUNA

Articulatebrachiopods

Crinoidea

Rugoseand tabulate

coralsCephalopods

Stenolaematebryozoa

Starfish

Graptolithina

MODERN FAUNA

Bivalvia

Gastropoda

Gymnolaematebryozoa

Crustaceans

Demospongia

Bony fish Reptilia

MammaliaSharks

Echinoidea

200

0

400

200

0

600

400

200

0

600 400 200 0

Geologic time (106 yrs)

Num

ber

of f

amili

esN

umbe

r of

fam

ilies

Ostracoda

12

sche ketens, maar andere groepen lijken dat totaal onaf-hankelijk te doen. Wie het wel en niet redden, blijkt abso-luut niet te voorspellen. Maar het heeft wel grotegevolgen, want overblijvende groepen kunnen in de tijdvolgend op de “slachting” gebruik maken van de grotehoeveelheid ecologische ruimte die is vrij gekomen, en ophun beurt weer geheel nieuwe en onverwachte richtingenexploreren. Op de Perm-Trias grens stierven grote groe-pen van de toen heersende amfibieën uit. Dat gaf de toenal ruim aanwezige reptielen de kans zich te ontplooien. Zebleken zo goed “bewapend” (er wordt wel gesproken vanpre-adaptatie) dat ze binnen de kortste keren op hunbeurt de absolute heerschappij veroverden. De al vanafhet Trias aanwezige zoogdieren moesten wachten tot demassale extinctie op de Krijt-Tertiair grens. Toen herhaal-de de geschiedenis zich: na het uitsterven van de grotereptielen kregen zij, schijnbaar onverwacht, hun kans. Endaarmee uiteindelijk wij.Er zit een aantal beangstigende aspecten aan dezegebeurtenissen van lang geleden, als je ze bekijkt in hetlicht van de moderne aantasting van de biodiversiteteit.Ze laten ons zien dat een domino-effect bij het uitsterveneen grote rol speelt. Verdwijnt er een schakel uit de eco-logische keten, bijvoorbeeld aan de basis, dan kan diehele keten ineenstorten, al gaat het proces in het beginlangzaam. Wat ook tot nadenken stemt, is dat bij massaaluitsterven het herstel weliswaar altijd optreedt, maar dathet vaak meerdere miljoenen jaren duurt. Het meestbeangstigend is misschien nog wel dat de uitkomst vanhet herstel zo onvoorspelbaar is. Welke soorten overblij-ven en de dominantie verwerven, is niet aan te geven.Voeg daar het volgende aan toe om onze moderne wereldbeter in perspectief te krijgen: volgens de beste schattin-gen ligt het tempo van uitsterven de afgelopen decenniaminimaal vierduizend keer hoger dan het geologischegemiddelde. En dat is zelfs nog hoger dan de hoogstepiek in extincties die we ooit gekend hebben, de Perm-Trias extinctie.En ook bij geleidelijke, natuurlijke veranderingen is in eenaantal gevallen het voortbestaan van het leven in hetgeding. Zo’n 10.000 jaar geleden bijvoorbeeld, in de uit-loop van de laatste ijstijd, werd het klimaat langzamer-hand een tot twee graden warmer. Dat is weinig, maar hethad een onverwacht gevolg. De circulatie van het water inde opwarmende Atlantische Oceaan veranderde, en datleidde ertoe dat warm oppervlaktewater dat tot dan toe(overigens net zoals nu) via de Golfstroom ook naarNoordwest Europa gebracht werd, opeens uitbleef.

Binnen vijftig tot tachtig jaar werd het extreem koud. Deeffecten voor fauna en flora vielen indertijd mee, omdatdie in veel gevallen konden meeverhuizen met het veran-derende klimaat. Dat zou inmiddels heel anders liggen:verstedelijking en landbouw maken dat de aaneengeslo-ten habitats van planten en dieren sterk verbrokkeld zijn,wat migraties en handhaving van de populaties van veelsoorten danig in de weg staat.Dat er maar weinig nodig is voor echte rampen valt ookaan veel recentere geschiedenis te zien. Tussen 790 en870 na Christus trad een dramatische verandering op inde Mayacultuur, die toen snel ineenstortte. Grote aantal-len steden en urbanisaties werden verlaten. Onderzoekvan het klimaat toont aan dat plotseling optredendedroogte hiervan een zeer waarschijnlijke oorzaak is. Diedroogte lijkt het gevolg van slechts subtiele veranderin-gen in het Zuid- en Midden- Amerikaanse klimaat die aan-gestuurd werden door hele kleine veranderingen in deoceaan.Een ding is intussen glashelder. In de evolutie van hetSysteem Aarde werd een beslissende stap gezet toen deverzamelende mens een jagende en later ook landbou-wende mens werd. Systematische exploitatie van deaarde, en overexploitatie van natuurlijke hulpbronnen zijnhet onvermijdelijke gevolg. Al vroeg in de geschiedenisheeft dit geleid tot een grote stijging van extincties: zowelin Europa, als Amerika als Australië, zijn er bewijzen voorhet uitsterven van grotere dieren waarop de mens jachtmaakte (zie de bijdrage van Boekschoten). Toch schuilthet belangrijkste gevaar niet in het uitsterven van zoog-dieren of vogels, ook al is het massaal, maar in de ver-storing van het hele systeem. Zo zijn in hoog tempobossen gekapt, ongeveer tachtig procent van de oor-spronkelijke wereldbebossing is nu verdwenen. Daardoorwerden verwering, erosie en bodemvorming ingrijpendgewijzigd. Maar wat er daardoor aan mogelijke habitatsopengevallen is, wordt allemaal ingenomen door eensterk stijgend aantal van de menselijke soort (zie de bij-drage Het antropoceen: op de drempel naar de toekomstvan Paul Crutzen). Het herstel van andere soorten, watzeer goed mogelijk is in de opengevallen biotopen, wordtdoor ons onmogelijk gemaakt. Ook de kringloop op basis van natuurlijke vrijmaking vanvoedingsstoffen is verstoord. In hoog tempo is de cyclusopgevoerd, en lokaal is er door kunstmest een biomassain grammen koolstof per kubieke meter ontstaan, die opnatuurlijke wijze nooit in stand gehouden zou kunnenworden. Deze overexploitatie van bodems en vegetatie, in

13

Supernova die in februari 1987 verscheen in de Grote Magelhães Wolk, eensterrenstelsel op een afstand van 170.000 lichtjaar (Las CampinasObservatory, Chili). De explosie vond plaats tijdens het ‘Saalien glaciaal’,toen de noordelijke helft van ons land door gletsjers was bedekt. In hetMelkwegstelsel gaat ongeveer eens in de 20 à 60 jaar een supernova af. Eéndaarvan initieerde 4,57 miljard jaar geleden de geboorte van onszonnestelsel.

combinatie met de verstoring van een baaierd aan‘natuurlijke habitats’, leidt tot een grote daling van deaantallen soorten per oppervlakte-eenheid. Minder vege-tatie leidt tot veel minder terugpompen van water in deatmosfeer, dus tot toenemende droogte. Het verbruik vangrondstoffen zorgt voor een sterk verhoogde uitstoot vanCO2, en dat kan weer gepaard gaan met een klimaatver-andering die ingrijpende gevolgen kan hebben voor hettempo van de oceanische transportband. Miljarden jaren evolutie van het aardse systeem hebbengeleid tot soms fragiele balansen, en bovendien een hogemate van onvoorspelbaarheid over waar veranderingenmerkbaar en voelbaar zullen zijn. Het Systeem Aarde zalniet ten einde komen, maar we moeten erkennen dat wewerkelijk niet kunnen voorzien wat de komende eeuwende effecten zullen zijn van de nieuwkomer mens, nogmaar net ontstaan in termen van ouderdom van onzeaarde.

Verder lezenGeschiedenis van de theorie van het aardse systeem

* D. Young: “The discovery of evolution”. Nat. Mus. Hist. Publ., CambridgeUniversity Press, 1992, 256 p. Een uitstekend overzicht van de ontdekking en ontwikkeling van deevolutietheorie, voorzien van goed gedocumenteerde interpretaties van degeschiedenis.* A. Hallam: “Great geological controversies”. Oxford University Press, 1983,182 p.Een goed geschreven overzicht van de grote controversen die zich hebbenvoorgedaan binnen de aardwetenschappen, met onder andere deNeptunistische-Plutonistische verschillen van mening en de ontdekking vanhet concept van “continental drift”.

Geschiedenis van de ontwikkeling van het leven* J.T. Bonner: “The evolution of compexity”. Princeton University Press,1988, 254 p.Een makkelijk te lezen introductie over de toenemende complexiteit tijdensde evolutie.* S.J. Gould: “Wonderlijk leven, over toeval en evolutie”. Uitg. Contact, 1991,368 p.Een overzicht van de ontdekking van de beroemde ‘Burgess Shale’ uit hetCambrium, en de curieuze fauna die daar voorkomt. Het tweede deel van hetboek is gewijd aan de rol van toevallige samenlopen (contingentie) in de evolutie.* S.J. Gould: “ The evolution of life on the earth”. Scientific American, 1994,vol. 271, part 4, 63-69.Een zeer leesbaar overzicht van de problemen rond neo-Darwinistische modellen in het licht van toeval en massa-extincties.

Aardse systemen* W.H. Schlesinger; “Biogeochemistry - An analysis of global change”.Academic Press, 1991, 434 p.Een goed maar niet altijd even makkelijk overzicht van globale processen enevenwichten, sterk vanuit biogeochemisch oogpunt bekeken.* P. Westbroek: “Life as a geological force - Dynamics of the earth”. Norton,1991, 240 p.(Ook in vertaling beschikbaar).Een makkelijk leesbare verhandeling over het evenwicht tussen allerleiprocessen in en op de aarde.

Moderne extincties* C. Ponting: “Een groene geschiedenis van de wereld”. Amer, 1992, 469 p.Een makkelijk leesbaar overzicht van de veranderingen in milieu en biodiver-siteit in de afgelopen eeuwen.* E. O. Wilson: “The diversity of life”. Penguin Books, 1992, 406 p. (Ook invertaling beschikbaar).Uitstekend geschreven visie van een bekend bioloog op evolutie, extinctie ende bedreiging van moderne ecosystemen.* D. Quammen: “The song of the Dodo”. Pimlico, 1996. Nederlandsevertaling: “Het lied van de Dodo”, Atlas, 1998, 736 p.Goed gedocumenterd overzicht van het uitsterven van soorten op eilanden.

Internet sitesEr zijn een aantal goede sites waar het Systeem Aarde en de gevolgen vanbijvoorbeeld klimaatverandering toegelicht worden:www.pages.com; www.igbp.com; www.noaa.com; www.diversitas.com

14

Tien miljard jaar aardeDe buren zijn variaties op hetzelfde thema

2

H.N.A. PRIEM

H.N.A. Priem studeerde geologie en mineralogie aan deUniversiteit van Amsterdam, waar hij in 1962 cum laude pro-moveerde. Hij werkte achtereenvolgens bij de U.S. AtomicEnergy Commission in de Verenigde Staten, het FOMInstituut voor Atoom- en Molecuulfysica te Amsterdam, enwas tot 1989 directeur van het interuniversitaire NWOInstituut voor Isotopen-Geologisch Onderzoek teAmsterdam. Van 1970 tot 2002 was hij hoogleraar isotopen-geologie en planetaire geologie aan de Universiteit Utrechten van 1974 tot 1979 voorzitter van het KoninklijkNederlands Geologisch & Mijnbouwkundig Genootschap.Hij is lid van de Hollandsche Maatschappij der Weten-schappen en curator van het Artis Geologisch Museum.

De aarde is onderdeel van een zonnestelsel dat 4,57 mil-jard jaar geleden is ontstaan en nog zo’n 5 miljard jaar tegaan heeft. Wij leven dus op een planeet van middelbareleeftijd. In tegenstelling tot het nog steeds gangbarewereldbeeld is de planeet Aarde echter niet alleen maareen soort ruimteschip in een levensvijandige omgeving,waar de mens en alle andere levensvormen kunnenbestaan omdat er ‘toevallig’ voldoende water en voe-dingsstoffen zijn, en aan het oppervlak temperaturenheersen die maken dat er vloeibaar water is. Het ver-schijnsel ‘leven’ is een integrerend deel van het hele com-plexe en dynamische ‘Systeem Aarde’, waarvan we delange geschiedenis tot op grote hoogte kunnen recon-strueren. En ook die geschiedenis staat niet alleen.Tegelijk met de aarde ontstonden de andere planeten vanhet zonnestelsel, zoals onze naaste buren Venus en Mars.Die hebben alle dezelfde oorsprong, maar zijn elk op eenandere manier geëvolueerd. Zij vormen variaties op éénthema. Het zeer kort samengevatte geboortescenario is dat 4,57miljard jaar geleden in de buitenzone van hetMelkwegstelsel een oude ster, veel groter dan onze zon,aan het einde van zijn bestaan was gekomen en explo-deerde. In het geweld van die explosie – een supernova –vond de conceptie van ons zonnestelsel plaats. Deschokgolf bracht de samentrekking op gang van eennabijgelegen ijle interstellaire wolk, voornamelijkbestaande uit waterstof en helium, naast geringe hoe-veelheden zwaardere elementen die door de exploderen-de ster zijn uitgestoten. Zo kwam de zonnenevel totstand: zwaartekrachtwerking balde 99,9 procent van dematerie uit de wolk samen tot een compacte massa in hetcentrum, terwijl de resterende 0,1 procent een platteschijf van stof, gas en gruis vormde die om dat centrum

15

Anorthosiet: uit magma ontstaan gesteente dat gro-tendeels bestaat uit het mineraal labradoriet.Belangrijk bestanddeel van de maankorst en lokaalvoorkomend op Aarde.Asthenosfeer: de zone van heet, voor een klein deelgesmolten en daardoor enigszins plastisch mantel-gesteente direct onder de lithosfeer op Aarde, die reikttot een diepte van ongeveer driehonderd kilometer.Basalt: in het zonnestelsel wijd verbreid donker lava-gesteente (soortelijk gewicht = 3,0) voornamelijk be-staande uit de mineralen pyroxeen, calciumrijkeplagioklaas en soms olivijn.Biosfeer: het geheel van alle bacteriële, dierlijke enplantaardige levensvormen en biologische processen.Fossiele biomassa: alle materiaal van organische oor-sprong in sedimenten: steenkool, aardolie, aardgas,veen, turf en dispers koolstof en allerlei verspreidekoolstofverbindingen.Gebande ijzerformatie: afwisseling van dunne laagjeshematiet (Fe2O3) en jaspis (SiO2). Enorme, kilometers-dikke formaties zijn van 3,5 tot 2,7 miljard jaar geledenafgezet.Kosmische straling: Stroom van hoog-energetischegeladen deeltjes (in hoofdzaak protonen) die hun oor-sprong vinden in exploderende sterren in hetMelkwegstelsel.Lithosfeer: De buitenste koude, rigide schil van eenplaneet. Op aarde omvat de lithosfeer de oceanischeen continentale korst, en de bovenste laag van demantel tot een diepte van ongeveer tachtig kilometer.Metamorfose: Verandering van gesteenten door verho-ging van temperatuur en druk, meestal met toe- enafvoer van materiaal (in het bijzonder water). Hierbijverandert de mineralogische samenstelling en struc-tuur van het gesteente.Meteorieten: Stukken gesteente die vanuit de interpla-netaire ruimte op aarde vallen, nadat zij zijn ingevan-

gen door de aardse zwaartekracht. Zij zijn afkomstigvan kometen en planetoïden. De meeste zijn 4,57 mil-jard jaar oud en representeren restanten uit de begin-tijd van het zonnestelsel. Enkele gesteenten afkomstigvan Mars of de maan (door zware inslagen in de ruim-te geslingerd) hebben een jongere ouderdom.Peridotiet: Donker, relatief zwaar (soortelijk gewicht =3,3) magmatisch gesteente grotendeels bestaande uitde mineralen olivijn en pyroxeen. Wijd verbreid in hetzonnestelsel.Platentektoniek: De unificerende theorie die stelt datde starre lithosfeer op aarde verdeeld is in een aantalplaten die ten opzichte van elkaar bewegen als gevolgvan stromingen in de mantel. Waar platen uit elkaargaan (spreidingszones), ontstaat basaltische oceani-sche korst. Waar platen tegen elkaar botsen, duikt eenoceanische plaat met (oudere) basaltische korst in demantel (subductiezones). Op een diepte van omstreekshonderd kilometer wordt uit het indalende waterrijkeoceanische materiaal silicium- en alkalirijker magmagegenereerd, dat opstijgt en continentale korst vormt.Continentale massa’s kunnen door hun gemiddeldlagere soortelijk gewicht niet in de mantel duiken.Wanneer zij botsen, ontstaan plooiingsgebergten(Alpen, Himalaya). Alle tektonische verschijnselen kun-nen door platentektonische processen worden ver-klaard. De energiebron is de interne radiogenewarmteproductie, geholpen door de zwaartekracht.Platentektoniek is alleen op Aarde bekend.Silicaten: Verbindingen van silicium met zuurstof enéén of meer andere elementen. Tektoniek: structurele kenmerken van de lithosfeer vanplaneten, en de processen die ze veroorzaken.Zonnewind: Stroom van geladen deeltjes (in hoofdzaakprotonen en heliumkernen) die door de zon in alle rich-tingen wordt uitgestoten.

Kader 1: Begrippenlijstje

16

Enkele meteorieten (met vindplaats en jaar van aankomst). Van links boven naar rechts onder: koolstofrijke meteoriet (Chihuahua, Mexico, 1969); ijzermeteoriet(Coconino, Arizona, ca 25.000 jaar geleden); steen-ijzermeteoriet (Imilac, Chili, 1822); chondriet, een ongedifferentieerde meteoriet (Meru, Kenya, 1945).

17

draaide. Door de samentrekking kwam warmte vrij. In hetcentrum liep de temperatuur op tot ongeveer tien miljoengraden Celsius, waardoor kernfusieprocessen op gangkwamen en een nieuwe ster werd geboren, onze zon. Deroterende schijf, niet meer dan een duizendste deel vande totale zonnenevelmassa, klonterde samen tot steedsgrotere gehelen: planetesimalen, planetoïden en plane-ten. In het heelal komen zulke processen waarschijnlijk vaakvoor. Van tijd tot tijd worden aan de sterrenhemel super-nova’s waargenomen. Het heelal, dat naar schatting 13,7miljard jaar oud is, telt honderden miljoenen melkweg-stelsels, elk met tientallen miljarden sterren – hun aantalwordt alleen in ons melkwegstelsel al op zo’n veertig mil-jard geschat. Vele komen in grootte en temperatuur over-een met onze zon. Men gaat er daarom van uit dat ertalloze zonnestelsels van uiteenlopende ouderdom zijn.Wat op Aarde en in de rest van ons stelsel gebeurde, isdus waarschijnlijk niet uniek in het heelal.

Extreem snelle geboorteDe gesteentemassa’s die samenklonterden uit de zonne-nevel bestaan voornamelijk uit ijzer, magnesium, siliciumen zuurstof, elementen die zeldzaam zijn in het heelal. Inde smalle zone direct rond de zon, waar de zonnewind(de stroom van geladen deeltjes die de zon in alle richtin-gen uitstoot) de gasvormige bestanddelen verdreef, vor-men zij de hoofdbestanddelen van de binnenplanetenMercurius, Venus, Aarde met de maan, en Mars. Alleenverderop, achter de planetoïdengordel die tussen Marsen Jupiter ligt, was de afstand tot de zon zo groot dat dereuzenplaneten die zich daar vormden vooral bestaan uitwaterstof en helium, met slechts een kleine gesteente-kern. Het samenklonteren en het verval van radioactieve ele-menten (daarvan waren er toen veel meer dan nu) brach-ten zoveel warmte voort dat grote delen van de planetairegesteentemassa’s smolten. In de gesteentesmelt zaktende zwaarste elementen naar het centrum. Zo differenti-eerde de gesmolten massa in een metallische kern (voor-namelijk ijzer en een beetje nikkel) omhuld door eensilicaatmantel bestaande uit peridotiet (verbindingen vanvoornamelijk ijzer, magnesium, silicium en zuurstof, zieook kader 1).Gesteenten uit het beginstadium van het zonnestelselkennen we op Aarde uitsluitend als meteorieten. Die zijnallemaal 4,57 miljard jaar oud, wat te meten valt aan dehand van het verval van een aantal verschillende radioac-

tieve isotopen (zie kader 2). Sommige zijn afkomstig uitde metallische kern of silicaatmantel van gedifferentieer-de planetaire massa’s, die bij botsingen zijn gefragmen-teerd. Andere van lichamen die géén differentiatie in kernen mantel hebben ondergaan. Alle bevatten vervalpro-ducten van radioactieve elementen met korte halve-ringstijden (variërend van 760.000 jaar tot enkelemiljoenen jaren), afkomstig van de exploderende ster diede geboorte van ons zonnestelsel initieerde. Door dekorte halveringstijd waren zij al snel is uitgestorven, maarde aanwezigheid van hun vervalproducten in het meteo-rietgesteente wijst er op dat zij er nog waren toen diegesteenten zich vormden. Er kan dus niet meer dan vijf àzes miljoen jaar zijn verlopen vanaf de explosie van dester tot en met de differentiatie in kern en mantel.Kosmisch en geologisch gezien verliep de geboorte vanons zonnestelsel dus extreem snel.

Kader 2: Hoe oud?Geologische tijdmeting berust voornamelijk op dein de natuur voorkomende radioactieve isotopenvan uranium, samarium, rubidium en kalium, ele-menten die wijd verbreid zijn in de gesteenten vanhet zonnestelsel. Bij datering met behulp van dezeelementen meet men in een gesteente of mineraalde verhouding van de hoeveelheid van het betref-fende radioactieve isotoop en die van het doorradioactief verval ter plaatse hieruit ontstane sta-biele vervalproduct (uranium levert bijvoorbeeldisotopen van lood op). Met behulp van de voor elkradioactief isotoop karakteristieke halveringstijdkan uit die verhouding de tijd (in aardse jaren) wor-den berekend, die is verstreken sinds de opeen-hoping van het dochterproduct begon: deouderdom van het gesteente of mineraal – bijvoor-beeld hoe lang geleden het gesteente uit eenmagma is gestold, of een mineraal is gekristalli-seerd. De halveringstijden van de betreffenderadioactieve isotopen lopen uiteen van 106 miljardtot 704 miljoen jaar. De hele geschiedenis van hetzonnestelsel kan er mee worden bestreken, metuitzondering van de laatste paar duizend jaar – indie korte tijd is er te weinig opeenhoping van hetdochterproduct om meetbaar te zijn.

