NGV-Geonieuws 131

NGV-Geonieuws: elektronisch geologisch tijdschrift


15 December 2006, jaargang 8 nr. 24

Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon
Geologisch Instituut, Adam Mickiewicz Universiteit, Poznan (Polen)

    Klik hier om deze uitgave af te drukken !
  • 751 Was de aardatmosfeer al veel vroeger zuurstofrijk?
  • 752 Stof uit Sahara voedt Amazonegebied
  • 753 Ultraviolette straling i.s.m. ijstijd maakte zuurstofatmosfeer mogelijk
  • 754 Geboorte van een nieuw eiland in Tonga
  • 755 Vals alarm over oceanisch warmtetransport

    << Vorige uitgave: 130 | Volgende uitgave: 132 >>

751 Was de aardatmosfeer al veel vroeger zuurstofrijk?
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Astronomie ! Klik hier voor alle artikelen over het Milieu ! Klik hier voor alle artikelen over Paleontologie, Fossielen & Uitstervingen !

Leven op het land was op de vroege aarde onmogelijk, vooral vanwege twee oorzaken: de vrijwel volledige afwezigheid van zuurstof in de atmosfeer, en het daarmee samenhangende ontbreken van een ozonlaag die de overmaat aan ultraviolette straling kon tegenhouden. Algemeen wordt aangehouden dat de atmosfeer - geologisch gezien plotseling - rijk aan zuurstof werd (waarbij ook een ozonlaag werd gevormd) ergens omstreeks 2,3-2,4 miljard jaar geleden. Dat wordt opgemaakt uit de verhouding tussen de diverse zwavelisotopen in mineralen. Zogeheten 'mass-independently fractionated' zwavelisotopen (MIF-S) kunnen, voor zover bekend, in de natuur alleen ontstaan wanneer door vulkanen uitgestoten zwaveldioxide (SO2) in een zuurstofarme atmosfeer wordt blootgesteld aan sterke ultraviolette straling. MIF-S is in tal van gesteenten ouder dan 2,4 miljard jaar aangetroffen, maar niet in jongere gesteenten.


Lagen van 3,46 miljard jaar oud bestaande uit jaspis, roodgekleurd door hematiet (ijzeroxide)

Ook toen zich eenmaal een zuurstofrijke atmosfeer had ontwikkeld, en het leven in zee daarvan ook kon profiteren, duurde het echter nog lang voordat het eerste primitieve leven zich ook op het land kon vestigen. Er zijn diverse gevallen gemeld van oud landleven, maar de meeste daarvan betreffen indirecte aanwijzingen die bovendien sterk omstreden zijn. De oudste onomstreden fossiele restanten van leven op het land dateren van 1,2 miljard jaar geleden.


Opname met een scanning electron microscope
(SEM) van 2,76 miljard jaar oude pyrietkristallen
uit de Hardet Formatie


Opname met een scanning electron microscope
(SEM) van 2,92 miljard jaar oude pyrietkristallen
uit de Mosquito Creek Formatie


Dat was althans tot voor kort het geval. Een onderzoeksteam onder leiding van Hiroshi Ohmoto heeft nu een soort fossiele algenmatten gevonden in Transvaal (Zuid-Afrika) in gesteenten die 2,6-2,7 miljard jaar geleden op het land werden gevormd. De algenmatten zijn opgebouwd uit cyanobacteriën (blauwwieren), de belangrijkste organismen die bij hun stofwisseling zuurstof vrijmaken uit water en atmosferisch CO2 door gebruik te maken van zonlicht (fotosynthese).

De ontdekking heeft mogelijk belangrijke consequenties. De vondst maakt duidelijk dat er al veel eerder dan voorheen gedacht een atmosfeer met zuurstof moet zijn geweest. Het gelijktijdig met de in Transvaal ontdekte algenmatten voorkomen van MIF-S op tal van andere plaatsen op aarde geeft echter aan dat daar toen een zuurstofarme atmosfeer aanwezig was. De conclusie moet daarom zijn dat zich, binnen een overwegend zuurstofarme atmosfeer, plaatselijk kennelijk 'eilanden' van een zuurstofrijkere atmosfeer konden ontwikkelen. Mogelijk speelde een wisselwerking tussen microorganismen en atmosfeer daarbij een rol.