18

Geologisch onderzoek op Aarde, de maan en Mars,observaties van hemellichamen vanuit ruimtesondes, encomputermodelleringen hebben inzicht verschaft in devroegste ontwikkeling van de binnenplaneten en demaan. De mantel was aanvankelijk grotendeels gesmol-ten: de magma-oceaan. Daarin kwamen lichtere silicatenbovendrijven, waar zij een relatief dunne korst vormden.Op Aarde, Mars, Venus en vermoedelijk ook Mercurius,bestond die uit basalt, op de maan uit anorthosiet (ziekader 1). Op de maan is een groot deel van die primairekorst bewaard gebleven. Ook op Mars moeten nog restenvan de oorspronkelijke korst aanwezig zijn, getuige het4,5 miljard oude brok basalt dat door een inslag is losge-slagen en na een verblijf van dertig miljoen jaar in deruimte 13.000 jaar geleden als meteoriet in Antarctica isneergekomen. Het grootste deel van de primaire korst isechter in de loop van de tijd als gevolg van geologischeprocessen vervangen door jongere korst: meestal basalt,maar daarnaast in de continenten op Aarde een grote ver-scheidenheid van andere gesteenten.

AfkoelingAlle grotere planetaire gesteentemassa’s zijn na hun vor-ming langere of kortere tijd geologisch actief, wat totuiting komt in vulkanisme en/of tektonische processen.De daarvoor vereiste energie is afkomstig uit twee internebronnen: radiogene warmte die het gevolg is van het ver-val van de in de gesteenten aanwezige radioactieve ele-menten, en getijdewarmte die voortkomt uit fricties in degesteentemassa veroorzaakt door de aantrekking van dezon en nabije planeten en/of manen. De radiogene warm-te is vrijwel geheel afkomstig van radioactieve isotopenvan uranium, thorium en kalium, die alle een halveringstijdhebben van honderden miljoenen tot miljarden jaren. Ditis de belangrijkste interne energiebron in de binnenplane-ten en de maan, maar met het verstrijken van de geologi-sche tijd neemt de warmteproductie door deze elementenen dus ook de geologische activiteit geleidelijk af. Hoelang die in stand wordt gehouden, wordt bepaald door debalans tussen de interne warmteproductie, en anderzijdsde afvoer van warmte naar de ruimte via geleiding en vul-kanische processen, en energieverbruik door een scalavan geologische processen in mantel en korst: smelten enomvorming van gesteenten (metamorfose), en allerleideformaties en bewegingen (tektoniek). Als de radiogene warmteproductie zover is afgenomendat de warmte helemaal via geleiding kan worden afge-staan, treedt de ‘geologische dood’ in. Naarmate de pla-

netaire massa kleiner is, gebeurt dat sneller – kleinerelichamen hebben in verhouding tot hun volume een groteroppervlak dan grotere, zodat ze hun inwendige warmtesneller afstaan. Zo zijn Aarde en Venus (81,6 procent vande aardmassa) nog volop geologisch actief, terwijlMercurius en de maan (respectievelijk 5,5 en 1,2 procentvan de aardmassa) al lang geologisch dood zijn, behou-dens enige zwakke tektonische activiteit door de getijde-krachten van Zon en Aarde. Mars (10,7 procent van deaardmassa) is een grensgeval: tot enkele honderden mil-joenen jaren geleden was er nog vulkanische activiteit enmisschien is er nóg wel enig zwak vulkanisme, hoewel totdusverre nooit waargenomen.Die simpele relatie tussen grootte en geologische acti-viteit gaat alleen op wanneer radiogene warmteproductiede belangrijkste interne energiebron is. Maar in bijvoor-beeld de kleine Jupiter-maan Io (1,5 procent van deaardmassa) is de belangrijkste bron de getijdewarmte diedoor de aantrekking van de reusachtige massa vanJupiter (318 maal de aardmassa) wordt opgewekt. Io heeft dan ook nog steeds een zeer actief vulkanisme,in tegenstelling tot onze maan, waar incidentele zwakke maanbevingen het enig waarneembare effect zijn van de door Aarde en Zon uitgeoefende getijdekrach-ten. In de zone van de binnenplaneten is de ingevangen stra-lingsenergie van de zon vele malen groter dan de internewarmteproductie – het ‘Systeem Aarde’, bijvoorbeeld,ontvangt 3000 maal zo veel energie van de zon als van deeigen warmteproductie. Deze externe energie bepaalt deomstandigheden aan het planetaire oppervlak: de tempe-ratuur en, als er een dampkring is, de geologische wer-king van water en wind. Daarnaast speelt de zon ook eengeologische rol door middel van zonnewind en ultravio-lette straling. Aan het oppervlak van de dampkringlozeMercurius en de maan zijn dat zelfs de enige actievegeologische krachten.

Kosmisch BiljartDe continue regen van interplanetaire stof- en gruisdeel-tjes en incidenteel de inslagen van grotere objecten uit de ruimte zijn een andere externe geologische invloed.Als er geen dampkring is, treffen ze het oppervlak meteen snelheid van twintig tot zestig kilometer per seconde.Onder meer Mercurius en de maan danken hieraan hunpokdalige uiterlijk. Op planeten met een substantiëledampkring vervagen de inslagsporen echter snel als gevolg van de werking van water en wind. Op

19

Astronaut Harrison H. Schmitt bemonstert een brok anorthosiet (gedateerd op 4,44 miljard jaar) aan de rand van Mare Serenitas, een grote (doorsnede 680 km)inslagkrater op de maan die tijdens het Kosmisch Bombardement is gevormd. De bodem van de krater is overdekt met een kilometersdik pakket van basaltischelava’s, ter plaatse gedateerd op 3,82 miljard jaar. (NASA Apollo 17, 1972)

20

Drie ZustersTussen de drie zusterplaneten Venus, Aarde en Marsbestaan momenteel op het eerste gezicht grote verschil-len, maar geologisch bezien zijn die minder wezenlijk danhet lijkt. Ze begonnen alle drie met dezelfde chemischesamenstelling en vanuit dezelfde begintoestand. Hun ver-dere ontwikkeling werd bepaald door de verschillen ingrootte (met gevolgen voor het planetaire warmtebudget,zwaartekracht en interne fysische toestand) en doordatze een andere afstand tot de zon hebben.De drie binnenplaneten en de maan begonnen hunbestaan als een vulkanisch zeer actieve gesteentebol. Bijdie activiteit werden grote hoeveelheden vluchtige be-standdelen uitgestoten. De op die manier vrijkomendegassen bestaan voor ruwweg tachtig procent uit water-damp en twintig procent uit kooldioxide (koolzuur, CO2),naast kleine hoeveelheden andere verbindingen. De maanen Mercurius zijn te klein om die gassen vast te houden,maar op Venus, Aarde en Mars hoopte zich een CO2-dampkring op. Aarde en Mars kregen ook vloeibaaroppervlaktewater, doordat de uitgestoten waterdampcondenseerde, terwijl bovendien veel water (en CO2) werdaangeleverd als ‘ruimte-ijs’ door inslaande kometen. OpVenus, die dichter bij de zon staat, was de temperatuurvanaf het begin te hoog voor condensatie van waterdamp.

Venus: traag, droog, heetVenus draait extreem traag en in omgekeerde richting omhaar as: één rotatie in 243 aardse dagen. In de vergelij-king met Aarde en Mars valt dat direct op. Mogelijk is dithet gevolg van een botsing met een groot planetairlichaam in het beginstadium van het zonnestelsel. Detemperatuur aan het oppervlak bedraagt overalomstreeks 480 graden Celsius. De planeet is gortdroog,zonder oppervlaktewater en met slechts spoortjes water-damp in de dampkring – de bij vulkanisme uitgestotenwaterdamp wordt door de hoge temperatuur naar dehoogste regionen van de dampkring gevoerd, waar dewatermoleculen onder invloed van ultraviolette stralinguiteenvallen en de lichte waterstof naar de ruimte ver-dwijnt. De dampkring is daardoor opvallend verrijkt methet zware waterstof-isotoop deuterium. Er is een dichteCO2-dampkring met aan de basis een verstikkende drukvan 90 bar, wat overeenkomt met de waterdruk op 900meter onder het zeeoppervlak op Aarde. Op ongeveer 40kilometer hoogte is Venus omhuld door een permanentwolkendek van zwavelstof en druppeltjes zwavelzuur,afkomstig van vulkanisme.

Aarde, Venus en in mindere mate Mars remt de damp-kring de inkomende stof- en gruisdeeltjes af, waarbij de kleinste verbranden (‘vallende sterren’). Grotere brok-ken bereiken het oppervlak als meteorieten, maar alleenextreem grote worden niet of nauwelijks afgeremd. Als zij het oppervlak met hoge snelheid treffen, wordt al hun bewegingsenergie plotseling omgezet in warmte-energie. Het inslaande lichaam explodeert en vormt eencirkelvormige inslagkrater. De bekendste op Aardebevindt zich in de ondergrond van het Mexicaanse schie-reiland Yucatan. Die inslag vond 65 miljoen jaar geledenplaats en veroorzaakte een wereldwijde milieucatastrofe,met als gevolg abrupte veranderingen in de biosfeer (zie de bijdrage Doelwit aarde: ruimteprojectielen, inslag-kraters en de gevolgen van Jan Smit in dit cahier). De krater heeft een diameter van ruim 200 kilometer, maarop de maan en Mars zijn veel grotere inslagkraters her-kend.Ook de oorsprong van de maan is volgens de huidigeinzichten het resultaat van een enorme botsing, die zichin het turbulente beginstadium van ons zonnestelselafspeelde. Niet lang nadat zich in de aarde de scheidingtussen silicaatmantel en metallische kern had voltrokken,kwam ze in botsing met één of meer grote planetairelichamen die bij die botsing uiteenspatten. De fragmen-ten en het de ruimte in geslingerde materiaal van deaardmantel vormden een om de aarde draaiende schijfvan stof, gruis en puin, dat samenklonterde tot de maan.Dit verklaart de overeenkomsten en verschillen in de fysi-sche eigenschappen en chemische samenstelling van demaan en de aarde. Zo hebben alle maangesteenten hunequivalenten op Aarde, maar zijn ze extreem droog:waterhoudende mineralen zijn opvallend afwezig alsgevolg van de warmteontwikkeling bij de botsing. Ook ishet gemiddelde soortelijk gewicht van de maan (3,3) nau-welijks méér dan dat van de maankorst en de aardse sili-caatmantel. Dat laat géén ruimte voor een substantiëlemetallische kern.Geologisch onderzoek van de maan heeft aangetoonddat het oppervlak tussen 4,1 en 3,9 miljard jaar geledeneen hevig ‘bombardement’ uit de ruimte heeft ondergaan.Hierbij zijn talloze inslagkraters gevormd, waaronderenkele zeer grote. Alle binnenplaneten zijn door dit‘Kosmisch Bombardement’ geteisterd, zoals bijvoorbeeldin de oudste gebieden van Mars nog te zien is. Op Aardeis dat niet het geval, omdat er hier geen oudere opper-vlaktegesteenten bewaard zijn gebleven dan sedimentenen lava’s die 3,75 miljard jaar geleden zijn afgezet.

21

Eén van de twee enige foto’s die tot dusverre direct op het oppervlak van Venus zijn gemaakt. De hoekige steenblokken bestaan uit basalt. (Russischelandingsrobot Venera 10, 1982)

De condities op Venus doen dus meer denken aan Dantesinferno dan aan de godin van de liefde waarnaar de pla-neet is vernoemd. Dit tot teleurstelling van degenen dietot ver in de vorige eeuw hoopten dat Venus een wereldzou zijn van dampende oerwouden en zompige moeras-sen, bevolkt door allerlei levensvormen.

Mars: ijl, koud, onbeschermdOok op Mars heersen barre condities. De planeet heefteen ijle CO2-dampkring, met aan de basis dezelfde lucht-druk als op Aarde op 40 kilometer hoogte. De tempera-tuur aan het oppervlak is overal beneden nul, en op deZuidpool zelfs permanent beneden het vriespunt van CO2(–123 graden Celsius). Alleen in de middagzon loopt detemperatuur van de lucht soms plaatselijk op tot bijna nulgraden. Er is water, maar uitsluitend als damp en vooralals ijs: in de polaire ijskappen samen met CO2-ijs, als rijpin de vroege ochtend, en als permafrost – bevrorenbodemwater, zoals we op Aarde kennen van de toendra’sin polaire gebieden.

Hoewel de omstandigheden op Mars van alle planetenhet meest overeenkomen met die op Aarde, zijn ze vooronze begrippen toch uiterst vijandig: naast de koude, dedroogte en de ijle lucht, zijn er felle zandstormen en ont-breekt een ozonlaag die de gevaarlijke ultraviolette stra-ling van de zon absorbeert. Ook is er geen magnetischveld dat het oppervlak beschermt tegen zonnewind enkosmische straling. Desondanks hebben experimenten inlaboratoria aangetoond dat sommige archaebacteria(Pseudomonas en Aerobacter) de martiaanse conditieszouden kunnen overleven en er zich zelfs vermenigvuldi-gen.Toch verliep de vroegste ontwikkeling van het milieu opMars ongeveer hetzelfde als op Aarde. Er was een dich-tere CO2-dampkring en aan het oppervlak heersten tem-peraturen waarbij vloeibaar water kon bestaan. Nogsteeds zijn op Mars de ‘fossiele’ dalen te zien die toendoor rivieren zijn ingesneden – rivieren die lang geledenregenwater naar zee hebben afgevoerd. Het is mogelijkdat er in de martiaanse zeeën primitief microbieel leven

22

Panoramische opname van het Mars-oppervlak vanaf de Pathfinder. De landingsplaats is een breed dal (Ares Vallis) dat omstreeks 3,5 miljard jaar geleden dooreen stortvloed van water is uitgeschuurd. De basaltische steenblokken moeten door snelstromend water zijn gedeponeerd. Naast het grote steenblok staat hetrobot-laboratorium Sojourner. (NASA, 1997)

was, zoals in dezelfde tijd onder dezelfde condities als opAarde.Maar zo’n 3,5 miljard jaar geleden ging het mis op Mars.De planeet verloor het grootste deel van zijn dampkringen aan het oppervlak kon geen vloeibaar water meerbestaan. Men neemt aan dat er nog wél water diep onderhet oppervlak is. De eventuele embryonale biosfeer ver-dween, hoewel het niet onmogelijk is dat microbieel levenzich toch tot de dag van vandaag in de diepte en mis-schien zelfs op beschutte plaatsen aan het oppervlakheeft kunnen handhaven, bijvoorbeeld nabij vulkanischewarmtebronnen. Onlangs zijn ook op Aarde op een diep-te van ruim duizend meter onder het landoppervlak totdan toe onbekende bacteriële ecosystemen ontdekt, diehun energie voor levensfuncties ontlenen aan chemischereacties tussen water en gesteente.

De ineenstorting van het vroege martiaanse milieu wordtwel toegeschreven aan een zeer zware inslag, waarbij eengroot deel van de dampkring naar de ruimte verdween.Dat zou de opvallende verrijking kunnen verklaren vanzware isotopen van onder andere waterstof, stikstof enargon in de dampkring van Mars: bij de ontsnapping vande atmosferische gassen naar de ruimte trad meer verliesop van de lichtere dan van de zware isotopen. De mega-inslag wordt ook in verband gebracht met een opvallendverschil tussen het noorden en zuiden van de planeet. Tennoorden van omstreeks 35°NB is het Mars-oppervlak eenvlak laagland met enorme (dode?) vulkanen en weiniginslagkraters, dat door een kilometers hoog klif isgescheiden van hoger gelegen land dat bezaaid is metinslagkraters en dus ouder moet zijn. Op Venus en Aardekunnen zich ook mega-inslagen hebben voorgedaan,

23

maar dat heeft dan zeker niet een soortgelijk effect op deatmosfeer gehad als op Mars. Hun grotere massa en dedaarbijbehorende grotere zwaartekracht hebben datvoorkomen.

Aarde: nat, absurd, levendDe aarde onderscheidt zich tegenwoordig in vele opzich-ten van haar twee zusterplaneten. Alleen hier is er een

(tweepolig) aardmagnetisch veld, dat wordt opgewektdoor stromingen in de gesmolten buitenste laag van dehete metallische kern. In de buurplaneten doen die zichkennelijk niet (meer) voor, al zijn er aanwijzingen dat Marsin het geologische verleden ook een magnetisch veld had. De andere unieke kenmerken van het aardse milieu hangenmet elkaar samen. Zo hadden alle drie de planeten aan-vankelijk een CO2-dampkring, maar alleen op Aarde is die

Het patroon van droge, diep ingesneden dalen getuigt van water dat omstreeks 3,5 miljard jaar geleden over het oppervlak van Mars stroomde. Het afgebeeldegebied is 160 km breed. (NASA Viking Orbiter, 1975)

24

omgevormd tot de huidige, in chemisch opzicht absurdedampkring met een hoog niveau van zuurstofgas en eenextreem laag CO2-gehalte. De in de loop van de geologi-sche tijd uitgestoten CO2 is niet, zoals op Venus, in dedampkring gebleven, maar opgeslagen in carbonaat-gesteenten en fossiele biomassa. De hoeveelheid koolstofdaarin vertegenwoordigt inmiddels 200.000 maal zo veelCO2 als wat er in dampkring en oceaanwater aanwezig is. Zonder de biologische, chemische en geologische pro-cessen die zich mede dankzij de aanwezigheid van veelvloeibaar water voltrekken, zouden we hier net zo’n dich-te dampkring hebben als Venus. De belangrijkste carbo-naatafzettingen zijn de enorme hoeveelheden kalksteendie in zee zijn gevormd door rifbouwende diertjes en deopeenhoping van talloze minuscule skeletjes van(micro)organismen. Op land worden carbonaten geprodu-ceerd door een samenspel van chemische processen,bacteriën en water. Fossiele biomassa, op zijn beurt, iseveneens het resultaat van het samenspel van biologi-sche en geologische processen: fotosynthese en deopslag in sedimenten van een klein deel van het daarbijgevormde organisch materiaal.Dezelfde processen die fossiele biomassa vormen, zijnook verantwoordelijk voor de chemisch-reactieve damp-kring van de aarde – een gasmengsel dat spot met dewetten van chemisch evenwicht. Er is immers op het landen in de oceanen een overvloed van bestanddelen dievoortdurend zuurstofgas binden. Alleen al door reactiemet de gesteenten van het landoppervlak (bijvoorbeeldhet oxideren van ijzer), zou alle zuurstofgas in enkele dui-zenden jaren uit de dampkring kunnen worden verwijderd.In tegenstelling tot Mars en Venus is op Aarde de damp-kring chemisch instabiel. Hij kan alleen blijven bestaandankzij enerzijds de continue toevoer van zuurstofgas(een afvalstof bij de biologische fotosynthese), en ander-zijds de begraving van dode organismen. Fotosynthetiserende bacteriën deden al omstreeks 3,5miljard jaar geleden hun intrede in de aardgeschiedenis,maar ongeveer een miljard jaar lang werd al het geprodu-ceerde zuurstofgas weer gebonden, voornamelijk dooroxidatie van tweewaardig ijzer in oceaanwater. Hiervangetuigen de enorme, kilometersdikke afzettingen vangebande ijzerformaties uit die tijd. Toen begon de pro-ductie van zuurstofgas door de biosfeer de verwijderinguit dampkring en oceaanwater te overtreffen, en ontstondde unieke zuurstofrijke dampkring van de aarde.Waarschijnlijk was dit het gevolg van de drastischegedaanteverandering die onze planeet van drie tot twee

en een half miljard jaar geleden onderging: zo’n 60 tot 80procent van de huidige continentale korst is in die tijdgegenereerd. De voorheen ‘oceanische Aarde’, groten-deels bedekt met oceanen, veranderde in de ‘moderneAarde’ met haar verdeling in continenten (40 procent vanhet aardoppervlak) en oceanen. Nog steeds verandert het aangezicht van onze planeetvoortdurend door de platentektoniek, die al zeker 2,2 mil-jard jaar operationeel is (zie ook kader 1). De rigide enrelatief koude lithosfeer is verdeeld in een mozaïek vaneen twintigtal grotere en kleinere ‘platen’, die ten opzich-te van elkaar en over de aardbol bewegen met snelhedenin de orde van enkele centimeters per jaar. Waar tweelithosfeerplaten zich van elkaar verwijderen, welt basal-tisch magma op uit de mantel en wordt continu nieuweoceanische, basaltische korst gevormd. Anderzijds wordtoude oceanische korst continu weer in de mantel opge-nomen in zones waar lithosfeerplaten tegen elkaar bot-sen. De basaltische korst onder de oceanen is dan ooknergens ouder dan honderd miljoen jaar. Dit in tegenstel-ling tot de continentale korst, eveneens een product vanplatentektonische processen. Die is wél permanent, zijhet onderhevig aan voortdurende verandering en omvor-ming. Daarbij is een heel scala aan gesteenten ontstaan,die in ouderdom variëren van recent tot vier miljard jaar.Doordat continenten gemiddeld een lager soortelijkgewicht hebben, liggen zij gemiddeld een kleine vier dui-zend meter hoger dan de oceaanbodem. En dergelijketweedeling van het oppervlak is uniek voor de aarde. Platentektoniek speelt ook een belangrijke rol in de kringloop van CO2 en water in het ‘Systeem Aarde’. Die samenhang van tektoniek en (bio)geochemische cycliis eveneens een unieke eigenschap van onze planeet. Op Mars en Venus is geen platentektoniek. Voor Mars ligt dit vermoedelijk aan de veel kleinere massa, waardoorde planeet een heel andere warmtehuishouding heeft. Op Venus is de waterschaarste waarschijnlijk de oorzaak:die maakt dat mantelgesteente minder makkelijk deelssmelt, waardoor het gesteente onvoldoende plastischwordt voor grootschalige stromingen. Beide planetenhebben dus ook geen continentale korst van het aardsetype.

Leven Alleen op aarde is een biosfeer die een prominente geolo-gische rol speelt. Alle levensvormen, met inbegrip van demenselijke soort en diens activiteiten, zijn door stromenvan energie, water en voedingstoffen met elkaar en met

25

Mars, omdat in het vroegste begin de omstandighedendaar gunstiger zouden zijn geweest dan op onze planeet.Vooralsnog blijft dat alles speculatie. Toch begint zich hetbeeld af te tekenen van Leven als een verschijnsel datinherent is aan de materiële werkelijkheid: het zou eenuniverseel principe zijn dat de moleculen die de chemi-sche bouwstenen van het leven vormen en die wijdver-breid zijn in het heelal, zich overal tot leven organiserenwaar de omstandigheden dat ook maar mogelijk maken.Als dat kan worden aangetoond, zullen de wereldbe-schouwelijke consequenties van dezelfde orde zijn als dievan de copernicaanse en darwiniaanse revoluties in voor-gaande eeuwen.

Het EindeVolgens astrofysici heeft een ster als de zon een levens-duur van ongeveer tien miljard jaar. Daarvan hebben wede helft gehad. Na nog eens dezelfde tijd, waarin de bio-logische evolutie stellig nog vele verrassende levensvor-men in petto heeft, zal de zon aan zijn doodstrijdbeginnen. Dan worden de binnenplaneten van ons zonne-stelsel in de expanderende zonnematerie opgenomen, enzal dus toch nog het zo vaak geprofeteerde armageddonaanbreken. Zij het dat er over vijf miljard jaar al lang geenmensen meer zullen zijn die het Einde der Tijden kunnenondergaan.Voor zover het ons zonnestelsel betreft, is dus een van deoudste natuurfilosofische twistpunten beslecht: dat vaneen eeuwige tegenover een in tijd begrensde materiëlewerkelijkheid. Er ís een concreet begin en er ís een con-creet einde, met daartussen een tijdsinterval van tien mil-jard jaar. Buiten de beperking van ons zonnestelsel zijn deoude vragen echter nog steeds actueel.

de materiële wereld van gesteenten, lucht en water ver-weven tot een eenheid, het ‘Systeem Aarde’. In sommigeopzichten is dit zelfregulerende systeem te vergelijkenmet een levend organisme: alle organen werken samen envormen tezamen een geheel dat méér is dan de som vande samenstellende delen (zie ook de bijdrage Gaia, earthsystem science en biogeologie van Peter Westbroek in ditcahier).De wijdverbreide biosfeer is wel het meest intrigerendeaspect van het ‘Systeem Aarde’. De oudste sediment-gesteenten laten zien dat er ten tijde van hun afzetting,3,75 miljard jaar geleden, in zeewater al overvloedig bac-terieel leven was. Dat bleef zo tot omstreeks twee miljardjaar geleden, toen ook meercellige organismen hun intre-de deden. Die vereisen een omgeving met ten minste enigzuurstofgas. Hun evolutie kon dus pas op gang komentoen moleculair zuurstof een substantieel bestanddeelvan de dampkring werd. Bacteriën zijn echter tot de dagvan vandaag de essentie van de biosfeer blijven uitma-ken. Daarnaast is slechts een bescheiden rol weggelegdvoor wat wij in het dagelijkse spraakgebruik ‘de’ fauna enflora noemen. Bovendien kunnen de complexe, meercelli-ge organismen die de zichtbare levende natuur vormen,slechts dank zij de symbiose met allerlei soorten bacteri-ën bestaan.Is leven een exclusief kenmerk van de aarde? Tenzij menaanneemt dat het een metafysisch verschijnsel is dat los-staat van de universele natuurwetten, moet men er welvan uitgaan dat leven ook elders in het heelal voorkomt.Voor zover het ons zonnestelsel betreft, zal in de komen-de decennia worden uitgemaakt of een of andere vormvan microbieel leven ook op andere hemellichamen voor-komt, al is het nu al duidelijk dat een eventuele biosfeernergens een zo prominente rol is gaan spelen als hier.Maar ook als er leven zou worden aangetoond op Mars,de Jupiter-manen Europa of Ganymedes, en/of deSaturnus-maan Titan – dat zijn de hemellichamen die hetmeest in de belangstelling staan bij de speurtocht naareventueel buitenaards leven – blijven er nog tal van fun-damentele vragen. Is leven afzonderlijk op elk hemellichaam ontstaan door‘chemische evolutie’ uit ‘dode’ bouwstenen? Of begonhet op één hemellichaam en volgde er van daaruit koloni-satie? Het ruimteonderzoek van de laatste decennia heeftaangetoond dat bacteriën (in de vorm van sporen of ‘sla-pende cellen’ die door cysten zijn ingekapseld) van deene planeet naar de andere kunnen migreren. Er is weleens gesuggereerd dat het aardse leven afkomstig is van

26

Voorstelling van de bijbelse zondvloed.

27

Gaia, earth system science en biogeologie

3

P.G. Westbroek (1937) studeerde geologie en promoveerdein Leiden op het leven van fossiele schelpdieren (cumlaude). Aan de Queen’s University in Belfast begon hij metbiochemisch onderzoek aan biomineralisatie. In 1970 werdhet biochemisch onderzoek voortgezet in Leiden, metonderzoek aan calcificatie in algjes uit de zee, serologie vanfossiele macromoleculen en de bacteriële oxidatie van man-gaan en ijzer. In 1992 publiceerde hij het boek “Life as ageological force” (Norton). Hij coördineerde multidisci-plinaire projecten over de effecten van marien plankton ophet mondiale klimaat. Westbroek is emeritus hoogleraar inde Geofysiologie aan de Universiteit Leiden, is rustend lidvan de KNAW en bezette de ‘Chaire Européenne du Collègede France’ in 1996-7.

‘Toen ik die kleurrijke bol zag, zo groot als de nagel vanmijn duim, in die immense zwarte ruimte met duizendenflonkerende sterren, toen wist ik dat dit mijn thuis was.Meer nog dan de straat waar ik woon, zelfs meer dan mijneigen vaderland Amerika.’ Zo beschreef in december1968 de koele, ervaren astronaut James Lovell wat hijdoormaakte toen hij, met de Apollo 8 op weg naar demaan, de eerste foto’s van de aarde maakte vanuit ‘deepspace’. Het was een wetenschappelijke prestatie die hemdaar had gebracht, maar hij reageerde vooral als mens –en niemand die dat gek vond. De aarde ís ook bijzonder,veel bijzonderder dan we gewoonlijk denken. Maarvreemd genoeg leidt een vergelijkbaar soort dooreen-lopen van rationeel en gevoelsmatig denken onder bestu-deerders van dat wonderlijke systeem juist tot fikseonenigheid. Zeg ‘Gaia’, en blinde woede van gerenom-meerde onderzoekers van diverse pluimage is je deel. Datis jammer, want zo wordt met een beetje vies badwaterook een interessant kind weggegooid.

Lovells kleurrijke bol dankt zijn aparte en voor zover weweten unieke voorkomen, alsmede het ingezeteneschapvan Lovell zelf, onder meer aan vier bijzondere kenmer-ken. Ten eerste zit de aarde vol leven, niet alleen onderinde atmosfeer, maar ook in de oceanen en zelfs tot op eenaantal kilometers diepte in de aardkorst, in omgevingenwaar de temperatuur wel 120°C kan bedragen. In detweede plaats zijn er alleen hier open oceanen, nu al zo’n3,8 miljard jaar lang. Mars had ooit rivieren en meren,maar nu niet meer. Verder is er alleen op de JupitermaanEuropa misschien een oceaan, maar die zit dan in elkgeval diep verstopt onder een dikke, permanente laag ijs.Dat is, hoewel sommigen het tegendeel beweren, opaarde waarschijnlijk nooit zo geweest.Ten derde is onze atmosfeer heel bijzonder. Venus enMars hebben een uitgewerkte, geoxideerde atmosfeervan hoofdzakelijk koolzuurgas. Ook de atmosferen van de

P.G. WESTBROEK

28

grote buitenplaneten Jupiter, Saturnus en Uranus zijn stabiel, maar dan in hun oorspronkelijke, gereduceerdevorm. Ze bestaan vooral uit waterstof, methaan en ammo-niak. Alleen de aarde is omgeven door een mengsel vangeoxideerde en gereduceerde stoffen, respectievelijkzuurstof met koolzuur en stikstof met methaan. Diemethaan is, in combinatie met al de zuurstof, opmerkelijk.Het bewijst dat de aardatmosfeer juist niet in thermo-dynamisch evenwicht is.Het laatste van de vier kenmerken valt minder direct op,maar is daarom niet minder belangrijk. Het is de platen-tektoniek, het geologische proces dat continenten doetverschuiven, dat oceaankorst laat ontstaan en weer ver-gaan en zorgt voor een gestage kringloop van degesteenten.

Leven, open water, een actieve atmosfeer en platentekto-niek, zoveel bijzonderheden op één planeet moeten haastwel verband met elkaar houden en op elkaar inwerken.Hoe dat gebeurt is het onderwerp van de tak van geolo-gie die tegenwoordig Earth System Science heet, dewetenschap van de aarde als systeem.Earth System Science bestaat nog maar kort, maar heeftde gedachten over hoe de aarde in elkaar zit diepgaandveranderd. Voor het eerst wordt de planeet bekeken alséén dynamisch geheel, iets dat rond 1960 nog volstrektonhaalbaar was. De Aarde was toen voor geologen zoietsals ‘Europa’ nu is voor de gemiddelde krantenlezer: eenvaag, ver van je bed liggend begrip. Geologen waren alblij als ze de geschiedenis konden schrijven van eenbeperkt gebied. Ook het onderzoeksdoel is veranderd,het gaat niet alleen meer om een beschrijving van wat eris, maar vooral ook om de processen die daaraan tengrondslag liggen. Die doorbraak werd mede mogelijk dankzij de computer.‘Leven’, ‘atmosfeer’, ‘oceaan’ en ‘tektoniek’ zijn afkortin-gen voor ongelooflijk complexe systemen die onmogelijkin hun geheel te behappen zijn, laat staan tegelijkertijd.En dan hebben we het nog niet eens over de miljardenjaren van geschiedenis die ze allemaal hebben doorge-maakt. Je kunt dat alles echter terugbrengen tot grovemaar overzichtelijke modellen die alleen een klein aantalessentieel geachte variabelen bevatten en waarmee jedankzij de computer aan het rekenen kunt slaan.Dat werkt zo: stel dat je veel goede gegevens hebt overéén of twee verschijnselen gedurende een lange periode,bijvoorbeeld de mate van vulkanische activiteit en desnelheid waarmee gesteenten aan het aardoppervlak ver-

weren. Stel dat je ook een vermoeden hebt over hoe diezaken samenhangen met een ander verschijnsel, zeg hetkoolzuurgehalte van de atmosfeer. Je kunt dat veronder-stelde verband dan uitdrukken in wiskundige vergelijkin-gen van het soort ‘als x toeneemt, dan daalt y drie keer zosnel’. Met behulp van een computer kun je dan de uit-komsten van die vergelijkingen voor miljoenen jaren latenuitrekenen, en dan heb je dus een historische verwach-ting, een soort weersverwachting van het verleden. Diekun je leggen naast datgene wat bekend is over andereverschijnselen die samenhangen met het gezochte ver-schijnsel, in ons voorbeeld dus het koolzuurgehalte. Kloptdat niet goed genoeg met elkaar, dan moet je je ver-onderstellingen over het verband bijstellen en allesopnieuw laten uitrekenen, net zo lang tot je ‘beet’ hebt,of tot je besluit dat het veronderstelde verband er blijk-baar toch niet is.Dit is precies het experiment dat Robert Berner, eenAmerikaanse geoloog, in 1994 deed. De gedachte erach-ter was dat vulkanisme de belangrijkste producent vankoolzuur is en dat verweringsprocessen juist bij uitstekkoolzuur aan de lucht onttrekken, zodat je, uitgaande vande huidige waarden, uit de geschiedenis van vulkanismeen verwering koolzuurgehaltes in het verleden kon af-leiden. Het resultaat was Figuur 1: een verloopcurve vooratmosferisch koolzuur over de afgelopen zeshonderd miljoen jaar.

Figuur 1: De relatieve concentraties van atmosferisch CO2 in de laatste 600miljoen jaar (huidige concentratie =1) (volgens Berner, 1994).

29

Nu is koolzuur een heel belangrijk broeikasgas, veel kool-zuur in de lucht maakt de aarde warmer, bij weinig kool-zuur koelt ze af. Berners uit vulkanisme en verweringafgeleide koolzuurcurve blijkt opvallend goed te kloppenmet wat we over oude klimaten weten uit andere, onaf-hankelijke bronnen. Inderdaad was het in de tijd toen deeerste dieren tot ontwikkeling kwamen, het Paleozoïcum,waar Berners model koolzuurgehaltes voorspelt van vijf-tien tot twintigmaal zo hoog als nu, overwegend stukkenwarmer dan tegenwoordig. Zo’n 300 miljoen jaar geleden,in het Permo-Carboon, zuchtte de aarde vervolgensonder een langdurige ijstijd, waarna de wereld gedurendehet Mesozoïcum weer een aardig stuk opwarmde. Tenslotte koelde de atmosfeer weer langzaam af tot het tem-peratuurniveau waar we nu mee leven. Dat alles is zo inFiguur 1 terug te zien, alleen een korte ijstijd van 500 mil-joen jaar geleden ontbreekt. De meerwaarde van Berners aanpak is dat hij van eenoncontroleerbaar vermoeden dat koolzuur misschien ietste maken had met de verwering, vulkanisme en het kli-maatverloop over honderden miljoenen jaren, eenbehoorlijk onderbouwde waarschijnlijkheid maakt, en dathij bovendien nog aangeeft hoe sterk dat verband is. Datwe ooit een realistische schatting zouden kunnen makenvan het atmosferisch gehalte van een sporengas als kool-zuur in geologische tijden, was tot voor kort ondenkbaar.Maar belangrijker nog is dat we door dit soort modelbe-rekeningen gaan begrijpen wat er áchter de al bekendefeiten zit. Het is een stap op de weg van weten wat er isnaar inzicht in het hoe en waarom daarvan.Earth System Science zoals Berner die bedrijft laatbovendien zien dat er verband bestaat tussen verschijn-selen die ogenschijnlijk niets met elkaar van doen heb-ben, zoals verwering van de aardkorst en de temperatuurvan de atmosfeer. En zo wordt het mogelijk om de vier‘sferen’ – de atmosfeer, de hydrosfeer, het leven (biosfeer)en de aardkorst (lithosfeer) – te zien voor wat ze zijn:onderdelen van een samenhangend geheel die intensiefop elkaar inwerken, ongeveer zoals in Figuur 2. Ze vor-men een systeem met een eigen dynamiek, dat wordtaangedreven door twee externe energiebronnen: exogeneenergie van buitenaf, voornamelijk zonnestraling, en vanbinnenuit endogene energie, waarmee we de aardwarmtebedoelen.

Het besef dat de sferen een geïntegreerd systeem vor-men, maakt dat we heel anders gaan aankijken tegen deprocessen die zich op aarde voordoen. Neem nu de

gesteentencyclus. Die werd altijd gezien als een zuivernatuurkundige aangelegenheid, op de manier van Figuur3a. Rechts daarin staat de oceaankorst, links de veel lich-tere continenten, die door het duwen en trekken van deplatentektoniek veel hoger op de onderliggendeaardmantel drijven dan die zware oceaanbodem. De tek-toniek, aangedreven door endogene energie, zorgt dusvoor toenemend reliëf: continenten, hooglanden en berg-ketens tegenover de oceanen. Tegelijkertijd doen exoge-ne geologische processen aan de buitenkant van deaarde het tegenovergestelde. Zodra gesteenten aan weeren wind zijn blootgesteld, vallen ze ten prooi aan verwe-ring. Ze vallen uiteen in grind, zand en klei, of ze lossenop in regen en rivieren, zoals kalksteen. Gletsjers, rivierenen de wind vervoeren die afbraakproducten naar de oce-anen, waar ze eindigen als sediment op de basaltenondergrond van de oceaankorst – dat is de pijl ‘erosie entransport’ in Figuur 3a. Eenmaal daar aangeland maakt de lopende band van deplatentektoniek de cirkel rond. Langzaam schuift de oce-aankorst met zijn sedimentlast de trechters van de diepeoceaantroggen in, die vaak langs de randen van conti-nenten liggen. Vandaar gaat de reis voor de zwaardere

Figuur 2 Het Systeem Aarde in hoofdlijnen

30

korstbestanddelen verder naar de diepten van de aarde,een proces dat subductie heet. Hoe dieper het spul komt,hoe heter het wordt. Daardoor zet het uit en wordt hetlichter, soms zelfs zozeer dat het weer naar boven wil.Meestal blijft zulk materiaal ergens halverwege steken,maar soms breekt het door naar de oppervlakte. Dat is delava die bij vulkaanuitbarstingen vrijkomt.De lichtere bestanddelen van het sediment blijven groten-deels bovenop de volle trechters liggen. Ze worden alseen harmonica in elkaar gedrukt en hopen zich op alsenorme proppen tegen de randen van continenten – zo

wordt een deel van wat eerst van het land is afgeslepener weer aan toegevoegd met hoge gebergten als resul-taat, zoals bijvoorbeeld de Andes. Waar twee continentenop elkaar botsen en zich dus een oceaan sluit, schuift derand van de éne onder die van de ander. Door die ver-dubbeling van de continentale korst verheft zich dan ookeen gebergte. Zo ontstonden de Alpen en de Himalaya.Het gaat allemaal veel te traag om voor mensenogenwaarneembaar te zijn, maar als we ons de geschiedenisvan de aarde voorstellen als één dag, dan wordt elk half-uur de complete oceaankorst vernieuwd en is deHimalaya pas een kwartiertje geleden omhooggedrukt.Deze zuiver mechanische beschrijving leek lang afdoen-de, maar bleek naarmate meer details aan het licht kwa-men toch niet alles te kunnen verklaren wat geologenfeitelijk zien gebeuren. Dat werd vooral duidelijk toen menzo tegen 1980 serieus ging nadenken over de rol van hetklimaat bij de gesteentencyclus. Toen realiseerde menzich ook dat behalve de tektoniek, de atmosfeer en deoceanen ook de vierde ‘sfeer’ er diepgaand bij betrokkenwas: de biosfeer.Dat maakte de zaken voor onderzoekers wel interessan-ter, maar ook een stuk moeilijker. Het leven is zo ver-schrikkelijk complex en veelvormig, en we weten er nogmaar zo weinig van, dat het nauwelijks betrouwbaar inmodellen op te nemen is. Er is zelfs een heel apart vak-gebied ontstaan rond dat probleem, de biogeologie. Maar gelukkig is de biologische kant van verwering toe-vallig gemakkelijk genoeg te zien, daarvoor is een simpe-le wandeling genoeg. Op oude gebouwen en grafstenenzie je meteen hoe gesteenten door hongerige korstmos-sen, algen en planten worden aangevreten. Bacteriën enschimmels kruipen in de kleinste scheurtjes en gaatjestussen de mineraalkorrels en maken holtes, die planten-wortels verder openwrikken. Allemaal scheiden ze stoffenaf die de mineralen doen oplossen en uiteenvallen. Datdoen ze om onmisbare voedingsstoffen uit gesteenten vrijte maken, zoals fosfaat, natrium, kalium, calcium en mag-nesium. Worden die stoffen weer uitgescheiden of gaat het opne-mende organisme dood, dan komen de voedingsstoffenopnieuw vrij, net als wanneer wind of water het gesteen-te had afgebroken. Een volgend organisme ‘stroomaf-waarts’ zal ze opnieuw opnemen en na zijn dood weerafstaan, en zo voort, totdat ze uiteindelijk onvermijdelijkin zee belanden, waar ze zeebewoner na zeebewonervoeden – ook de voedselketens in zee zijn dus afhankelijkvan de verwering op het land. De eindbestemming van

Figuur 3 De gesteentencyclus vanuit geofysisch en biologisch perspectief.

31

deze stoffen is die van alle verweringsproducten: hetsediment op de oceaanbodem, de beerput van het aardsesysteem. Vandaar brengt de platentektoniek ze weer naarhet land, waarna alles opnieuw begint. Dit is de cyclusvan Figuur 3b.En dat is nog maar één manier waarop leven en degesteentencyclus met elkaar te maken hebben. Levenzorgt niet alleen voor verwering maar beïnvloedt ook hettransport van erosieproducten en de sedimentatie. DeWaddeneilanden, bijvoorbeeld, worden bij elkaar gehou-den door hun plantendek, en koralen leggen grote hoe-veelheden kalksteen vast in riffen. Omgekeerd is hetleven zelf weer afhankelijk van de platentektoniek, dievoortdurend minerale voedingstoffen terug in de kring-loop brengt en afvalproducten ter recycling naar de diep-ten van de aarde laat verdwijnen.

Vreemd genoeg leverde het beginnend inzicht in al diesamenwerking tussen systemen al meteen in 1979 eenidee op dat tot ruzies zou leiden, en uiteindelijk door eenaantal onderzoekers woedend zou worden bestreden. Hetbegon met een boekje van de Britse uitvinder JamesLovelock, dat ‘Gaia, a new look at life on earth’ heette. Lovelock wees erop dat de aarde niet alleen de enigebekende planeet met overvloedig leven was, maar dat het‘klimaat’ het leven nu al bijna vier miljard jaar welgezindgebleven was, hoezeer allerlei omstandigheden ook ver-anderden. Nooit werd het zo koud of warm dat het levenverdween, of de zee te zout werd, en altijd was er vol-doende voedsel. Dat is raar, omdat leven alleen binnentamelijk nauwe grenzen kan bestaan.De klassieke verklaring luidde altijd dat het leven zichsteeds domweg had aangepast aan de omstandigheden.Maar daarmee, zei Lovelock, komen we er niet. Het ver-klaarde bijvoorbeeld niet hoe het kon dat er open waterwas in de tijd dat daarin het leven nog maar net begonnenwas, terwijl de zon toen bijna een kwart minder felscheen. En kijk eens naar de rol van het leven bij proces-sen als de gesteentencyclus, dat is geen aanpassing,maar regelrechte beïnvloeding. Lovelock besloot dat het leven zelf verantwoordelijk wasvoor de stabiliteit van zijn omgeving. Je kunt, zei hij, deaarde tot op zekere hoogte beschouwen als een soortreusachtig organisme, dat hij Gaia noemde, naar de godinvan de aarde van de oude Grieken. Net als wij bijvoor-beeld onze temperatuur, onze hartslag en de samenstel-ling en druk van ons bloed zelf op peil houden, zo houdende systemen op aarde, inclusief het leven, gezamenlijk de

planeet bewoonbaar. Lovelocks Gaia doet dat volgensdezelfde principes als levende wezens: zelfreguleringdoor terugkoppeling. De gesteentencyclus is het duidelijkste voorbeeld van diemondiale zelfregulering. Dat komt omdat de platentekto-niek zo langzaam werkt dat er maar heel weinig voe-dingsstoffen aan het leven worden aangeboden bij deverwering. Vandaar dat zoveel organismen het verwe-ringsproces een handje helpen door die stoffen aan hetgesteente te onttrekken. Vandaar ook, dat die voedings-stoffen, als ze eenmaal vrijgekomen zijn vele malen doorhet leven worden gerecycled voordat ze in de diepzeeaan de biosfeer worden onttrokken. Goed beschouwd ishet hele aardoppervlak het toneel van een intense recy-cling-operatie door en voor het leven. Die biologischerecycling is een onderdeel van de grootschalige gesteen-tencylus dat heel kenmerkend is voor de aarde. Die gehe-le machinerie wordt aangedreven door de exogene enendogene krachten, is mondiaal van omvang, zeer flexi-bel, zelforganiserend, geordend en persistent – eentypisch voorbeeld van de werking van Gaia.