Stromatoliet van 2,74 miljard jaar oud

De ontdekking wijst ook uit dat op andere hemellichamen, waar geen zuurstofrijke atmosfeer bestaat, wellicht ook dergelijke zuurstofrijkere 'eilanden' zouden kunnen voorkomen. In dat geval zou leven aanwezig kunnen zijn op hemellichamen waarvan dat tot nu toe onmogelijk is geacht.

Referenties:
  • Knauth, L.P., 2006. Signature required. Nature 442, p. 873-874.
  • Ohmoto, H., Watanabe, Y., Ikemi, H., Poulson,m S.R. & Taylor, B.E., 2006. Sulphur isotope evidence for an oxic Archaean atmosphere. Nature 442, p. 908-911.

Foto’s welwillend ter beschikking gesteld door Hiroshi Ohmoto, Penn State Astrobiology Research Center, Penn State University, University Park, PA (Verenigde Staten van Amerika).

752 Stof uit Sahara voedt Amazonegebied
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over het Milieu ! Klik hier voor alle artikelen over (Paleo)Klimaat !

Het regenwoud in het Amazonegebied blijkt zijn weelderige vegetatie voor een belangrijk deel te danken te hebben aan stof uit de Sahara. Dat woestijnstof brengt namelijk de voedingsstoffen en mineralen mee die de verliezen in het Amazonegebied compenseren. Het was allang bekend dat er grote hoeveelheden stof (fijne korrels) uit de Sahara hoog in de atmosfeer terechtkomen, waar ze door luchtstromen ver weggevoerd kunnen worden. Ook in Nederland kennen we het rode stoflaagje op onder meer auto’s dat achterblijft wanneer regen met daarin Saharastof daarop terechtkomt.


Een stofwolk boven de Bodélé-depressie (foto NASA)


De onderzoeksleider Ilan Koren


Ruim de helft van al het stof dat uit de Sahara wegwaait, blijkt afkomstig van één locatie, de Bodélé-depressie. De herkomst van het Saharastof is achterhaald met behulp van satellietopnames en metingen. Daaruit blijkt dat op dagen waarop stof uit de depressie wegwaait (er zijn natuurlijk ook windstille dagen) gemiddeld zo’n 700.000 kg stofdeeltjes uit deze depressie verdwijnt. Dat de Bodélé-depressie zo’n groot aandeel heeft in de 'stofleverantie' is des te opvallender omdat deze locatie minder dan 1% van alle stof in de Sahara bevat. Er moet dus sprake zijn afwijkende omstandigheden. Dat blijkt trouwens ook uit het feit dat het stof uit deze depressie vooral in de winter en het voorjaar wegwaait; elders in de Sahara zijn dit geen seizoenen met opvallend veel wegwaaiend stof.


Opname vanuit een NASA-shuttle van een stofwolk boven de Bodélé-depressie (links) en 3-D topografie van de Sahara (uit artikel)

Een en ander blijkt, behalve met de windpatronen boven de Sahara, samen te hangen met de lokale topografie. De Bodélé-depressie ligt benedenwinds van een groot kraterachtig dal dat begrensd wordt door de Tibesti en Ennedi Gebergten, dicht bij de noordelijke rand van de Sahel (en in de Sahel is vooral 's winters de wind vaak sterk). Het dal vernauwt tot een pas in het zuidwesten. Door die configuratie wordt een sterke windstroom door de pas opgewekt, die op de Bodélé-depressie is gericht. Dat leidt tot de uitzonderlijk sterke erosie daar.


Aantal dagen van stoferosie in de Bodélé-depressie (blauw) en hoeveelheid weggewaaid stof (in miljoenen tonnen) (rood) tussen oktober 2003 en oktober 2004 (uit artikel).

Het uit de depressie weggewaaide stof verspreidt zich, samen met ander stof uit de Sahara, via de atmosfeer. Jaarlijks valt er naar schatting z’n 140 miljoen ton stof uit Afrika in de Atlantische Oceaan, maar zo’n 100 miljoen ton weet de oceaan veilig over te steken; daarvan valt zo’n 50 miljoen ton per jaar neer in het Amazonegebied. De voedingsstoffen en mineralen zijn voldoende om het regenwoud te latten floreren. Uit fossielen is bekend dat het regenwoud zeker al zo’n 10 miljoen jaar bestaat. Niet zeker is echter of Afrika ook al die tijd toeleverancier is geweest. In ieder geval is het de vraag hoelang de Bodélé-depressie nog zulke enorme hoeveelheden stof zal kunnen blijven leveren. Het gebied, dat slechts zo’n 0,2% van de totale oppervlakte van de Sahara uitmaakt, zal ooit uitgeput raken.