TerugkoppelingAls wij het koud krijgen gaan we vanzelf rillen, waardoorwe opwarmen en het bibberen stopt. Dat is een vorm vanterugkoppeling. Nog een: krijgen we het te warm, dangaan we zweten, daardoor koelen we af, zodat we weerophouden met zweten. Door zulke terugkoppelingen blijftonze temperatuur onder allerlei omstandigheden vrijwelconstant. We zijn onze eigen thermostaat.Iets dergelijks zie je bij het koolzuurgehalte van de atmo-

sfeer optreden. Vulkanisme voegt dat broeikasgas aan deatmosfeer toe, en verwering haalt het er weer uit. Stel nudat de vulkanen zich een tijdlang koest houden. Dan zalhet koolzuurgehalte dalen, en daarmee het broeikasef-fect. Het klimaat wordt dus koel. Gaan de vulkanen weeraan het werk, dan loopt het koolzuurgehalte weer op,zodat het warmer wordt. Maar als het warmer wordt,gaan chemische processen sneller verlopen, dus neemtook de verweringssnelheid toe. Hoe meer koolzuur er dusin de lucht terechtkomt, hoe sneller het gas ook weerwordt verwijderd. Zonder dat er leven aan te pas komt, is dat al een ruwsoort thermostaat. Maar de levende natuur maakt hemwel veel efficiënter. Als het koud is, staat niet alleen dechemische verwering op een laag pitje, maar ook hetleven. Zodra de temperatuur echter ook maar een beetjestijgt, worden organismen meteen veel actiever, zodat de

32

biologische verwering heel snel enorm toeneemt. Zo zorgthet leven dat de thermostaat veel kleinere pieken kent enhet koolzuurgehalte binnen nauwere grenzen blijft. Hetleven stabiliseert zijn eigen leefomstandigheden.Robert Berner kende de biologische kanten van het ver-weringsproces en nam ze mee in zijn model. Hij wist uitveldmetingen bovendien dat verwering nog eens drie totzeven maal sneller gaat als er zich behalve bacteriën,schimmels en andere micro-organismen ook vaatplanten,gewone planten dus, mee gaan bemoeien. De vroegstevormen van die planten ontstonden ongeveer 450 miljoenjaar geleden, en honderd miljoen jaar later waren grotedelen van de toenmalige continenten met oerwoudbedekt. Dat verklaart volgens Berner de dramatische enblijvende daling van het koolzuurgehalte in Figuur 1 inprecies die periode. Door de evolutie van vaatplantenkreeg Gaia, zogezegd, de omstandigheden op de aardemeer in haar greep.Maar dat verklaart niet hoe bij de zwakke zon van oerou-de tijden het leven in de eerste anderhalf miljard jaar vanzijn bestaan ook maar een kans kreeg enige invloed teverwerven. Als de zon nu zo zwak zou schijnen, vroor allewater onherroepelijk dicht en was elke ontwikkeling vanleven onmogelijk.Dat dat toch lukte komt volgens Jim Kasting, een geofy-sicus van de Penn State Universiteit, doordat de atmos-ferische omstandigheden destijds heel anders waren, enwel precies geschikt voor het leven onder de toenmaligezon. Aan de ene kant zat er destijds bijna geen zuurstof inde atmosfeer, maar wel heel veel methaan. Methaan iseen nog krachtiger broeikasgas dan koolzuur, het kongemakkelijk zorgen dat het aardoppervlak warm genoegbleef. Aan de andere kant wordt methaan, dat door micro-orga-nismen wordt aangemaakt, tegenwoordig door de zuur-stof in de lucht weggevangen. Maar bij gebrek daaraanmoest destijds het methaangehalte ongebreideld kunnenoplopen, net als de temperatuur. Dat zou de micro-orga-nismen alleen maar nog sneller nog meer methaan doenproduceren, totdat ze uiteindelijk in hun eigen methaan-soep gekookt zouden worden. Dat het niet zover kwamlag, zegt Kasting, aan een verschijnsel dat we van anderehemellichamen in het zonnestelsel kennen: vanaf eenbepaalde concentratie vormt methaan dikke, witte wolkendie het zonlicht terugkaatsen waardoor het klimaat eron-der juist weer afkoelt. Het leven ging het weer rustigeraandoen, naarmate er wat methaan werd afgebrokenlosten de wolken weer een beetje op, en zo voort. Ook

toen het leven nog jong was werkte er dus een thermo-staat, een die volgens Kastings model en andere geologi-sche gegevens de temperatuur zo rond de zestig gradenhield. Maar elk systeem en ook elke thermostaat heeft zijn gren-zen. Heel langzaamaan hoopte zich steeds meer methaan-afbrekend zuurstof op in de atmosfeer totdat, ongeveer2,2 miljard jaar geleden, het evenwicht onhoudbaar werden de methaanthermostaat instortte. Een geweldige ijstijdwas het gevolg, waarin vulkanisch koolzuur zich konophopen. De thermostatische werking van koolzuur enverwering begon de klimatologisch omstandigheden tebepalen en zorgde langzaamaan voor een nieuw, nu nogbestaand evenwicht.De oude methaanthermostaat was in een opzicht heelanders dan zijn opvolger: hij had zonder het leven nooitkunnen bestaan. Dat deed Kasting erkennen dat hier Gaiaaan het werk was, de aarde als een groot, zelfregulerendorganisme. Een dynamisch systeem dat zich als geheel instand houdt door mee te buigen met externe omstandig-heden als de hoeveelheid zonne-energie, maar waar-binnen onderdelen en deelmechanismen kunnen ontstaanen vergaan, van diersoorten tot thermostaten. Eensysteem dat bovendien als geheel meer is en meer kandan de som van zijn onderdelen, zoals een mierenkolonieals geheel iets is en dingen doet waar individuele mierengeen notie van hebben.

Mythe en wetenschapGaia is een fascinerende notie, maar toch moest diezelf-de Kasting er rond 1990 nog helemaal niets van hebben.Voor een slinkend aantal onderzoekers is het idee van-daag de dag nog steeds taboe, en dat geldt al helemaalvoor de naam Gaia. Ik denk dat veel van die irritatie voort-komt uit de associatie die die naam heeft met hetmythisch-religieuze, iets waar de rationeel ingesteldewetenschapper op goede gronden liefst zo ver mogelijkvandaan blijft. Dat de New Age beweging destijds op zijneigen, zweverige manier met de Gaia-gedachte aan dehaal ging, maakte het er zeker niet beter op. Gaia werdgezien als mythologie, geloof en emotie, terwijl weten-schap juist berust op controleerbare theorie, geobser-veerde feiten en rationeel denken. Maar toch vraag ik meaf of de wetenschap met die strenge afwijzing zijn doelniet voorbijschiet. Volgens de Franse epistemoloog Edgar Morin denkt elkmens op twee verschillende manieren. De ene manier issubjectief en affectief, gaat over persoonlijke ervaringen

33

en over de zin van dingen, kwesties als wie we zijn, waar-om we er zijn en waar wij en de kosmos vandaan komen.Het gaat over goed en slecht, mooi en lelijk en geeft onsleven kleur. Dat zijn precies de eigenschappen vanmythologie, daarom noemt Morin dit soort denkenmythisch denken. Daar tegenover zet hij het rationeel/empirische denken,dat over de objectieve werkelijkheid gaat. Niet wat wij wil-len, vinden of voelen is van belang, maar datgene wat wein de wereld aantreffen. Rationeel/empirisch denken zorgtdat we doelgericht in onze omgeving kunnen ingrijpen.Beide vormen zijn, zo zegt Morin, altijd onverbrekelijkdeel geweest van ieder mens. Tegenwoordig zijn kunst,religie en sport typische terreinen waar het mythisch den-ken heerst, terwijl de wetenschap het thuishonk is van hetrationeel/empirisch denken. Maar waar het om gaat, isdat we eenvoudig niet zonder een van beide kunnenleven. Zonder het mythisch denken zouden we verzuren,zonder ratio is geen technologie van enige betekenismogelijk. Ze staan tegenover elkaar, maar vullen elkaartegelijkertijd aan, en beïnvloeden en voeden elkaar. Denkmaar aan hoe uit het mythische, magisch-religieuze beginvan de alchemie uiteindelijk de rationele chemie oprees,en uit kwakzalverij de medische wetenschap. Omgekeerdleveren rationele ontdekkingen, van theorieën tot concre-te producten, esthetisch en ander genoegen op, maarook andere oordelen, nieuwe mythen. Jaren van striktrationeel geploeter bezorgden Lovell ver weg in de ruim-te zijn moment van ontroering. Een epilepticus heettevroeger van de duivel bezeten, tegenwoordig vinden wehem alleen maar ziek. Wetenschappelijke ontdekkingenveranderen zelfs onwrikbare religieuze waarheden, algebeurt dat nog met zoveel tegenzin. Een mooi voorbeelddaarvan is nog altijd de aanvaarding door de kerk vanRome van het Copernicaanse wereldbeeld. Zo bezien is de betekenis van de wetenschap voor demaatschappij veel breder en dieper dan alleen maar dietechnologische vernieuwing waar politici het altijd overhebben. Enerzijds roepen de subjectieve verlangens vande maatschappij de wetenschap op, anderzijds produ-ceert de wetenschap weer nieuwe mythen en waarden dietegemoet komen aan onze hang naar zingeving en oriën-tatie. Mythe en wetenschap lijken wel zoiets als een thermo-staat te vormen, maar nu een die gaat over menselijk wel-bevinden. Maar zo’n thermostaat kan alleen werken alsde delen goed met elkaar communiceren. Het voertuigdaarvoor zijn metaforen, beelden waarmee wetenschap-

pers en anderen zichzelf en elkaar hun wereld kunnenduidelijk maken, zoals ‘Big Bang’, ‘Zwart gat’, ‘evolutie’en ook, en misschien wel bij uitstek ‘Gaia’. Voor onder-zoekers betekent Gaia een zoektocht naar nog onbeken-de terugkoppelingen, voor de anderen wekt zijnieuwsgierigheid op naar het wezen van de aarde die zebewonen en hun plaats daarin. Het zou zonde zijn om zo’n krachtig beeld plus degedachten erachter weg te gooien omdat het toevalligook grote aantrekkingskracht uitoefent op New Age fan-tasten. We geven dan goede, mogelijk heel verhelderendeinzichten zomaar weg aan het obscurantisme, alsof we defoto’s van Lovell vanwege zijn ontroering zouden ver-scheuren, en het liever hielden bij het oude, getekendeglobetje van papier maché dat nu alleen nog om senti-mentele redenen op mijn tafel staat.

Enige literatuurBerner, R.A, 1994. Geocarb-II – A revised model of atmospheric CO2 over

Phanerozoic time. Amer. J. Sci. 294: (1) 56-91.Kasting, J. F. and L. L. Brown, Methanogenesis and the climates of early

Earth and Mars. In Planetary Systems: the Long View, EditionsFrontières, Blois, France, p 443-448

Knoll, A. H., 2003. Life on a young planet. The first three billion years ofevolution on Earth. Princeton Univ. Press.

Lovelock, J.E., 1979, Gaia: a new look at life on Earth. Oxford Univ. Press.Lovelock, J.E., 1988. The ages of Gaia. A biography of our living Earth.

Norton, New York, London.Lovelock, J.E., 2000. Homage to Gaia. Oxford Univ. Press.Morin, E. 1990. Science avec conscience. 2ième édition. Editions du Seuil.Morin, E., 1977 – 2001. La Méthode, tomes 1 – 5. Editions du Seuil. Morin, E. et A. B. Kern. 1993. Terre-Patrie. Editions du Seuil. Schneider, S. H. and P.J. Boston, eds. 1991. Scientists on Gaia.

Proceedings van de 1988 Gaia meeting in San Diego. MIT Press.Volk, T., 1998. Gaia’s body. towards a physiology of the Earth. Copernicus,

New York.Westbroek, P. 1991. Life as a geological force. Dynamics of the Earth.

Norton, New York.

34

Doelwit aarde: ruimte-projectielen,inslagkraters ende gevolgen

4

J. SMIT

J. Smit studeerde Geologie (Stratigrafie en Paleontologie)aan de Universiteit van Amsterdam. In 1981 promoveerdehij op het proefschrift ‘A catastrophic event at theCretaceous Tertiary boundary’. Hij was post-doc aan deUniversiteit van Californië in Los Angeles van 1983 tot 1985en vervolgde zijn loopbaan op de Vrije Universiteit vanAmsterdam. Van 1989 tot 1994 was hij fellow van de KNAWen daarna wetenschappelijk onderzoeker aan de afdelingSedimentaire Geologie. Sinds september 2003 is hij hoog-leraar Event Stratigrafie aan de Afdeling Sedimentologievan de Vrije Universiteit. Hij is lid van de KNAW en heeft deAKZO-prijs en de Mary Clark Thompson Medal ontvangen.

Al zolang als hij bestaat wordt de aarde gebombardeerddoor brokken gesteente uit de ruimte, meteorieten die inomvang uiteenlopen van nietige stofdeeltjes tot reuzenmet een doorsnee van dertig kilometer of nog meer. Verreweg de meeste meteorieten zijn ronddolende over-blijfselen van planetoïden en kometen. Planetoïde-meteo-rieten zijn afkomstig uit de planetoïdengordel, een zonevol grote en kleinere kluiten die tussen Mars en Jupiterligt. Heel af en toe botsen twee van die planetoïden in degordel op elkaar, waarna de brokstukken alle kanten opde ruimte invliegen, onder meer richting aarde. Maarzoiets is een zeldzaamheid. Veel vaker zijn meteorieten brokstukken van een planeto-ïde die door resonantie met Mars of Jupiter uit zijn baangetrokken is. Dat gebeurt als de baan van een planetoïdezich zo verhoudt met die van een van beide planeten, datze telkens weer op hetzelfde punt het dichtst bij elkaarkomen. Telkens trekt de planeet dan de planetoïde eenstukje verder uit zijn koers, totdat hij compleet uit zijnbaan geslingerd wordt, een beetje als een kind dat op eenschommel zo hard wordt aangeduwd, dat het op eengoed moment van de schommel vliegt.Kometen komen van veel verder weg. Ze vinden hun oor-sprong in de gordel van Kuiper, die tussen Neptunus enPluto ligt of uit de nog veel verder weg gelegen bolvormi-ge ‘wolk van Oort’, wel duizend maal zo ver van ons ver-wijderd als de verste planeet, Pluto. Meteorieten uit degordel van Kuiper zijn net als die uit de planetoïdengordelmeestal het resultaat van resonantie met een van de buur-planeten, maar voor de Oortwolk gaat die vlieger niet op.Vermoedelijk worden kometen daar door passerende ster-ren uit hun normale baan gehaald. Omdat ze van zo verkomen, treffen kometen de aarde met veel hogere snelhe-den, tussen dertig en zestig kilometer per seconde, dan

35

planetoïde-meteorieten die maar zo’n achttien kilometerper seconde halen.Er is nog een derde, onverwacht soort meteorieten: brok-stukken van de maan en zelfs van onze buurplaneet Mars.Dat zijn ‘scherven’ die door meteorietinslagen aldaar vandie hemellichamen worden afgeslagen.

Met uitzondering van de allerkleinste halen meteorietennooit ongeschonden het aardoppervlak. Die hele kleine,niet meer dan minieme stofdeeltjes, zijn onmogelijk directte herkennen en ook van de grotere blijft vaak niets voorhet blote oog zichtbaars over. Maar dankzij een heleboelstille getuigen weten we toch dat ze er zijn en wat huneigenschappen zijn. Hele fijne stofdeeltjes worden op hun tocht naar benedendoor de atmosfeer zo zachtjes afgeremd dat ze zonderhitteschade op het aardoppervlak vallen. Maar juistomdat ze zo klein zijn, kunnen we ze ook niet vinden.Maar toch laten ze sporen na. Dit ‘kometenstof’ vangt inde ruimte ‘zonnewind’ op, dat onder meer lichte helium-isotopen bevat, waaronder 3He, en dat komt met het stofop de aarde neer. Nu komt 3He van nature niet of nauwe-lijks meer op de aarde voor, het is in de loop van de tijddoor zijn geringe gewicht vrijwel compleet ‘verdampt’ uitde atmosfeer, de ruimte in. Daarom weten we zeker dathet meeste 3He dat we nu vinden afkomstig is uit de doormeteorietenstof opgevangen zonnewind.Kleine brokjes ruimtepuin, zo tussen het formaat van eenzandkorrel en een knikker, verbranden geheel als ze in dedampkring komen, we kennen ze als vallende sterren. Erblijven alleen kleine ablatiebolletjes van over, weergestolde ‘druppeltjes’ van tijdens de hete tocht afge-smolten materiaal, die we vaak terugvinden in het sedi-ment op de bodem van de zee en in het poolijs.Wat grotere brokken, zo tot een meter of tien in doorsnee,verbranden op weg naar beneden maar gedeeltelijk. Hetzijn de overblijfselen van deze meteorieten die we al ofniet in brokjes op de bodem terugvinden.Flinkere jongens maken een heel andere, veel spectacu-lairder entree op aarde. Meteorieten van zo’n tien tot hon-derd meter in doorsnee die, zoals de meeste, uit steenbestaan, zijn zo broos dat ze op weg naar beneden in deatmosfeer exploderen. Er blijft dan ook weinig herken-baars van ze over, zelfs geen inslagkrater. Wel is de klapgigantisch. De bekende Toengoesjka-inslag in 1908 inSiberië had een explosieve kracht van twintig megaton,ruim 1500 keer die van de atoombom op Hiroshima. In deveel zeldzamer gevallen dat zulke meteorieten uit nikkel

en ijzer bestaan, afkomstig uit de kern van een planetoï-de, zijn ze stevig genoeg om het aardoppervlak te halenen daar een krater te slaan. Het bekendste voorbeeld isde 25.000 jaar oude Barringer-krater in Arizona, met eendoorsnee van ongeveer een kilometer. Ook die klap kwamaan met een kracht van twintig megaton.Alle kraters op aarde met een doorsnee van tweehonderdmeter tot twee kilometer zijn door zulke middelgrote nik-kel-ijzermeteorieten veroorzaakt. Maar het kan nog eenstuk groter. Meteorieten met een doorsnee van vijfhon-derd meter tot vijftien kilometer produceren inslagkratersdie tien tot driehonderd kilometer wijd zijn. Dat gebeurtgelukkig maar heel zelden – gemiddeld grofweg eens per500.000 tot 1 miljoen jaar komt er eentje van een kilome-ter doorsnee op aarde terecht, eens per honderd miljoenjaar een van een kilometer of tien (Figuur 1) – toch moe-ten er in de laatste 590 miljoen jaar minstens zeshonderdvan zulke grote inslagen op het land geweest zijn, en zo’n1500 in zee. Van die laatste zijn, met een uitzondering,geen resten of kraters gevonden. Een van de manieren waarop grote inslagen van langgeleden zich verraden zijn de zogenaamde ejecta: mate-riaal die door de klap van de inslag uit de krater wordtgeslingerd (zie kader). Voor de leek zijn ze moeilijk te her-

Figuur 1: De frequentie van meteorietinslagen op aarde in jaren (Ma = miljoenjaar, Ga = miljard jaar), afgezet tegen omvang en gewicht van de meteoriet:hoe groter, hoe zeldzamer. De cirkels en de getallen in de figuur duiden op dedoorsnede van de krater. Deze frequentie is de laatste 2,5 miljard jaar op eenpaar uitschieters na gelijk gebleven.

36

Kader Ejecta

Als een grote meteoriet op aarde inslaat, wordt allerleimateriaal uit de krater weggeslingerd, zogenaamde ejec-ta. Dat materiaal komt rondom de krater neer en vormtdaar een laag die we een ejectalaag noemen. Wat er inzo’n laag zit, verschilt met de afstand tot de krater. Direct rond de krater vinden we wat heet de ejectadeken,een allesbedekkende laag van tien tot wel 500 meter dik,met een breedte van een tot drie maal de straal van dekrater. Het gedeelte van de ejectadeken dat direct aan dekrater grenst bestaat uit de gesteenten die voor de inslagop de plek lagen waar nu de krater is, maar in omgekeer-de volgorde: de gesteenten die het diepst onder de grondzaten liggen nu bovenop. De gesteenten bovenin hetbinnenste deel van de ejectadeken hebben van het daarverzamelde materiaal de grootse klap opgevangen,waardoor ze geheel of gedeeltelijk gesmolten zijn endaarna weer als glas gestold. Naarmate we verder van de krater komen verandert desamenstelling van de ejectadeken. Of beter: hij wordtrommeliger. De materialen die daar zijn neergekomen zijnniet zomaar als door een gigantische ploegschaar‘gekeerd’, maar langs een meer horizontale boog wegge-blazen en daarbij grondig door elkaar geklutst. Ook vin-den we hier brokken van de ondergrond buiten de krater,die zijn weggespat waar de grootste kluiten kratermateri-aal op de bodem terechtkwamen.De ejectadeken houdt vermoedelijk vrij plotseling op. Watdaarbuiten ligt is een laag van nog maar een paar centi-meter dik, die proximale ejecta genoemd wordt. Ook dezelaag bestaat uit materiaal dat uit de krater zelf afkomstigis, maar dat nog sterker door de schok vervormd is. Eengroot deel ervan zijn zogenaamde tektieten, stukken puurglas in allerlei vormen, ontstaan doordat gesmolten kra-termateriaal de ruimte ingeslingerd werd, waar het stoltvoordat het weer op de aarde terugvalt. (Figuur 6) Hoe hetglas tijdens het stollen rondtolt, bepaalt de uiteindelijkevorm. Het lijkt wel wat op obsidiaan, vulkanisch glas,maar bevat doordat het veel heter geweest is veel mindervluchtige bestanddelen. In Figuur 6 is te zien dat de tek-tiet buiten de atmosfeer gestold is, het belletje heeft geengravitatieversnelling gekend toen het glas stolde, endaarom is het belletje ook een puur vacuum. Een bijzon-dere vorm zijn de microtektieten, druppeltjes tektietglaskleiner dan een halve millimeter. Tektieten komen neer in een wijde kring rond de krater en

de ejectadeken, het strooiveld. Over dat alles heen enwereldwijd daarbuiten vinden we sporen van de inslagdie fundamenteel anders zijn, de zogenaamde distaleejecta, ook wel de vuurballaag genoemd.Distale ejecta zijn afkomstig uit de vuurbal die ontstaat inhet centrum van de inslag. Die vuurbal bestaat uit detotaal verdampte meteoriet en verdampt kratermateriaal,een gloeiend hete gaswolk onder enorme druk. Er is uit-gerekend dat in de vuurbal van de Chicxulub-inslag tem-peraturen van 90.000 graden Kelvin heersten, dat is tienkeer zo heet als het oppervlak van de zon. Zo’n vuurbalexplodeert met gigantische kracht – bij Chicxulub ginghet om een onvoorstelbare honderd miljard megaton –waardoor de uiteindelijke vorm van de krater bepaaldwordt.Door de expansie koelt het gas in de exploderende vuur-bal af en condenseert hoog boven de lucht tot minuscu-le druppeltjes gloeiend hete vloeistof. Nog weer latervormen zich in die druppeltjes kleine kristallen, en uitein-delijk stollen ze tot minieme bolletje glas. Maar tegen dat het zover is bevinden ze zich al ver bovende atmosfeer. Zo hoog, dat de bolletjes zich op de win-den over de hele wereld verspreid hebben, voordat ze opde aarde zijn teruggevallen. Sommige berekeningen wij-zen erop dat bij superinslagen als Chicxulub een deel vandeze bolletjes de ontsnappingssnelheid van de aardebereikt, zodat zelfs de maan ermee bespikkeld kan zijn.Uiterlijk lijken deze vuurbalbolletjes precies op de micro-tektieten van puur glas. Maar ze hebben dus een heelandere herkomst, en ook een andere naam, microkrystie-ten, vanwege de kristallen die ze bevatten (Figuur 3).Omdat in het vuurbalgas ook al het materiaal van demeteoriet zelf is opgelost, zijn microkrystieten en anderedistale ejecta die niet zo hoog zijn weggeschoten opval-lend rijk aan iridium, een grijzig, op aarde vrij zeldzaammetaal dat wel wat lijkt op platina, maar dan veel harder.Nog een interessant soort distale ejecta is zogenaamdegeschokte kwarts, (Figuur 4) kristalletjes van mineralenals kwarts en zirkoon die onder de microscoop opvallen-de schokschade vertonen: ze bestaan uit talloze parallelaan elkaar lopende lamelletjes, doordat het kristalroosterdoor de schokgolven – geluid – verstoord is. Geschoktkwarts is een zeker teken van een meteorietinslag, zelfsvulkaanuitbarstingen en atoombommen produceren geengeluidsgolven die sterk genoeg zijn om kwarts dusdaniguit zijn voegen te ‘schokken’.

37

kennen, het kunnen zowel tientallen meter grote puin-brokken zijn als minuscule glasachtige druppeltjes, envan alles daar tussenin. De laagjes die de ejecta van eeninslag vormen blijven het best bewaard in het relatiefongestoorde sediment op de bodem van zeeën en ocea-nen, maar toch zijn er veel minder van gevonden dan ervolgens Bartjens grote inslagen geweest moeten zijn.

Toen ons zonnestelsel zich nog maar net gevormd had,zat het nog vol met ruimtepuin, planetoïden die in eenmoordend bombardement op de kersverse planeten enhun satellieten neerkwamen, dus ook op de aarde. Hetpokdalige uiterlijk van Mercurius, Venus, de Maan enMars getuigt nog van de intensiteit van dat bombarde-ment, dat pas ophield toen ongeveer 3,5 miljard jaargeleden de planetoïden goeddeels door de grotere pla-netaire lichamen waren ‘opgeveegd’. Dat de aarde er indit opzicht bijna geheel ongeschonden uitziet, komtdoordat de platentektoniek en later de erosie aan hetaardoppervlak langzaamaan alle sporen hebben uitge-wist. We zouden alleen het ‘staartje’ van de inslagregens

uit die oerperiode nog terug kunnen vinden in de vormvan ejectalaagjes in de weinige nog onverstoordbewaarde sedimenten uit die tijd.Na de schoonmaak van het zonnestelsel hield de meteo-rietenregen niet helemaal op, daar zorgden de eerdergenoemde resonantie-effecten voor. Naar men aanneemtis het aantal objecten dat in de laatste 3,5 miljard jaar dedampkring binnenvloog jaarlijks ongeveer gelijk geble-ven.In totaal zijn er op aarde maar ruim 170 inslagkratersgevonden, vrijwel allemaal jonger dan vijfhonderd miljoenjaar (Figuur 2). Uit de periode daarvoor, het Precambrium,waarin er minstens tienduizend moeten zijn gevormd,kennen we er maar drie. Het zijn de Vredefort-krater inZuid-Afrika, de Sudbury-krater in Canada en deYarrabubba-krater in Australië. De eerste twee hebbenallebei een doorsnee van meer dan driehonderd kilome-ter, en zijn daarmee de grootste kraters die ooit gevondenzijn. Er zijn weliswaar een paar nog grotere cirkelvormigestructuren bekend, zoals de 1100 kilometer metendeBelchereiland-structuur in het oosten van de Hudsonbaai,

Figuur 2: De op aarde bekende inslagkraters. De grootste concentraties liggen duidelijk op de geologisch oude continenten. Links in het midden, op het puntjevan het Mexicaanse schiereiland Yucatan, eenzaam de krater van Chicxulub.

38

Figuur 3: Een met een elektronenmicroscoop gemaakte foto van eenmicrokrystiet van de grens tussen Krijt en Tertiair, gevonden bij Shatsky Risein de Stille Oceaan. Duidelijk zijn de clinopyroxeen-kristallen te zien,uitgeëtst door het zeewater. Het lijntje onderaan is 0,1 millimeter lang, dedoorsnee van de microcrystiet is dus nog geen halve millimeter.

maar vooralsnog is niet bewezen dat die door meteoriet-inslagen ontstaan zijn.Over wat er in de periode van 3,5 miljard jaar en 500 mil-joen geleden gebeurde, weten we alleen indirect iets. Erzijn ejectalagen gevonden van 3,25 miljard jaar oud in deBarberton-gordel in Zuid-Afrika, van 3,25 miljard jaar oudin de Pilbara-craton en van 2,5 miljard jaar oud in hetHamersley-bekken, beide in Australië. Die oudste ejectal-agen zitten vol bolletjes, vermoedelijk voor een groot deelmicrokrystieten (Figuur 3). Er zijn redenen om te vermoeden dat die Precambrischemicrokrystieten zijn gevormd uit opgesmolten oceaanbo-dem, maar dan moet dat wel bij geweldig grote inslagengebeurd zijn, terwijl men juist aanneemt dat het ‘grotebombardement’ al 3,5 miljard jaar geleden was opgehou-den. De laatst bekende superinslagen dateren van 3,9 tot3,5 miljard jaar geleden, met het ontstaan van de MareImbrium op de Maan als een soort slotakkoord. Daarnazouden meteorieten steeds in ongeveer dezelfde aantal-len en variatie de aarde bereikt hebben als vandaag dedag. Maar onlangs suggereerde een groep geologenonder aanvoering van de Amerikaan Frank Kyte dat noglang na 3,5 miljard veel meer en zwaardere inslagen ble-ven plaatsvinden dan gedacht. Dat deden ze op grondvan de zeer hoge Iridiumgehaltes die ze vonden in drieejectalagen vol bolletjes in de Barberton-gordel. Tegen2,5 miljard jaar geleden was het volgens Kyte wel dege-lijk afgelopen, de inslaglagen in het Hamersley-bekkenwezen op een inslagfrequentie en -intensiteit die nietafwijkt van wat we ook tegenwoordig nog meemaken.

Ook al zijn de beschikbare gegevens verre van volledigen ook niet altijd even duidelijk, en maken Kytes resul-taten de traditionele begindatum van 3,5 miljard jaargeleden wat onzeker, toch is het aan aannemelijk datmeteorietinslagen van na het Precambrium doorgaanshet gevolg zijn van de tamelijk constante stroom van doorresonantie losgeslagen planetoïden uit de planetoïden-gordel. Maar er zijn een paar interessante uitzonderingen. Zo lijkt er 480 miljoen jaar geleden, in een tijdperk dat wehet Ordovicium noemen, een soort stortbui van meteorie-ten te zijn geweest. Maar liefst zes van de zestien inScandinavië gevonden kraters stammen uit deze tijd(Tvären, Lockne, Kärdla, Granby, Gardnos en Neugrund).Bovendien zijn in Zuid Zweden in een aantal verschillen-de Ordovisische kalkafzettingen die allemaal binnen eenperiode van een tot twee miljoen jaar ontstonden, nietminder dan veertig meteorieten gevonden.

Die veertig meteorieten verraden wat er toen mogelijkgebeurd is. Ze zijn allemaal van hetzelfde type, zoge-naamde L-chondrieten. Dat doet vermoeden dat het oor-spronkelijk brokstukken waren van dezelfde planetoïde.Bovendien vertonen ze allerlei schokverschijnselen, waterop wijst dat het lichaam waar ze ooit deel van uitmaak-ten door een botsing met een andere planetoïde in deruimte in stukken geslagen is. Nog altijd valt er af en toeeen meteoriet van dit type op aarde, en altijd weer blijktuit de mate waarin radiogeen Argon eruit ontsnapt, dat de botsing die hun moederlichaam vernietigde zich on-geveer vijfhonderd miljoen jaar geleden moet hebben voltrokken. Dat maakt het plaatje kompleet: toen demoederplanetoïde in duizenden stukken uiteenspatte,vlogen grote en kleine brokstukken alle kanten op, ondermeer richting aarde. Het gevolg was dat er gedurendezo’n twee miljoen jaar naar schatting honderd maalzoveel meteorieten op aarde belandden dan anders. Heel

39

veel kleintjes, maar ook grote, die verantwoordelijk zijnvoor de overmaat aan inslagkraters uit die tijd. Iets wat op nog zo’n uitzonderlijke gebeurtenis wijst, is depiek van 3He die geochemicus Kenneth Farley in 1995aantrof in diepzeesedimenten in de Stille Oceaan uit heteind van het Eoceen, zo’n dertig tot veertig miljoen jaargeleden. Die piek moet wel een buitenaardse oorspronghebben, maar planetoïden kunnen hem ook niet verkla-ren. Een betere verklaring biedt een zwerm kometen, afkom-stig uit de Oort-wolk. Soms wordt door passerende ster-ren de Oort-wolk wat uit elkaar getrokken, waarbij doorresonantie een groot aantal kometen wordt losgeschuden naar het binnenste deel van het zonnestelsel valt.Anders dan planetoïden sleuren kometen dan een grote,stoffige staart achter zich aan, waarin zich 3He uit de zon-newind ophoopt. Komt zo’n komeet op aarde terecht, dangeldt dat ook voor het stof in zijn staart, inclusief hetingevangen 3He.Misschien is het ook geen toeval dat er 35 miljoen jaargeleden, dus precies in die periode, binnen tienduizendjaar twee flinke inslagen op aarde plaatsvinden. Een sloegde honderd kilometer grote Popigai-krater in Siberië, deander de tachtig kilometer wijde krater van ChesapeakeBay bij Baltimore aan de Amerikaanse oostkust. Het zijnverreweg de grootste kraters van de laatste 65 miljoenjaar. Het zou dus heel goed kunnen dat een kometen-zwerm zowel voor deze kraters als voor de 3He-piek ver-antwoordelijk is.

Of zulke gebeurtenissen als de kometenzwerm en degrote inslagen van 35 miljoen jaar geleden of de meteo-rietenregen uit het Ordovicium ook gevolgen hadden voorhet inmiddels ontstane leven op aarde, valt niet te zeg-gen. Wel kwamen de inslagen van Popigai en ChesapeakeBay op een moment dat de aarde al vijftien miljoen jaaraan het afkoelen was van een warme broeikasfase zonderijskappen op de polen naar de periode van ijstijden waarwe nu inzitten. We zien rond die tijd een klein dipje in hettemperatuursverloop, verder is er niets. Geen massaaluitsterven, hooguit een reorganisatie van organismen eneen bescheiden bloei van kalkige dinoflagellaten in detoenmalige Zuidelijke Oceaan.Er is eigenlijk maar één geval waarin een verband tusseneen meteorietinslag en een beslissend moment in de evo-lutie wel vaststaat, en dat is de overgang tussen het Krijt-tijdperk en het Tertiair, 65 miljoen jaar geleden. Dat is hetmoment waarop de dinosaurussen van de aardbodem

Figuur 4: Een geschokt kwartskristal, gevonden bij Brownie Butte, Montana.Duidelijk zijn de elkaar kruisende lamellen te zien die uit amorfe kwarts(=glas!) bestaan.

Figuur 5: Ni en Ir-rijk spinel kristalletjes gevonden nabij Caravaca, Spanje.Deze kleine kristalletjes zijn skelet-achtig uitgegroeid, zoals ijsbloemen opeen ruit, wat wijst op snelle afkoeling.

40

slotte bleek ook nog dat de verhouding tussen de gehal-ten van aan platina verwante elementen in het laagje alsiridium, osmium, palladium, ruthenium en rhodium vrijwelgelijk was aan die welke we in alle meteorieten vinden dievan planetoïden of kometen afkomstig zijn. Alles wees erop dat het hier ging om een laagje ejecta vaneen meteorietinslag, en onlangs werd het definitievebewijs gevonden: de verhouding erin tussen de chroom-isotopen 53Cr en 52Cr is gelijk aan die van een bepaaldsoort koolstof-meteorieten, maar komt niet in aardsegesteenten voor. Daarmee was het bestaan van de enorme meteorietinslagdie het grote uitsterven had veroorzaakt definitief bewe-zen, maar waar was de krater? Het eerste spoor dat daarnaartoe leidde waren tektieten (Figuur 6, zie kader), die opverschillende plaatsen in Noord Amerika in het laagje wer-den gevonden. Hoe dichter je in de buurt van de Golf vanMexico kwam, hoe groter die tektieten werden. Bovendienkwamen in Texas en elders rond de Golf van Mexico op de

Figuur 6: Klein tektietje gevonden bij Beloc, Haiti, op de grens van Krijt enTertiair. Het bolletje is 3mm in doorsnee, bestaat uit een kern van bruin glas,en heeft een verweringsrand van groene kleimineralen. Precies in het middenvan het glas zit een klein gasbelletje dat nu nog (na 65 miljoen jaar!) eengasdruk van 0,01 atmosfeer heeft, dus nagenoeg vacuum.

verdwenen, en met hen talloze andere soorten, terwijl eenheel scala aan nieuwe levensvormen op het toneel ver-scheen. Tegelijk viel ook het hele oceanische ecosysteemin duigen. Voor een tijd verdween alle kalkige plankton,evenals alle koraalriffen. Enkele duizenden jaren langwerd daardoor op de zeebodem nauwelijks kalk meerafgezet. Het sediment bestaat in die tijd vrijwel alleen uitstof en, vooral in zeeën langs de rand van continenten,klei. Waarom dat allemaal plotseling gebeurde, bleeflange tijd een mysterie.Tegen 1978 ontdekten Luis Alvarez, een natuurkundigeuit Berkeley in Californië, en zijn zoon Walter, die geoloogwas, in een brok sediment uit Gubbio in Italië onderin eendunne kleilaag een millimeterdun laagje met een daarineen ongewoon hoog gehalte aan iridium, chroom en nik-kel, dat precies de overgang van Krijt naar Tertiair mar-keerde en dat later wereldwijd bleek te bestaan. Totdertig meter eronder zijn in Amerika pootafdrukken vandinosauriërs gevonden, erboven nooit. Dat laagje gaf deeerste aanwijzing dat de catastrofe die 65 miljoen jaargeleden had plaatsgevonden, wel eens een buitenaardseoorzaak zou kunnen hebben. Hoge iridiumgehaltes zijnimmers een kenmerk van sommige producten van meteo-rietinslagen (zie kader). Maar vast stond dat nog allerminst. Want als er toen eenenorme inslag was geweest, waar was dan de kratergebleven? En waren er geen andere mogelijk verklarin-gen, zoals een enorme vulkaanuitbarsting, of zelfs deontploffing van een supernova?In de loop van de jaren tachtig van de vorige eeuw kwa-men er echter stilaan meer aanwijzingen dat het inder-daad om een meteorietinslag ging. Bij Caracava, eenstadje bij Murcia in het zuiden van Spanje werden micro-krystieten in het laagje gevonden, die later ook overal terwereld bleken voor te komen. Alles bij elkaar gaat het omeen onvoorstelbaar hoeveelheid van die kleine, kristal-houdende bolletjes, wereldwijd tenminste vijfhonderdkubieke kilometer in dat ene dunne laagje! Een volgendeaanwijzing waren korreltjes geschokt kwarts, die werdenaangetroffen in afzettingen van steenkoolmoerassen uitprecies dezelfde tijd (Figuur 4). Men ontdekte dat hetlaagje het westen van Amerika, waar het wat dikker is,zo’n een tot twee centimeter, een abrupte veranderingmarkeerde van de begroeiing op het land. Er werdenvreemde aminozuren gevonden, wat microscopisch klei-ne diamantjes, en spinelkristalletjes met een hoog nikkel-gehalte (Figuur 5), allemaal dingen die typerend zijn voorde neerslagproducten van een grote meteorietinslag. Ten

41

grens van Krijt en Tertiair zogenaamde hoge-energiesedi-menten voor. Dat zijn afzettingen die wijzen op heel ster-ke stromingen of golfwerking. Ze zijn kenmerkend vooroude tsunami’s, enorme vloedgolven zoals die wel dooronderzeese aardbevingen worden veroorzaakt.Uiteindelijk werd de krater in 1990 inderdaad gevonden,bij het plaatsje Chicxulub op het puntje van het schierei-land Yucatan in Mexico. De eigenlijke krater, met eendoorsnee van tegen de tweehonderd kilometer, ligt begra-ven onder een kilometers dikke laag sediment, zodat hijaan het aardoppervlak alleen op heel nauwkeurige satel-liet-radaropnamen te zien is (Figuur 7). Radiometrisch isaan de gesteenten in het smeltbad in het hart van de kra-ter aangetoond dat hij 65 miljoen jaar oud is, precies alsde tektieten op de grens van het Krijt en het Tertiair.Sinds de ontdekking van de Chicxulub-inslag gaan er welstemmen op om ook andere perioden van massaal uit-sterven aan grote inslagen van buitenaardse objecten toete schrijven. De catastrofe die de overgang van Perm naarTrias tekent, bijvoorbeeld, 248 miljoen jaar geleden. Toenzou een nog veel grotere inslag de aarde hebbengeteisterd, of die op de grens van Paleoceen en Eoceen,

Figuur 7: Satellietopname (NASA shuttle radar) van het noorden van Yucatan. De rand van de Chicxulub-krater is te zien als een halfronde, iets verhoogde cirkel.Aan de linkerkant is een computer-animatie van de krater te zien van de afwijkingen van het zwaartekrachtveld. De buitenste duidelijke ring valt precies samenmet de rand op het rechter beeld.

59,4 miljoen jaar geleden. Het bewijs daarvoor is echtermaar mager, en de uitstervingspatronen lijken slecht tekloppen met wat je van een grote meteorietinslag ver-wacht. Maar aan de andere kant: wie kan precies zeggenwat je van zulke uitzonderlijk grote meteorietinslagenmag verwachten?

LiteratuurFarley, K. A. (1995) Cenozoic variations in the flux of interplanetary dust

recorded by 3He in a deep-sea sediment, Nature, v. 376, no. 13 July,p. 153-156.

Kyte, F. T., A. Shukolyukov e.a. (2003) Early Archean spherule beds:Chromium isotopes confirm origin through multiple impacts of project-iles of carbonaceous chondrite, Geology, v. 31, no. 2, p. 283-286.

Schmitz, B., M. Tassinari and E. B. Peucker (2001) A rain of ordinary chon-dritic meteorites in the Early Ordovician, Earth and Planetary ScienceLetters, v. 194, no. 1-2, p. 1-15.

Zachos, J., M. Pagani e.a. (2001), Trends, rhythms, and aberrations in glo-bal climate 65 Ma to present, in Smith, J. and J. Uppenbrink (eds),Paleoclimate; Earth’s variable climatic past, American Association forthe Advancement of Science. Washington, DC, United States. 2001.

42

43

Broeikaseffecten uit dediepzee

5

D. KROON

D. Kroon studeerde geologie aan de Vrije Universiteit, waarhij in 1989 promoveerde. Hij vertrok naar de Universiteit vanEdinburgh waar hij 12 jaar doceerde. Hij werd hoogleraarPaleoceanografie in Edinburgh in 2000. Sinds april 2001 ishij hoogleraar Paleoecologie en Paleoklimatologie aan deVrije Universiteit in Amsterdam. Hij is momenteel adjunct-directeur van het Instituut voor Aardwetenschappen. Hijfungeerde twee maal als ‘co-chief scientist’ gedurendeexpedities van het ‘Ocean Drilling Program’.

In de stille diepten van de oceanen wordt de geschiedenisvan de aarde bewaard, in de vorm van de materialen diein de loop van honderden miljoenen jaren naar benedendwarrelden en zich op de bodem tot dikke sedimentlagenopstapelden. Deze lagen bestaan uit verweringsstof vanhet vaste land dat door wind en water in zee gespoeldwerd, allerlei chemische producten die zich uit het waterafscheidden, en vooral de resten van al het leven dat inde loop der tijden de oceaan bevolkte. Wat er precies opde bodem terecht kwam, weerspiegelde steeds de kli-maatsomstandigheden die in het water heersten, in deatmosfeer en op het land.Toen men rond 1968 diepzeeboringen ging doen om uit tezoeken hoe de platentektoniek werkte, kwam dan ook algauw de gedachte op dat het opgeboorde bodem-gesteente veel meer gegevens moest bevatten, ondermeer over de geschiedenis van het klimaat. Dat leiddeuiteindelijk in 1983 tot de start van het Ocean DrillingProject (ODP), dat werd gedragen door een stuk of veer-tig wetenschappelijke instellingen verspreid over dewereld. Inmiddels is het ODP programma in september2003 afgelopen, maar het werd opgevolgd door de nieu-we internationale organisatie het Integrated OceanDrilling Project (IODP). Ook Nederland zal meedoen,gesteund door de Nederlandse organisatie voorWetenschappelijk Onderzoek (NWO). Wetenschappelijke nieuwsgierigheid naar hoe het klimaatin lang vervlogen tijden was en hoe het zich ontwikkeldeis niet de enige drijfveer achter het project. Minstens zobelangrijk is dat we uit de diepzee-boorkernen ook kun-nen afleiden hoe stabiel temperaturen waren, wat deweerslag van klimaten en klimaatveranderingen was opde verscheidenheid van het leven, en hoe klimaat enkoolstofcyclus met elkaar samenhangen. Daaruit kunnenwe leren hoe broeikaseffect precies werkt, en dat is vangroot belang voor onze eigen toekomst.

Over het algemeen is het klimaat gestaag afgekoeld sinds

44

het begin van het Cenozoicum, 65 miljoen jaar geleden,toen de zoogdieren zee en land overnamen van de zojuistuitgestorven sauriërs en dinosauriërs. Uit een vergelijkingvan boorkernen die werden opgehaald op allerlei plaatsenover de hele wereld, bleek dat naarmate je verder terug-ging in de tijd het niet alleen over het algemeen steedswarmer was geweest, maar ook dat het klimaat soms heelsnel drastisch veranderde – een gegeven met een bijzon-dere lading nu menselijke activiteiten het klimaat duidelijkblijken te beïnvloeden. De spectaculairste warmtepiek in het Cenozoicum is hetzogenaamde Paleoceen-Eoceen thermale maximum.Ongeveer 55 miljoen jaar geleden liep de gemiddeldetemperatuur van de diepzee tijdens de geologische oog-wenk van een paar honderd tot een paar duizend jaarmaar liefst vier graden Celsius op, en in de poolzeeënzelfs acht graden, waarna het zo’n 150.000 jaar warmbleef. Wie denkt dat een stijging van vier of acht gradentoch niet veel voorstelt: kijk maar eens hoe een zieke meteen temperatuur van 41 °C – vier graden koorts – er aantoe is. Realiseer je dat de gemiddelde jaartemperatuurvan het kille Londen maar 5,5 °C verschilt van die van hetzondoorstoofde Rome.De gevolgen waren er dan ook naar. Niet alleen steeg detemperatuur op het land en in zee, ook ging het veel meerregenen, gingen verweringsprocessen in een veel hogereversnelling en verzuurden rivieren en oceanen. De evolu-tie nam een reuzensprong. Tropisch plankton dook op insubpolaire contreien, nieuwe soorten ontstonden.Doordat de chemische samenstelling van het bodemwa-ter veranderde, kreeg het bodemleven in zee forse klap-pen te verduren. Benthische foraminiferen, een veelvoorkomend type bodembewonende, speldenknopgroteeencelligen met een kalkschaaltje, verdwenen zelfs voorenige tijd grotendeels van het toneel. Op het land stiervenheel wat zoogdiersoorten uit, en er evolueerden nieuwevoor terug.

Datering met zuurstof isotopenDat we het klimaatverloop van zo lang geleden uit opge-boorde sedimentkernen kunnen aflezen, danken we medeaan het overal en altijd aanwezige nietige plankton, een-celligen waarvan de kalkachtige skeletjes meer dan drie-kwart van al het sediment op de zeebodem vormen. In diekalkskeletjes zitten verschillende isotopen van koolstofen zuurstof, en de verhoudingen tussen die isotopen ver-raden de klimaatomstandigheden waaronder het planktonleefde.

Zuurstof komt in twee vormen voor. De ‘normale’ lichtevorm is 16O, maar daarnaast bestaat ook de zwaardereisotoop 18O, die twee extra neutronen heeft. De verhou-ding tussen die twee zuurstofvormen in de planktonske-letjes hangt af van de watertemperatuur en dehoeveelheid ijs aan de polen. Gewone zuurstof verdamptnamelijk altijd sneller uit oceaanwater dan 18O, om alsneerslag weer terug te komen. In koude tijden wordt rela-tief veel van die neerslag vastgehouden in de poolijskap-pen, zodat het aandeel 18O in het zuurstofgehalte van hetwater betrekkelijk hoog wordt. Dat zie je terug in de skeletjes, en dan nog eens versterkt, omdat planktonnaarmate het kouder wordt al meer 18O in zijn skeletopneemt. Hoe meer 18O je in de kalkskeletjes van plank-ton in sediment vindt, hoe kouder het dus was, enandersom. Daardoor is de linkercurve van Figuur 1, die het uit meerdan veertig wijdverspreide boringen afgeleide relatieve18O-gehalte weergeeft, te lezen als een grafiek van hettemperatuurverloop op aarde over de afgelopen 65 mil-joen jaar (let op: het gehalte 18O loopt op naar links!).Duidelijk is, als een smalle piek, dat Paleoceen-Eoceenthermale maximum van 55 miljoen jaar geleden te zien.Even spectaculair is de plotselinge ‘koudegolf’ die tijdenshet vroege Oligoceen, rond 34 miljoen jaar geleden, deaarde in zijn greep nam. Dat was het moment datAntarctica begon in te vriezen in de langzaamaan steedsverder afkoelende wereld. Op de een of andere manierwerden op die momenten blijkbaar drempelwaarden over-schreden die het hele klimaatsysteem grondig ontregel-den.

Figuur 1 laat zien dat de jongste twee ‘hittegolven’ in hetmidden-Mioceen en het laat-Oligoceen lagen, en dat deaarde rond vijftig miljoen jaar geleden een langdurigezeer warme periode had te verduren: het vroeg-Eoceneklimaatsoptimum. In die periode, die een à twee miljoenjaar duurde, lag er maar weinig, soms waarschijnlijk zelfshelemaal geen ijs op de polen, en leefden subtropischeplanten en dieren in streken waar nu sneeuwschoenengoed verkocht worden. Maar ook waren de verschillen intemperatuur tussen de klimaatzones veel kleiner dan nu:het oceaanwater in het uiterste noorden en zuiden wasveel sterker opgewarmd dan dat op lagere breedten. Dat geringe contrast tussen tropen en poolstreken wijstop sterke broeikaseffecten. Klimaatmodellen laten ziendat zo’n gelijkmatige temperatuursverdeling als uit deboringen blijkt pas gaat optreden als er heel veel koolzuur

45

Figuur 1 Compilatie van stabiele zuurstof-isotopenprofielen uit de diepzeevoor de laatste 65 miljoen jaar gebaseerd op meer dan 40 boorkernen. HetPaleoceen-Eoceen Thermale Maximum (de piek bij 55 miljoen jaar geleden),met een relatieve overmaat aan lichte zuurstof- en koolstofisotopen, waseen extreem warme periode.

(CO2) in de atmosfeer zit, tot wel zes keer zo veel als voorde industriële revolutie van een paar eeuwen geleden nor-maal was (Figuur 2). Het is niet zo moeilijk te zien waaromdat zo is: het broeikaseffect betekent dat er een atmosfe-rische deken over de aarde ligt waardoor minder warmtewordt uitgestraald, terwijl de aanvoer van warmte door dezon gelijk blijft. De in de tropen binnenkomende en extravastgehouden warmte blijft naarmate de broeikasdekendichter is langer onder die deken circuleren en warmt zoook koudere streken op, met een gelijkmatiger tempera-tuursverdeling als gevolg.

Naar alle waarschijnlijkheid waren de broeikasgassen diehet vroeg-Eocene klimaatsoptimum veroorzaaktenafkomstig uit de diepten van de aarde. Via actieve sprei-dingruggen in de oceaan, de ‘wondkorsten’ van uit dediepte opwellend materiaal waar platen uit elkaar scheur-den of dreven, ventileerde de aardmantel gedurende mil-joenen jaren grote hoeveelheden methaan, koolzuur enandere broeikasgassen de zeeën en vandaar de atmo-sfeer in. Langs die weg zijn plotselinge pieken als het Paleoceen-Eoceen thermale maximum echter niet goed te verklaren,daarvoor gaat de ventilatie van de aardmantel te traag.Sommigen opperen dat er sprake was van geweldig vul-kanisme langs de randen van tektonische platen.Waarschijnlijker is dat het in de zeebodem ingevrorenmethaan, een veel sterker broeikasgas dan koolzuur, eenhoofdrol speelt.In de bodem van de onderzeese continentale hellingenliggen namelijk onafzienbare hoeveelheden methaan,opgeslagen in de vorm van gashydraten, gashoudendeijskristallen. Zolang de waterdruk hoog genoeg blijft enhet bodemwater koud genoeg, zijn deze koolstofreser-voirs ontoegankelijk. Het gas ligt als het ware veilig inge-pakt in de vriezer. Maar zou zelfs maar een relatief kleindeel ervan vrijkomen doordat het oceaanwater zoveropwarmt dat de gashydraten smelten, dan borrelt genoegmethaan op om een sterk broeikaseffect te veroorzaken.De gedachte is nu dat dat precies is wat er 55 miljoen jaargeleden gebeurde. Daarbij kwam in korte tijd een enormehoeveelheid methaan vrij, waardoor het systeem op holsloeg, met een thermaal maximum als resultaat. Als

Figuur 2 Concentraties van het CO2 broeikasgas voor de laatste 65 miljoenjaar. Tijdens het Paleoceen waren de concentraties van CO2 mogelijk tot zeskeer hoger dan de pre-industriële waarden.

46

bewijs hiervan worden de koolstofisotopen aangevoerd. Behalve de verhouding tussen zuurstofisotopen wijzenook de koolstofisotopen in bodemsedimenten op veelbroeikasgas in warme klimaatperiodes. De kalk van deskeletjes van het afgestorven plankton bestaat ookgedeeltelijk uit verschillende isotopen van koolstof, metname 12C en het iets zwaardere 13C. De verhouding tussendie twee soorten koolstof hangt af van hoeveel er van elkeisotoop tijdens het leven van de eigenaar van zo’n skelet-je in zijn leefomgeving vrij voorhanden was. Nu komt het lichte 12C op aarde vooral vrij wanneermethaan onder invloed van zuurstof uiteenvalt in koolzuuren water. Dat gebeurt spontaan als methaan in contactkomt met de buitenlucht of water. Als er relatief veel 12Cin de skeletjes uit een bepaalde periode zit, wijst dat erdus op dat er toen veel methaan in de atmosfeer en hetoceaanwater terecht gekomen moet zijn, en er dus naverloop van enige tijd veel koolzuur in lucht en water zat.De rechtercurve van Figuur 1 (die naar rechts toeneemt)laat het relatieve aandeel van het zware 13C in de kalk-skeletjes zien. Kijk bijvoorbeeld maar naar de dip diesamenvalt met het Paleoceen-Eoceen thermale maxi-mum.

Het mooie van die theorie van smeltende gashydraten is,dat geologen deze met behulp van diepzeeboringen in depraktijk tamelijk direct kunnen toetsen. Ziehier de redene-ring erachter. Kalk is oplosbaar in water. Of kalk ook wer-kelijk oplost, hangt af van de zuurgraad en temperatuurvan het water (die twee gaan samen, broeikasgassen ver-zuren het water en zorgen door hun aanwezigheid in deatmosfeer ook voor opwarming) en de waterdruk.Wanneer de combinatie van die drie factoren boven eenbepaalde waarde komt, begint kalk ineens in hoog tempoop te lossen – dat is waarom je kalkaanslag met azijn kuntverwijderen, en waarom dat met hete azijn een stuk betergaat. Nu is de meeste kalk die zich op de oceaanbodem alssedimenten afzet afkomstig van de naar beneden dwarre-lende skeletjes van microplankton dat in het oppervlakte-water leeft. Naarmate de skeletjes dieper zinken neemt dewaterdruk toe, altijd met een atmosfeer per tien meter. Opeen bepaalde diepte raakt de kalk van de skeletjes bij deheersende temperatuur en zuurgraad van het wateronderverzadigd, en vanaf dat punt beginnen de skeletjesop te lossen. Die diepte heet de lysocline, wat je kunt ver-talen met de oplosdiepte. Beneden de lysocline zal hetkalkgehalte afnemen in het sediment naarmate de skelet-

jes sneller oplossen dan de aanvoer van boven bij kanhouden, totdat er geen kalk meer op de diepzee bodemis. Het sediment bestaat daar voornamelijk uit klei.Tegenwoordig is de temperatuur van het diepzeewaterongeveer nul graden en ligt de lysocline op 4200 meterdiepte. In diepere oceaanbekkens is de bodem dan ookbedekt met klei. Maar in warmere periodes waarin hetwater bovendien zuurder was doordat het meer koolzuurbevatte, moet de lysocline hoger hebben gelegen, enmoeten ook op geringere dieptes dus kalkloze sedimen-ten gevormd zijn. Daar is alleen wel wat voor nodig. Aande hand van klimaatmodellen is berekend dat om het zee-water zover op te warmen en te verzuren dat de lysoclinemet vierhonderd meter stijgt, ruim duizend miljard tonmethaan min of meer ineens in de atmosfeer moet wor-den losgelaten (Figuur 3). Dat is tweehonderd keer zoveel

Figuur 3 Uit een klimaatmodel berekende verschuiving van de lysocline alsgevolg van toevoeging van 1100 miljard ton methaan aan de atmosfeer. Delysocline zou ongeveer 400 m gaan stijgen. De koolstof-isotopenverhoudingverschuift naar lichtere waarden in alle oceanen.

47

als er nu in de atmosfeer zit en het equivalent van de hoe-veelheid aardgas die Nederland bij het huidige energie-verbruik in een kleine 2500 jaar zou opstoken. Zulkeenorme hoeveelheden kunnen alleen maar uit de gashy-dratenreservoirs komen.Er waren ook al boringsgegevens die in die richtingwezen. Tegelijk met de 12C piek van het thermale maxi-mum vinden we overal lagere kalkgehaltes in de afzettin-gen, zo consequent dat van toeval geen sprake kan zijn.Op hetzelfde moment zien we ook ernstige aantastingenvan het bodemleven in de oceanen: van de eerdergenoemde benthische foraminiferen vinden we ineensgeen fossielen meer. De verklaring daarvoor is dat deoxidatie van al het vrijkomende methaan tot koolzuurzoveel zuurstof aan het water onttrok, dat veel schelpenoplosten, en bodemleven eenvoudig door zuurstofgebrekomkwam. Maar wat nog ontbrak waren echt systemati-sche gegevens, waaruit we ook zouden kunnen afleidenhoeveel methaan nu werkelijk de stoot tot het Paleoceen-Eoceen thermale maximum gegeven had.

In 1998 begonnen we in Edinburgh, Schotland, met eengroep specialisten een plan te maken voor een systema-tische reeks boringen om het precieze niveau van delysocline tijdens het Paleoceen-Eoceen thermale maxi-mum vast te stellen. Daarvoor zochten we eerst eengeschikte onderzeese bergrug, die als ‘peilstok’ kon die-nen: eentje die onder meer zo hoog was dat de gesteen-ten die er in die tijd op waren afgezet de hoogstevermoedelijke niveaus van de lysocline zouden kunnenlaten zien. Het werd de Walvis Rug, een gebergte in deAtlantische Oceaan voor de kust van Namibië.In het voorjaar van 2003 was het zo ver. In maart begonhet onderzoeksschip Joides Resolution aan een reeksboringen, eerst de voet van de Walvis Rug op 4700 meterdiep, daarna steeds hoger, tot op een ‘ondiepte’ van2700 meter (Figuur 4, 5). In de 55 miljoen jaar sinds hetthermale maximum is de Walvis Rug zo’n duizend metergezakt, zodat de boringen aangeven wat toen de situatiewas tussen 3600 en 1700 meter diep (Figuur 6).Zolang op het punt waar het sediment uit het thermalemaximum dateerde in het boormonster alleen maar eenkleilaag gevonden werd, wisten we dat het monster vanonder de toenmalige lysocline vandaan kwam. Zoudenwe de kalk aantreffen, dan kwam het monster van bovende lysocline. Maar naarmate we boorkernen van hoger uitde bergrug begonnen op te halen, steeg de spanning: tel-kens weer vonden we alleen klei, zelfs in de allerhoogste

Figuur 4 Boorlocaties op de noordflank van Walvis Rug ten westen vanNamibië.

boring, die van 1700 meter onder het toenmalige zeeni-veau. Dat kon maar een ding betekenen. De lysocline hadtijdens het thermale maximum op minder dan 1700 meterdiep gelegen, meer dan twee kilometer hoger dan nu, enhoger dan wie ook maar had durven vermoeden.

Dat betekende niet alleen dat de lysocline destijds blijk-baar veel hoger lag dan op welk ander moment in deafgelopen 65 miljoen jaar dan ook, maar ook dat de vrij-gekomen hoeveelheid methaan nog groter geweestmoest zijn dan we al vermoedden, en het broeikaseffectdus nog extremer. Het staat wel zo’n beetje vast dat het smelten van gashy-draatvelden verantwoordelijk moet zijn voor die massa’smethaan, gewoon omdat er geen enkele andere denkba-re bron van voldoende formaat is. Maar hoe die velden

48

Figuur 5 Topografie van de onderzeese bergrug en de locaties van de boringen. De diepte is aangegeven in voeten.

49

Figuur 6 Van links naar rechts: de koolstof-isotopenverhouding, de zuurstof-isotopenverhouding en het kalkgehalte in een boorkern van Walvis Rug rond hetPaleoceen-Eoceen Thermale Maximum (grijze band). De verhouding tussen 12C en zijn zwaardere isotoop 13C verschuift ten gunste van de eerste. Dat betekentdat er meer methaangas, de voornaamste bron van 12C, voorhanden was. Tegelijkertijd verschuift de verhouding tussen de zuurstofisotopen eveneens naar hetlichte 16O, hetgeen wijst op snelle opwarming van het oppervlaktewater. Het resultaat was dat het kalkgehalte terugviel naar 0%.

aan het smelten gingen, daarover is nog niet iedereen heteens. De meeste onderzoekers nemen aan dat vulka-nisme en aardmantelventilatie langzaamaan het bodem-water tot boven het smeltpunt opwarmden, maar er is ookgeopperd dat een tien kilometer grote meteoriet voor debenodigde warmte-impuls verantwoordelijk was. Zo’ncatastrofe moet sporen nagelaten hebben, en daarop zul-len de boorkernen uit de Walvis Rug dan ook nog onder-zocht worden.

Een andere, eigenlijk nog veel belangrijker vraag is, ofeen ‘methaanuitbarsting’ zoals die 55 miljoen jaar geldenplaatshad opnieuw zou kunnen optreden, met alle gevol-gen van dien. Het antwoord daarop is ontegenzeggelijk‘ja’. Het risico op directe smelting van de onderzeese gashy-draten is het kleinst. Er bestaat altijd een minieme kansdat, bijvoorbeeld door onderzeese aardbevingen, sedi-menten op de continentale hellingen gaan glijden, zodat

50

Het hart van het Ocean Drilling Program (ODP) was het onderzoeksschip Joides Resolution en zij zal ookeen rol spelen binnen IODP. De Joides Resolution is veel meer dan zomaar een boot met een diepzee-boorinstallatie. Aan boord bevinden zich twaalf complete minilaboratoria, tezamen ongeveer honderd vier-kante meter groot, zodat de verwerking van de opgehaalde boorkernen net als het eerste onderzoekswerkdirect op zee kan gebeuren.Een boorkern komt aan boord als de inhoud van een lange metalen pijp. Die wordt meteen in handzamestukken van anderhalve meter lengte gezaagd, waarna de stukken meteen gelabeld worden op locatie endiepte, en bijgeschreven in de ODP-database. Daarna wordt elk stuk in de lengte doormidden gezaagd. Een helft, de archiefhelft, wordt alleen gefoto-grafeerd. Verder wordt hij onaangeroerd bewaard voor eventueel later onderzoek. Met de andere helftgaan de onderzoekers aan boord meteen aan de slag. Aan het eind van de expeditie gaan beide helftennaar een van de vier klimaatgecontroleerde opslagruimten van het ODP in Duitsland en de VerenigdeStaten. Inmiddels wordt daar al zo’n 210 kilometer boorkernen van over de hele wereld bewaard, klaar omop aanvraag door specialisten voor onderzoek geraadpleegd en gebruikt te worden.Figuur 7 laat zien hoe zo’n doorgezaagde sedimentkern er uitziet. Uit dit gedeelte van de ondiepste boor-kern van Walvis Rug blijkt duidelijk dat de klimaatomslag aan het begin van het Paleoceen-Eoceen ther-male maximum plotseling is. Doordat de lysocline boven het niveau van de toenmalige zeebodem kwamte liggen is alle witte kalk uit het sediment verdwenen, en is er alleen nog rode klei (de boogjes in het rodegedeelte hebben niets te betekenen, dat zijn de sporen van de zaag). Heel geleidelijk neemt daarna dehoeveelheid kalk in het sediment weer toe, tot ongeveer 150.000 jaar later weer ‘normale’ verhoudingenbereikt zijn. Dat dit gedeelte van de boorkern inderdaad lagen bevat die dateren uit de tijd van het Paleoceen-Eoceenthermale maximum weten we onder meer door het magnetisme van het ijzer in de sedimenten te meten.In de loop der tijden is het aardmagnetisch veld op gezette tijden omgepoold, en wanneer dat gebeurdeis bekend. Die ompolingen vinden we ook terug in de sedimenten. Door de omkeringen van het magne-tisme in de kernen te vergelijken met de tabel van bekende ompolingen kun je precies zien waar een boor-kern op de tijdbalk van de geschiedenis past.

Figuur 7

Boren, bekijken, dateren, bewaren

51

gashydraatvelden bloot komen te liggen en gaan smelten,iets waar we niets aan kunnen doen. Ook de kans dat dediepzee catastrofaal opwarmt is niet direct groot, maarkan in de toekomst een probleem worden. De tegenwoor-dige diepe oceaan is veel kouder dan die van 55 miljoenjaar geleden en er liggen ijskappen op beide polen.Zolang dat zo blijft is er weinig aan de hand. Bodemwateris vooral ijskoud oppervlaktewater dat in de NoordelijkeIJszee naar beneden zinkt, waardoor de diepzee op eenconstante temperatuur van rond de nul graden blijft. Hetmethaan blijft daardoor veilig opgesloten in de ijskristal-len. Pas als door broeikasopwarming de ijskappen zou-den verdwijnen, verandert dat. Veel acuter is echter het risico dat de permafrostgebie-den inhouden, de toendra’s van Siberië en de overigepolaire en subpolaire streken waar de ondergrond het

hele jaar rond bevroren blijft. Ook in die gebieden zit heelwat methaan in de bodem opgesloten. Wanneer de aardedoor broeikaswerking opwarmt, gebeurt dat het sterkst indie koude streken, zodat de eeuwige vorstgrens naar depolen opschuift. Lang voordat de ijskappen werkelijkworden aangetast, komt dan het methaan uit de ontdooi-de toendrabodem in de atmosfeer het opwarmingseffectdanig versterken. Maar de belangrijkste praktische boodschap die uit ditsoort onderzoek spreekt, is dat een op zichzelf tamelijkonbetekende opwarming van het Systeem Aarde onvoor-spelbare kettingreacties in gang kan zetten. Ketting-reacties die onverwacht een snelle klimatologischeomslag te weeg kunnen brengen met enorme effecten.

figuren 1 t.m. 7 komen uit de PROCEEDINGS OF THE OCEAN DRILLING PROGRAM, Initial Reports Volume 208. Shipboard Scientific Party, in press.

52

53

Hoe de mens de aarde veroverde

6

G.J. BOEKSCHOTEN

G.J. Boekschoten is geboren te Hilversum. Als scholierzocht hij fanatiek stenen, en leerde veel van de vermaardekeienkenner P. van der Lijn. Hij promoveerde aan deUniversiteit van Utrecht, over fossiele eencelligen uit NoordDuitsland. Aan de Rijksuniversiteit Groningen en aan de VrijeUniversiteit Amsterdam (waar hij na emeritaat in 1998gastmedewerker is) bestudeerde hij vele aspecten van hetfossiele leven in zee (koraalriffen, schelpen), en nam deelaan een zevental oceaanexpedities. Ook bestudeerde hij hetversteende leven op ’t land (dinosauriërs, zoogdieren enbeenderen in archeologische context), waarbij hij meewerk-te aan vele opgravingen in Europa en in Arabië.

“Gaat heen en vermenigvuldigt u”, aan die bijbelseopdracht heeft de mens in de betrekkelijk korte tijd vanzijn bestaan meer dan voldaan, veel meer dan welkeandere primaat ook. Alleen al tussen 1960 en 2000 groei-de het aantal mensen van 4,5 naar zes miljard. Zoals in deloop der tijden meteorietinslagen en methaanemissies afen toe de hele aardse leefwereld op hun kop gezet heb-ben, zo brengt momenteel de menselijke vruchtbaarheidde leefsystemen van de aarde danig uit hun evenwicht.De mensheid is in veler ogen uitgegroeid tot een plaag.

In de levende natuur zijn plagen niet ongewoon. Sommigezijn te beschouwen als strategische zetten in het overle-vingsspel van eten en gegeten worden. Zo producereneiken en beuken in bepaalde jaren zomaar ineens eenongewone overvloed aan ‘mast’: eikels en beukennoot-jes, waardoor die een betere kans krijgen om niet te ein-digen in de magen van eekhoorns en vlaamse gaaien. Detruc werkt door zijn onregelmatigheid. Omdat de over-vloed eenmalig is, krijgt de populatie noteneters niet dekans om met het grotere voedselaanbod mee te groeien. Veel insectenplagen zijn ook zulke functionele inbreukenop de gewone gang van zaken. Maar vaak keren plagenzich tegen het plaagdier zelf, doordat er zoveel exempla-ren zo dicht opeen voorkomen, dat besmettelijke ziektenhun kans grijpen, of doordat het voedsel opraakt. Datscenario, dat ook de mens kan treffen, is al zo oud als hetleven zelf. De zeelelie Scyphocrinus bijvoorbeeld, een planktonvre-ter zo lang als een arm die aan een soort drijfkogel in hetwater voortzweefde, komt zo’n 420 miljoen jaar geledenplotseling massaal voor in de afzettinglagen op de bodemvan de toenmalige zeeën, om daarna weer te verdwijnenin zijn eigen bescheiden hoekje van het ecosysteem.Ongeveer 145 miljoen jaar geleden kwam weer een ande-re zeeleliesoort, de veel kleinere en stengellozeSaccocoma, ineens tot weergaloze bloei. Een tijdlangwaren er zoveel van deze normaal weinig opvallende zee-

54

beestjes dat de filamenten van de overleden exemplarenhele steenlagen vormden.En nog maar een kwart eeuw terug zorgde de zeesterAcanthaster voor opschudding. Hele legers van dit mon-ster leken alle koraalriffen in de Indische en Stille Oceaante gaan leegvreten. Aanvankelijk kreeg de mens deschuld, die had vijanden van Acanthaster (zoals de groteTritonhoorns, zeeslakken die zeesterren te lijf gaan) daniggedecimeerd. Maar onderzoek van oudere zeezandlagenin een lagune op het Great Barrier Reef toonde aan datzulke plagen al duizenden jaren af en toe voorkwamen,dus ook toen er nog nauwelijks mensen op deAustralische kusten woonden.

Lang niet alle soorten nemen ooit hinderlijke of dreigen-de proporties aan. Er zijn bijvoorbeeld nooit plagen vanchimpansees of van bavianen geweest. Van alle primaten– de aap- en mensachtige soorten – heeft alleen de menszich in geweldige aantallen over de hele aarde verspreid.Daarbij drukte hij zo’n groot stempel op zijn omgevingdat Nobelprijswinnaar Paul Crutzen in 2001 voorsteldeom de laatste twee eeuwen te onderscheiden als hetAnthropoceen, het Tijdperk van de Mens. Al eerder beti-telden geleerden in de voormalige Sovjet-Unie zelfs delaatste twee miljoen jaar van de aardgeschiedenis als hetAnthropogeen, het ‘door de mens gevormde’. Dat laatstelijkt wat overdreven, want de huidige dominantie van demens op aarde had een lange, trage aanloop.Ongeveer zes miljoen jaar geleden verschenen onze eer-ste herkenbare voorgangers op het toneel. DezeAustralopithecinae of ‘zuid-apen’ waren rechtoplopendewezens met een iets groter hersenvolume dan voor zulkeaapachtigen gebruikelijk was. Ze zijn uitsluitend aange-troffen in Afrika, waar ze zich hoogstwaarschijnlijk ont-wikkelden uit boombewonende voorgangers, mogelijk alsgevolg van de moessonklimaten die vanaf acht miljoenjaar geleden in het dichtbeboste oosten van dat wereld-deel gingen heersen. Die klimaten kenden seizoenen, waardoor het bestaandetropische boslandschap veranderde en de inwonendeaapachtigen gedwongen werden om in het droge seizoenop de grond naar ander voedsel te gaan zoeken. Ze ble-ven weliswaar grotendeels vegetariër, dat blijkt uit hungebit, maar verder was de gedwongen verhuizing eenbaanbrekende verandering van leefpatroon. Niet alleenkan het leven op de grond de stoot hebben gegeven totrechtop lopen, ook vormden roofdieren op de grond eengroter gevaar dan tussen de veilige boomtakken. Dat

alles maakte sociale cohesie en overleg belangrijker, watop zijn beurt de vergroting van de gemiddelde hersenca-paciteit bevorderde. Maar daar bleef het ook bij. Er zijn wel stenen werktuigenaangetroffen in dezelfde aardlagen als hun fossielen,maar nooit bleek duidelijk dat die fossielen en werktuigenook bij elkaar hoorden. Ecologische veranderingenbrachten de Australopithecinen niet te weeg. Het warenonopvallende savannebewoners met een bescheidenplaatsje in de natuur, waarvan dan ook maar weinig fos-siele resten gevonden zijn.

WerktuigenPas veel later, vermoedelijk rond 2,5 miljoen jaar geleden,ontstonden de eerste hominiden of mensachtigen, groteren veel slanker dan de australopithecinen. Hun veel min-der zwaar uitgevoerde gebit wijst erop dat ze geen vege-tariërs waren, maar alleseters. En er was nog eenfundamenteel verschil met al hun voorgangers: waarmensapen slechts stenen als werktuig gebruiken, kondenhominiden dankzij hun nog verder gegroeide hersenvolu-me doelgericht werktuigen uit stenen vervaardigen.Werktuigen die het effect hadden van scherpe klauwen,zware maalkiezen en spitse snijtanden tegelijk. Daarmeetrad de mens voor het eerst buiten het eigen anatomischekader. Zelfgemaakte hulpstukken maakten van de fysiekbetrekkelijk zwakke en kwetsbare hominide een uiterstvervaarlijk wezen dat de bronnen in zijn omgeving beterkon benutten dan enig ander dier. Uit deze tijd dateert hetantilopendijbeen dat gevonden is bij Hata in Ethiopië: eengroot bot met krassen die laten zien dat het vlees er vanafgesneden is. Maar ook met butsen die bewijzen dat er opgeslagen is om er het merg uit te halen. Slachtsporen –een typisch menselijk fenomeen.Na verloop van tijd begonnen de vroegste mensen vanuitAfrika grote delen van de oude wereld te koloniseren.Zowel in Georgië als op Java zijn tussen 1,7 en 1,9 mil-joen jaar oude resten van mensachtigen gevonden. Datzullen niet overblijfselen van de allereerste kolonistengeweest zijn, daarvoor is fossilisatie een te zeldzaam toe-val. Het is daarom aannemelijk dat de uitbreiding van deeerste mensen over de warme zone van de oude wereldrond twee miljoen jaar geleden al zijn beslag gekregenhad. Daaruit blijkt in elk geval dat ze betrekkelijk soepelkonden omgaan met de verschillende milieus die zeonderweg tegenkwamen, iets waar mensapen niet toe instaat zijn. Maar waarom de oermens zo ging trekken, staat niet vast.

55

56

Een goede mogelijkheid is een flinke bevolkingstoename,mogelijk gemaakt door de nieuwverworven technologie.Dat leidde tot uitputting van voedselbronnen, waardoorhet overschot wel moest wegtrekken. Zo’n scenariowaarin de vroegste mensen zich al telkens tot een lokaleplaag ontwikkelden, valt alleen te verifiëren door onder-zoek van nieuwe vindplaatsen van fossiele planten endieren. Die zouden door de mens veroorzaakte verschui-vingen moeten laten zien.Er wordt wel geopperd dat de mens al heel vroeg verant-woordelijk was voor het verdwijnen van complete soor-ten. In elk geval waren ze circa 1,7 miljoen jaar geleden alin staat om uit steen vuistbijlen te slaan, maar ook dunne,scherpe scherven, klingen geheten, bij wijze van kleinergereedschap. Vuistbijlen zijn in grote aantallen aangetrof-fen, soms bijna alsof het om fabriekjes gaat. Beroemd (engoed ingericht op bezoekers) is de Kenyase vindplaatsOlorgesailie waar de vuistbijlen die de bewoners er vanongeveer 1,2 miljoen tot 0,6 miljoen jaar geleden maak-ten, hele lagen vormen. Behalve al dat gereedschap zijn er ook overblijfselengevonden van een hele reeks grote zoogdiersoortenwaarop kennelijk gejaagd werd. Een aantal van die soor-ten is geheel uitgestorven, waaronder een op veel plaat-sen gevonden grote grondbewonende baviaan. Het isdenkbaar dat overbejaging door de mens uit de oudstesteentijd dit opmerkelijke beest deed verdwijnen, maar bijgebrek aan gegevens kunnen we dat niet bewijzen. Tegen zulke ideeën spreekt bovendien dat de eerste men-sen wel succesvol waren, maar toch met zo weinigen dathun invloed op de omgeving nauwelijks merkbaargeweest kan zijn. Er zijn bovendien in de loop van deaardgeschiedenis talloze planten- en diersoorten verdwe-nen zonder dat de mens daar de hand in had, bijvoor-beeld door klimaatveranderingen. Juist de in de laatstedrie miljoen jaar wisselden natte en droge, gematigde enzeer koude klimaten – de ijstijden – elkaar geregeld af.Dat ging gepaard met enorme veranderingen in de zee-spiegel, waardoor hele gebieden droogvielen en weerverdwenen, en verbindingen tussen regio’s ontstonden enweer verbroken raakten. Het valt niet mee om effectenvan klimaat, van isolatie of juist aaneensluiting van gebie-den, van evolutie binnen plant- en diergroepen en anderesteeds aanwezige verstoringen in ecosystemen te onder-scheiden van gevolgen van vroeg-menselijk gedrag. Wellijkt me de conclusie gerechtvaardigd dat de mens zichdoor het ontwikkelen van stenen werktuigen en van ande-re werktuigen die haast nooit bewaard blijven (houten

dolken en speren bijvoorbeeld), definitief buiten hetgewone ecologische netwerk plaatste. Van dat momentaf werd het lot van de soort meer bepaald door zijn uit-vindingen dan door de toevallige natuurlijke omstandig-heden.

VuurNog zo’n richtingbepalende vinding, maar ook een waar-van we de reikwijdte niet goed kunnen overzien, is debeheersing van het vuur. Waarschijnlijk hadden deOlorgesailiemensen daar nog geen weet van en peuzel-den zij hun bavianenvlees rauw op. De oudste vindplaat-sen waar vuur aantoonbaar is, dateren immers vanhonderdduizenden jaren later, al moeten we daarbij weleen slag om de arm houden. Archeologen herkennenoude vuurhaarden meestal aan de aanwezigheid vangrote stenen met vuurschade, met daartussen flink wathoutskoolresten. Maar zulke sporen blijven alleenbewaard als ze betrekkelijk snel onder een beschermen-de laag sediment terechtkomen, die ook weer niet zo dikmag zijn dat de vuurplaats nooit meer ontdekt wordt.Bovendien zijn enorme delen van de oude wereld nognooit op zulke sporen onderzocht. Langs deze weg kun-nen we het begin van gecontroleerd gebruik van vuurmomenteel alleen maar schattenderwijs dateren op in elkgeval meer dan 300.000 jaar geleden. Maar vuur is niet alleen bruikbaar in de haard of om groteroofdieren af te schrikken, je kunt er ook mee jagen. Eenaangestoken bosbrand drijft prooidieren in de armen vande jagers, en naderhand komt veel fris groen tevoorschijndoordat veel minerale voeding is vrijgemaakt. Zo ont-staan grazige weiden die weer nieuw wild aantrekken.Tegelijkertijd trekt zo’n jachtmethode wel een zwarewissel op de natuur, zodat het mij niet zou verwonderenals een aantal uitstervingen hiermee verband houden. Deverdwijning van het Sivatherium bijvoorbeeld, een zeergrote en grove hoorndragende giraffe die ten tijde van devroege mens in Azië en Afrika leefde.Vuur stoken en onderhouden dwingt verder tot samen-werking, taakverdeling en overleg. Vuur beschaaft, zoalsde socioloog Goudsblom schreef, en kan de ontwikkelingnaar een mens met een modern, volwaardig bewustzijnhebben versneld of misschien zelfs mede veroorzaakt.

De moderne mens voltooide wat zijn voorlopers begon-nen waren: de verovering van het aardoppervlak. Eengeweldige prestatie was de ontdekking van Australië –niet door Abel Tasman en zijn collega’s, maar door de

57

voorouders van de huidige Aborigines. Omdat Australië almiljoenen jaren niet meer over land vanuit Azië te berei-ken is (het zat van tijd tot tijd nog wel aan Nieuw Guineavast), moeten de Australiërs in spe met vaartuigen eenflink stuk zee zijn overgestoken. Er is lang gediscussieerdover wanneer dat gebeurde, maar de beste kaarten heeftmomenteel de Australische geoloog, tevens ontdekkervan Mungo Man, de oudste fossiele mens van zijn conti-nent, die de oudste sporen van menselijke aanwezigheidop ongeveer 50.000 jaar geleden stelt. Deze opmerkelijke pioniers betraden een continent dat alveertig miljoen jaar lang geïsoleerd tussen de oceanenlag. Een uithoek die een reservaat geworden was vanlevensvormen die elders allang door nieuwere soortenwaren verdrongen. Ze kwamen in de wereld van vogel-bekdieren – zoogdieren die eieren leggen – en buideldie-ren. Ze ontmoetten reusachtige varanen (vergelijkbaarmet de huidige Komodo-varaan), allerlei grote loopvo-gels, kanjers van kangoeroes, en wezens die je kuntomschrijven als buidelrunderen, buidelberen, en buidel-leeuwen. Al die beesten waren ingesteld op een wereldzonder intelligente roofdieren als hond en kat, en vooralzonder de mens. Ze gedroegen zich even onbevangen alsde Dodo op Mauritius, en het verging hen navenant onderde handen van de mensenplaag – de jacht op grote land-dieren was gemakkelijk en leidde tot het uitsterven van zogoed als alle grotere diersoorten. Ze werden letterlijkopgegeten door de hongerige mens, we kennen ze voor-namelijk uit het slachtafval dat bij opgravingen wordtgevonden. Aan Australië is goed te zien hoe gemakkelijk de menseen ware plaag kan worden. Een kwart van de zoogdier-soorten die Australië bevolkten is sinds hun komst defini-tief verdwenen, niet alleen door bejaging, maar ookdoordat de mens nieuwe diersoorten importeerde. Nogtijdens de alleenheerschappij van de Aborigines, zo’nvierduizend jaar geleden, werd de dingo-hond ingevoerd,vermoedelijk door Aziatische zeelieden. Er kwamen rat-ten, katten, en ten slotte konijnen. Juist nieuw ingevoer-de kleine roofdieren kunnen het bestand aan kleineprooidieren snel decimeren. Wat er aan plantensoorten isverdwenen valt alleen maar te vermoeden. Maar ook de aarde zelf kreeg klappen. Net als veel ande-re natuurvolken jagen Aborigines door stukken bos in debrand te steken en het vluchtende wild met speren op tewachten. In Australië, toch al het droogste continent,heeft dat tot sterke verwoestijning geleid. Heel wat plan-ten- en diersoorten verloren daardoor hun leefomgeving.

Een enkel wonderlijk gewas als de tien jaar geleden ont-dekte Wollemi-pine houdt zich, slecht 35 exemplarensterk, nog net in leven op de steile droge wand van eenkloof, buiten bereik van aangestoken dan wel natuurlijkebosbranden. Vermoedelijk had dit levend fossiel voor dekomst van de mens een veel ruimere verspreiding.

Eenzelfde lot was de grote zoogdieren van de beideAmerika’s beschoren, toen de mens die gebieden onge-veer 15.000 jaar geleden bereikte. Ook daar verdwenende grote inheemse diersoorten binnen een paar duizendjaar, op wat uitzonderingen na: de Amerikaanse schapenin het hooggebergte waar de mens zich niet gaarne waag-de; de lama’s en de guanaco’s die hetzelfde terreintypebewonen, en die bovendien vanwege hun wol nog min ofmeer werden gedomesticeerd; de tapirs in de ontoegan-kelijke kustmoerassen en, tot hij aan het begin van detwintigste eeuw alsnog bijna compleet werd uitgeroeid,de gevaarlijke bizon. Maar heel wat soorten verdwenen erzonder andere sporen na te laten dan de beenderen dienu subfossiel aangetroffen worden: verschillende soortenneushoorns en olifanten, de Amerikaanse kamelen enpaarden, ze werden allemaal opgebruikt.In het museum Naturalis in Leiden worden nog restantenbewaard van de uitgestorven Mastodon-olifant, die al inde 18e eeuw in Kentucky waren verzameld. Twaalfduizendjaar geleden maakten Chileense indianen nog tentdakenvan hun huiden, en bestond de vloer van hun slachthuttenuit een soort beton van grind in Mastodonvet – zo ont-dekte de Amerikaanse archeoloog Tom Dillehay. Nog eenaanwijzing dat de mens inderdaad de grote Amerikaansezoogdieren in hoog tempo de dood injoeg, en wel doormiddel van bosbranden, levert het onderzoek van deFordham groep, vier microscopisten uit New York. Zijmeldden in 2003 dat ze in grondmonsters uit de tijd vande vroegste menselijke bewoning plotseling tien keerzoveel houtskool aantroffen als normaal. Tegelijkertijdnam het aantal sporen van de schimmel Sporormiella, dieop uitwerpselen leeft en geldt als een goede maat voorhet aantal grote dieren in een bepaalde omgeving, juist afmet een factor tien.Misschien wel de merkwaardigste uitgestorven bewonervan het Amerikaanse continent is het al vroeg in denegentiende eeuw als fossiel ontdekte Megatherium, dereusachtige grondbewonende variant van de luiaarden diethans nog in Zuid-Amerikaanse wouden voorkomen. Hetwas een planteneter met zo’n wijde strot dat men ver-moedt dat hij hele avocado’s met pit en al inslikte, en via

58

59

zijn stoelgang voor de uitzaai van deze boomsoort zorg-de. Als dat klopt, ontnam hun verdwijning de avocado hetmiddel om zich te verspreiden. Dat zou kunnen verklarenwaarom er nergens ter wereld wilde avocado’s voorko-men. Ze leefden voort als opzettelijke aanplant in de tui-nen van Indianendorpjes in Zuid Amerika.

Net zoals een plant kan uitsterven doordat de natuurlijkeverspreider het loodje legt, kan een groot roofdier uitster-ven doordat zijn prooien verdwijnen. Hoewel er waar-schijnlijk nooit intensief op de levensgevaarlijkesabeltijger is gejaagd, is zijn uitsterven waarschijnlijktoch de mens aan te rekenen, die zowel in de oude als denieuwe wereld het prooidieraanbod danig decimeerde.Voor het invallen van de strengste fase van de laatsteijstijd trok de sabeltijger net als veel andere soorten weguit onze omgeving, terwijl Nederland veranderde in eenarctische zandwoestijn waarin bijna geen leven mogelijkwas. Aan het eind van die periode, zo’n elfduizend jaarlater keerde de sabeltijger niet terug, net zo min als demammoet en de wolharige neushoorn: in de tussentijdwaren hun zuidelijker verwanten al uitgestorven. Somsook was het nieuwe, dichtbeboste landschap ongeschikt,zoals voor het wilde paard.In hun plaats kwam definitief de mens: de laat-paleoliti-sche rendierjagers, de mesolitische jager-verzamelaars,en daarna de neolitische landbouwers en veetelers. Mensen klimaat veranderen het landschap diepgaand. Het ren-dier trok zich naarmate het warmer werd uit West Europaterug, maar in het warmere en drogere klimaat kondenden en hazelaar in onze lage landen juist welig tieren. Demesolitische mens conserveerde hazelnoten door ze tus-sen smeulende houtskool in de dop te roosteren in ondie-pe kuilen. Mogelijk hebben onze voorouders ookhazelaars uitgezaaid en zo de snelle verspreiding van diestruik een handje geholpen. De grove den werd, tot aande grootscheepse heraanplant in de laatste paar eeuwen,daarentegen langzaamaan uiterst zeldzaam. Mogelijk,maar dat is alleen een vermoeden, was dat een gevolgvan de populariteit van die boom als brandhout. Op de vruchtbare lössgronden begon een jaar of zesdui-dend geleden de eerste landbouw in onze streken, en ookdat vormde het landschap verder. Iepen werden wegge-kapt uit de bossen, de bebladerde twijgen als veevoergebruikt. Mogelijk werden stukken bos afgebrand, ietswaar vooral lindebomen slecht van herstellen. Wat bleefwas een verarmde bodem met een verarmde vegetatie,perfect geschikt voor hei. Zo ontstonden de enorme hei-

develden die nog tot het eind van de negentiende eeuwhet beeld van de zanderige oosthelft van Nederlandbepaalden: in onze ogen oergezonde recreatienatuur, inwerkelijkheid door de mens opgebruikt terrein.Sommige grote dieren kwamen na de laatste ijstijd welterug, zoals de oeros en de eland. Ze werden drukbejaagd tot ze het in de vroege middeleeuwen in onzecontreien niet langer konden bolwerken. De oeros ver-dween helemaal, hij leeft alleen nog min of meer voort alshet witte parkrund dat je bij enkele oude Engelse kaste-len aantreft. Ook het einde van de mammoet, de step-penwisent en de wolharige neushoorn is waarschijnlijkdoor overbejaging verhaast. Maar de invloed van demens heeft het landschap ook verrijkt en nieuwe moge-lijkheden voor allerlei wezens geschapen. Zonder demens waren er in Nederland geen sparren, geen gierzwa-luwen of konijnen geweest. Snoekbaars, karper en hals-bandparkiet zijn dankzij de mens deel gaan uitmaken vande Nederlandse fauna. Maar per saldo is er meer ver-dwenen dan toegevoegd. Dat maakt de mens tot eenplaag, zowel op Nederlandse als mondiale schaal.

Enige literatuur:Bakker, R. (2003). The emergence of agriculture on the Drenthe Plateau.

Archäologische Berichte 16. Habelt, Bonn.Bowler James M. e.a. (2003) New ages for human occupation and clima-

tic change at Lake Mungo, Australia, Nature 421:837 - 840 Diamond, J. (2000). Zwaarden, paarden en ziektekiemen. Spectrum.Flannery, T. (2001). The eternal frontier, an ecological history. W.

Heinemann, London.Goudsblom, J. (1992). Vuur en beschaving. Prometheus.Long, J. et al. (2002). Prehistoric Mammals of Australia and New Guinea.

John Hopkins Univ. Press, Baltimore & London. Een indrukwekkendoverzicht van de verdwenen unieke diersoorten van Australië.

60

Het antropoceen: op de drempel naar de toekomst

7

P.J. CRUTZEN

P.J. Crutzen werkt aan het Max Planck Institut für Chemiein Mainz, Duitsland en aan het Scripps Institution ofOceanography, La Jolla, Californië. Hij ontving de NobelprijsChemie 1995.

Al tamelijk vroeg in de negentiende eeuw begrepen som-migen dat het tijdvak dat zo’n tien tot twaalfduizend jaargeleden begon, toen het ijs van de laatste ijstijd zichterugtrok, anders was dan alles wat daarvoor kwam.Vanaf dat moment begon de mens de natuur merkbaarnaar zijn hand te zetten en de wereld te veranderen. DeSchot Sir Charles Lyell, een man die van alle marktenthuis was van advocatuur tot archeologie, was een vande eersten die inzagen dat de geschiedenis van de aardeniet in het bijbelboek Genesis stond, maar dat zowel deaarde als de mens veel ouder moesten zijn. Hij stelde alin 1833 voor om de tijd sinds de laatste ijstijd een eigennaam te geven: het Holoceen, ofwel het nieuwe geheel.Het duurde overigens nog tot 1885 voordat hetInternationaal Geologencongres, bijeen in Bologna, dienu nog steeds gangbare benaming ook werkelijk over-nam.Misschien was het toen eenvoudig nog te vroeg, mis-schien ook was het inwisselen van de bijbel als richt-snoer voor de evolutie toen al zo’n formidabele stap datmen eenvoudig geen oog had voor het feit dat goederedenen zijn om binnen dat Holoceen nog een splitsing temaken. Een paar honderd jaar geleden, zo rond deindustriële revolutie, werd de invloed van de mens op denatuur opnieuw ineens vele malen geweldiger. Sinds dietijd is de mensheid explosief gegroeid door technologi-sche en medische doorbraken, en doordat fantastischenatuurlijke hulpbronnen beschikbaar kwamen. In deafgelopen driehonderd jaar vertienvoudigde het aantalmensen van ruim een half miljard tot zes miljard.Tegelijkertijd groeide de veestapel tot ruwweg 1,4 miljardstuks, ofwel een koe per gemiddeld gezin. Alleen al in delaatste eeuw groeide de stedelijke bevolking aan tot hetdertienvoudige. Dat betekent dat gemiddeld elke stad opde wereld die in 1900 de omvang had van het huidigeAssen, uitgroeide tot het formaat van het tegenwoordigeAmsterdam.

61

Die nooit eerder vertoonde groei alleen al maakt dit tijd-perk, hoe nietig ook op de schaal van miljoenen jarenwaaraan geologen gewend zijn, zo uniek dat het even-eens een eigen naam verdient: het Antropoceen, de nieu-we tijd van de mens. En dat geldt nog meer wanneer wede ingrijpende gevolgen in aanmerking nemen die een enander voor de aarde gehad heeft en nog zal hebben.

Alleen al de productie van de gigantische hoeveelhedenvoedsel die nodig zijn om al die magen te vullen vormteen forse belasting van het aardse systeem, met vergaan-de consequenties. De moderne visserij, bijvoorbeeld,bevist de opwellingsgebieden, visrijke streken waar koud,voedselrijk water uit de diepten van de oceaan naarboven komt, ongekend intensief. Maar liefst een kwartvan alle eetbare vis daar eindigt momenteel in het ruimvan een vissersschip. Op het continentale plat in degematigde zones wordt zelfs vijfendertig procent uit hetwater gehaald. Dat is zeker voor de wat grotere soortenveel te veel, meer dan er door nieuwe aanwas bijkomt.Maar we leven niet alleen van vis. In de afgelopen eeuwverdubbelde dan ook de hoeveelheid landbouwgrond,wat vooral ten koste ging van bossen. Van elke vijf hecta-ren bos die er in 1900 waren, ging er sindsdien een verlo-

ren. En zelfs gebieden die niet direct voor beweiding ofbeplanting worden gebruikt hebben van mensen te lijden.De Amerikaanse ecoloog Peter Vitousek berekende in1997 dat inmiddels een derde tot de helft van het com-plete landoppervlak op aarde op de een of andere manierdoor mensenhand is vervormd. Kwetsbare terreinsoortenals kustmoerassen kregen de hardste klappen, de helftvan alle mangrovebossen is al verdwenen.Landbouwgrond moet zo veel mogelijk opbrengen, endaarvoor maken we kunstmest. Zoveel, dat er inmiddelsmeer stikstof in kunstmest zit dan door alle natuurlijkeprocessen op aarde gebonden wordt. Door overbe-mesting en vooral door de opeenhoping van al dat stik-stof in de uitwerpselen van het vee is op veel plaatsen hetoppervlaktewater en het grondwater eutroof geworden,vetgemest als het ware, en dat leidt dan weer tot verstik-kende algengroei. Dat water verbruiken we al evenzeer op grote schaal, nietalleen om te drinken, maar ook in de industrie. Zoet watermag gerust een zeldzame bodemschat genoemd worden,er is maar betrekkelijk weinig van op de aarde te vinden.En van dat weinige wordt momenteel al de helft voormenselijke consumptie gebruikt.

1890

1990

wereld- stedelijke wereld- industriële energie- steenkool-bevolking (4x) bevolking (13x) economie (14x) productie (40x) verbruik (16x) productie (7x)

“Steeds meer worden wij ons ervan bewust dat we doorschieten in het aanpassen van ecosystemen en water-systemen ten behoeve van een eenzijdige vorm van gebruik. Zoals monoculturen in de geïndustrialiseerde land-bouw. We raken daardoor in toenemende mate de veerkracht van het natuurlijke systeem kwijt.”

Zijne Koninklijke Hoogheid de Prins van Oranje in zijn toespraak voor de Universiteit van Wageningen bij deOpening van het Academisch Jaar 2003.

62

De mensheid produceert natuurlijk meer dan voedselalleen, en dat gebeurt grotendeels met behulp van fossie-le brandstoffen: kolen, olie en gas. We produceren zoveelen gebruiken zoveel voor verwarming, koeling en om onste verplaatsen dat we hard op weg zijn om in een paargeneraties tijd de voorraden op te branden die de natuurin honderden miljoenen jaren heeft aangelegd.Dat brengt een enorme uitstoot aan luchtvervuilende stof-fen met zich mee. Om een indruk te geven: jaarlijks pom-pen we 160 miljoen ton zwaveldioxide de lucht in, eenhoeveelheid gas die vier keer zoveel weegt als de pirami-de van Cheops, en minstens twee keer zo groot is als allenatuurlijke uitstoot tezamen. Die enorme massa zwaveldi-oxide wordt in de lucht omgezet in zoveel zwavelzuur datregen en meren zijn verzuurd. In kwetsbare gebieden alsScandinavië en het noordoosten van de Verenigde Statenzijn de bossen en de visstand daardoor aangetast. Doorallerlei maatregelen om de uitstoot van zwaveldioxideomlaag te krijgen is de toestand in die gebieden welis-waar iets verbeterd, maar in Oost-Azië wordt het momen-teel juist alleen maar erger. En dan zijn er de broeikasgassen die een bijproduct zijnvan bijna alle hiervoor genoemde activiteiten. Er zweeftnu dertig procent meer koolzuur rond dan twee eeuwengeleden, en de hoeveelheid methaan in de atmosfeer iszelfs meer dan verdubbeld. Die verschillen droegen inbelangrijke mate bij tot de stijging van de gemiddeldetemperatuur in de laatste honderd jaar met een halvegraad Celsius. Dat is althans het oordeel van hetIntergovernmental Panel of Climate Change. In 1995 rap-porteerde die organisatie: “Op de keper beschouwd wijstalles in de richting van een waarneembare invloed van demens op het wereldklimaat.” En in 2001: “Er zijn nieuwe,sterke aanwijzingen dat de opwarming van de laatste vijf-tig jaar grotendeels aan de activiteiten van de mens is toe

te schrijven.” Afhankelijk van het gebruikte scenario voortoekomstig energieverbruik en rekening houdend met deonzekerheden die rekenmodellen nu eenmaal hebben,verwacht men dat de stijgende uitstoot van koolzuur in deatmosfeer de gemiddelde temperatuur nog deze eeuwmet 1,4° tot 5,8° Celsius zal doen oplopen, en dat bete-kent een zeespiegelstijging van op zijn minst negen enmaximaal 88 centimeter. Er komen dus ingrijpende kli-maatveranderingen op ons af.Overbemesting speelt ook daarbij een rol. Niet alleenraakt het schaarse water erdoor vervuild, het maakt ookdat micro-organismen meer distikstofoxide gaan produ-ceren. Dat is ook al een broeikasgas, dat bovendien leidttot toename van stikstofoxide in de bovenlucht, waar hetde stratosferische ozonhuishouding verstoort. Nog meerstikstofoxide komt in de lucht terecht via de verbrandingvan fossiele en andere brandstoffen, zoals hout. Het gaatopnieuw om meer dan alle natuurlijke bronnen bij elkaarproduceren, en zorgt onder meer dat we in veel gebiedenlast hebben van fotochemische ozon, beter bekend alssmog.Naast dat alles loost de mensheid ook nog heel watandere stoffen in de atmosfeer, waaronder giftige. Maarzelfs als ze niet giftig zijn hebben ze nog ernstige effec-ten. Een bekend voorbeeld zijn de CFK’s, drijfgassen dietot voor kort in ijskasten en airco’s gebruikt werden en dienooit spontaan in de natuur voorkwamen. Deze zuivermenselijke producten hebben het antarctisch lente-gat inde ozonlaag veroorzaakt. Was door allerlei internationalemaatregelen hun productie niet per 1996 beëindigd, danzou een nog veel groter deel van de ozonlaag vernietigdzijn. Helaas blijven CFK’s lang rondhangen, zodat het nogvier tot vijf decennia zal duren voordat de ozonlaag zichhersteld heeft. Letterlijk overal doen de gevolgen van ons bestaan zich

uitstoot van uitstoot van uitstoot vankoolzuur zwaveldioxide lood waterverbruik zeevisserij rundveestapel varkensstapel(17x) (13x) (±8x) (9x) (35x) (4x) (9x)

63

voelen, tot in ogenschijnlijk ongerepte oerwouden toe.Door menselijke activiteit is het tempo waarin soorten uit-sterven in de tropische regenwouden duizend tot tiendui-zendvoudig gestegen.

Nu beschikt de atmosfeer wel over een zelfreinigend ver-mogen. Dat drijft voornamelijk op hydroxyl, een verbin-ding van waterstof en zuurstof die ontstaat uit de werkingvan ultraviolette straling van de zon op de ozon in deatmosfeer. Deze ‘witte bloedlichaampjes van de atmo-sfeer’ helpen uiteindelijk vrijwel alle gassen afbreken diedoor natuurlijke processen of door toedoen van mensenin de lucht terecht komen. Het meeste hydroxyl wordt aangemaakt in de tropen ensubtropen, waar de ultraviolette straling in de bovenluchthet sterkst is. Je zou dan ook verwachten dat juist in diestreken de atmosfeer het schoonst is, ook al omdat het erheel veel regent zodat vervuilend stof en roet uit de luchtspoelt. Bovendien is er in tropische streken nog betrek-kelijk weinig industrie. Toch is dat niet zo. Doordat milieuvoorschriften veelalontbreken of niet worden gehandhaafd, braakt Azië nu alongeveer evenveel zwaveldioxide uit als Europa enNoord-Amerika bij elkaar. Binnen twintig jaar zal het nogdrie keer zo veel zijn. Daar bovenop zorgen de ontbossingvan het tropisch regenwoud en de onvoorstelbare hoe-veelheden biomassa – bos, kreupelhout – die in het drogeseizoen zowel spontaan als opzettelijk door mensenhan-den in vlammen opgaan, voor heel veel gasvormige lucht-vervuiling, vooral koolmonoxide, koolwaterstoffen enstikstofverbindingen, maar ook voor verontreiniging doorzwevende deeltjes van allerlei vaste stoffen. In het drogeseizoen gaan hele landstreken schuil onder dikke bruinerookwolken – de omineuze pluimen die in 2002 zelfs vanIndonesië tot in Maleisië reikten haalden zelfs de wester-

se media. Die wolken zijn zo groot, dat ze een parasolef-fect, een omgekeerd broeikaseffect te weeg brengen:afkoeling doordat de zonnestraling wordt teruggekaatst.In april 1999 werd bijvoorbeeld rond de Maldiven in deIndische Oceaan op zeeniveau een terugval van zonne-straling gemeten van tien procent. Daar staat weer tegen-over dat in de Derde Wereld ook de uitstoot van zwart,dus licht en warmteabsorberend roet gigantisch is.Wat het netto-effect van al die invloeden uiteindelijk zalzijn, valt onmogelijk te zeggen, maar wel staat vast dat zeelk op lokale en regionale schaal zowel het klimaat als dewaterhuishouding verstoren, en dat naar het zich laataanzien alleen maar meer zullen doen. Onze toekomsthangt voor een flink deel af van hoe het in Azië, de tropenen subtropen zal gaan, ook al omdat daar inmiddels demeeste mensen wonen en de bevolking er het snelstgroeit.

Al die door mensen veroorzaakte, steeds verdergaandeinvloeden op de levende en dode natuur tezamen, makenhet zinvol om het tijdperk waarin dat allemaal gebeurt alseen apart tijdperk met geheel eigen eigenschappen tezien: het Antropoceen. Dat geldt eens te meer omdat hetallemaal geen incident is. Wat er verder ook gebeurt, degevolgen van onze activiteiten tot nu toe zullen nog heellang merkbaar blijven. De Belgische klimaatonderzoekersLoutre en Berger berekenden in 2000 zelfs dat het wereld-klimaat door de huidige en toekomstige door mensen-hand veroorzaakte uitstoot van koolzuur maar liefst50.000 jaar lang uit zijn evenwicht zou kunnen blijven.Maar willen we het Antropoceen als tijdperk onderschei-den, dan rijst natuurlijk ook de vraag waar we het moetenlaten beginnen. De tweede helft van de achttiende eeuwlijkt een goede keuze, omdat vanaf die tijd de gevolgenvan menselijke activiteit op wereldschaal echt zichtbaar

bevloeid bouw- balein blauwe soorten rijkdomterrein (5x) land (2x) bos (–20%) walvissen (–97%) vinvis (–99,75%) vogels en zoogdieren (–1%)

64

worden. IJskernen uit gletsjers verraden vanaf datmoment stijgingen van de gehaltes van verschillendebroeikasgassen in de atmosfeer, met name van koolzuur,methaan en distikstofoxide. Een mooi en symbolischbeginpunt is het jaar 1784, het jaar waarin James Watt destoommachine uitvond.

En het einde? Komt er een catastrofe buiten onze macht,zoals een gigantische vulkaanuitbarsting, een vernieti-gende epidemie of een botsing met een asteroïde, danhoeven we er niet verder over na te denken. Zo niet, danvalt te hopen dat we zelfgemaakte apocalyptische ram-pen weten te voorkomen. Zo’n ramp zou een grootschali-ge atoomoorlog kunnen zijn, of een nieuwe doormenselijk ingrijpen veroorzaakte ijstijd, maar ook deongebreidelde voortzetting van de plundering van deschatten van de aarde waaraan wij ons nu met onze nogbetrekkelijk primitieve technologie bezondigen. Als we daarin slagen, dan zal de mens nog duizenden, wieweet zelfs miljoenen jaren lang een belangrijke geologi-sche kracht blijven. Dat is dan ook de grootste taak die inhet verschiet ligt: om een wereldwijd geaccepteerde wegte ontwikkelen naar een duurzame ecologie, bestandtegen de druk die de mens nu eenmaal op de aarde uit-oefent. Dat eist heel veel onderzoek en veel wijsheid bijde toepassing van de kennis die wordt vergaard in watTeilhard de Chardin ooit de ‘noösfeer’ noemde, de wereldvan de denkende mens. Een wereld die we nu kennenonder de naam kennismaatschappij. Het is te hopen dat het toekomstige deel van hetAntropoceen niet gekenmerkt blijft door voortgaande uit-putting van al datgene wat de aarde te bieden heeft, envan het massaal lozen van afvalproducten in het milieu. Erzal een verstandiger beheer moeten komen, geholpendoor sterk verbeterde technologie. Prudente omgang metde beschikbare middelen is noodzakelijk, maar ookbeheersing van de omvang van de menselijke en dierlijkebevolking. We zullen onze natuurlijke omgevingzachtaardiger moeten behandelen, zodat die zich kanherstellen. De mogelijkheden die hier in technologisch opzicht liggenzijn enorm en razend interessant. Het wereldwijde ener-gieverbruik bedraagt slechts 0,03 procent van de zonne-straling die de continenten bereikt. Slechts iets meer daneen half procent van het zichtbare zonlicht wordt op hetland door fotosynthese omgezet in chemische energie, inzee is dat nog geen anderhalf procent. Van de omzettingte land dient slechts een tiende deel de landbouwproduc-

tie. Hoewel de mens zich momenteel een tiende deel totde helft van alle door fotosynthese gevormd plantenma-teriaal toeëigent, zijn er dus welhaast onbegrensdemogelijkheden om energie te besparen. Er ligt zonne-energie voor het oprapen, misschien gaat het ook lukkenom energie uit kernfusie te betrekken. Materialen kunnenhergebruikt en herwonnen worden, we kunnen de bodemzo leren beheren dat hij intact blijft, we kunnen efficiënterlandbouw leren bedrijven, en ga zo maar door. Zoveelmogelijkheden zijn nog niet onderzocht en uitgewerkt dathet zelfs denkbaar is dat we meer gaan produceren entoch landbouwgrond aan de natuur kunnen teruggeven.Ik twijfel er niet aan dat generaties ver na ons in hetAntropoceen zullen pogen om een volgende ijstijd tevoorkomen door krachtige kunstmatige broeikasgassenin de atmosfeer te brengen. Evengoed zullen zij een even-tuele terugval van het koolzuurgehalte, waardoor de foto-synthese en dus de landbouwproductie zoudenteruglopen, bestrijden door welbewust koolzuur toe tevoegen. Nu platentektoniek en vulkanisme lijken af tenemen, is dat geen onrealistisch scenario, al blijven hetkwesties die pas in de verre toekomst actueel kunnenworden. Misschien dat we tegen die tijd ook in staat zijnom meteorieten en asteroïden op onderscheppingskoerstijdig bij te sturen. Hoe dat ook zij, er komen spannende tijden, niet in delaatste plaats voor onderzoekers en technici. Want datzijn degenen die het voortbestaan moeten verzekeren vande mens als soort en de aarde als duurzaam systeem, ineen voortgaand Antropoceen.

STICHTING BIO-WETENSCHAPPENEN MAATSCHAPPIJ

Nooit tevoren waren er zoveel onderzoekers wereldwijd bezigmet de verwerving van kennis op tal van gebieden van debiologie van de mens. Groots opgezette onderzoeks-programma’s als het ‘Human Genome Project’, dat in 2001 isafgerond, en het ‘Decennium of the brain’ zorgen voor data-banken vol gegevens. Onderzoekers beschikken tegenwoor-dig over geavanceerde technieken, waarmee zij processendie zich in ons lichaam afspelen tot in detail kunnen ontrafelenen waarmee moleculen en cellen in beeld gebracht kunnenworden. Beeldtechnieken maken het tevens mogelijk datmen een kijkje in het lichaam neemt. Een ontoegankelijkgebied als de hersenen kan nu live bestudeerd worden, omdatmen de activiteit van hersencellen zichtbaar maakt. Al dietechnieken leveren een stortvloed van gegevens op, die menbovendien geautomatiseerd kan verwerken en opslaan. Waardeze enorme toename van informatie en kennis toe zal leiden,is niet te voorzien. Maar de ingrijpende maatschappelijkegevolgen, in het bijzonder voor de gezondheidszorg, tekenenzich al duidelijk af.

In 1969 werd door mensen die voorzagen dat ontwikkelingenin de biowetenschappen het dagelijks leven diepgaand zou-den kunnen beïnvloeden, de stichting Bio-Wetenschappenen Maatschappij opgericht. Het leek hen niet verantwoorddat alleen een beperkt aantal experts geïnformeerd was overde te verwachten ontwikkelingen, bijvoorbeeld op het gebiedvan genetica, hersenonderzoek, reageerbuisbevruchting oftransplantaties.De stichting Bio-wetenschappen en Maatschappij heeft alsdoestelling: ‘in brede kring het inzicht te bevorderen in deactuele en toekomstige ontwikkeling en toepassing der bio-wetenschappen, in het bijzonder met het oog op de betekenisen gevolgen voor mens en maatschappij’ (statuten , art. 2).