Referenties:
  • The Bodélé depression: a single spot in the Sahara that provides most of the mineral dust to the Amazon forest. Environmental Research Letters 1, 5 pp. doi:10.1088/1748-9326/1/014005.

753 Ultraviolette straling i.s.m. ijstijd maakte zuurstofatmosfeer mogelijk
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Biologie & Evolutie ! Klik hier voor alle artikelen over Glaciologie ! Klik hier voor alle artikelen over (Paleo)Klimaat !

Zo’n 2,3-2,4 miljard jaar geleden werd de aardatmosfeer op grote schaal plotseling zuurstofrijk. De plotselinge toename van de zuurstof wordt toegeschreven aan een veranderend milieu, waardoor plotseling grote hoeveelheden cyanobacteriën konden ontstaan. Bij hun stofwisseling produceren die zuurstof en suikers. Het is echter nooit duidelijk geweest hoe deze omslag mogelijk was, want de geproduceerde grote hoeveelheden zuurstof zouden in feite de cyanobacteriën zelf hebben moeten vergiftigen. Bij de productie van zuurstof komt namelijk een zogeheten hydroxyl-radicaal vrij (OH-). Dit ion zou het DNA van de cyanobacteriën onherstelbaar hebben moeten beschadigen. Dat zou alleen voorkomen kunnen zijn als de cyanobacteriën tijdig beschermende enzymen hadden ontwikkeld. Maar waarom zouden ze dat hebben gedaan op een tijdstip dat ze dat nog niet nodig hadden?


Keileem uit de Makganyene-IJstijd in Zuid-Afrika (foto Caltech)

Het antwoord op deze lastige vraag lijkt nu te zijn gevonden. Onderzoekers van Caltech hebben namelijk ontdekt dat ultraviolet licht dat over het oppervlak van een ijsmassa strijkt, kan leiden tot de vorming van bevroren oxidanten en het uiteindelijk vrijkomen van moleculaire zuurstof in de atmosfeer en de oceaan. Deze 'injectie' in het zeewater van geringe hoeveelheden stoffen die voor cyanobacteriën bij grotere concentraties giftig zijn, zou de primitieve organismen er toe kunnen hebben aangezet om de nodige beschermende enzymen te ontwikkelen.

De moeilijk lijkende verklaring is in essentie simpel. Wanneer UV-straling in aanraking komt met waterdamp, ontstaat waterstofperoxide (H2O2). Dat moet tijdens een van de grote ijstijden uit het Precambrium (toen de aarde mogelijk geheel met ijs was bedekt: Sneeuwbal Aarde) door het ontbreken van een zuurstofrijke atmosfeer (en daardoor de afwezigheid van een UV-filterende ozonlaag) op grote schaal hebben plaatsgevonden. Bij normale temperaturen reageren de zuurstofatomen - die gemakkelijk door waterstofperoxide worden gevormd - snel met elkaar; ze vormen dan moleculaire zuurstof. Bij -1 °C bevriest waterstofperoxide echter tot een vaste stof. Daardoor kan waterstofperoxide dat in het ijs zelf ontstond door binnendringende UV-straling, daarin opgesloten blijven zitten. Dat gebeurt nu soms ook op Antarctica, wanneer het ozongat groot is.


De Hotazel-mijn in de mangaanafzettingen van de Kalahari


Wanneer bij afsmelten ijsmassa’s met daarin waterstofperoxide in de oceaan gleden, zou in het zeewater (met een temperatuur net boven het vriespunt) het opgenomen waterstofperoxide ontdooien en vrijkomen. Door de dan optredende reacties moeten water en zuurstof zijn gevormd op diepten die te groot waren om daar levende organismen door UV-straling te doden. De lage concentraties zuurstof konden dat evenmin. Zo kregen die organismen de tijd om langzaam beschermende enzymen te ontwikkelen. Toen de cyanobacteriën eenmaal daarover beschikten, was de weg vrijgemaakt voor fotosynthese en, vervolgens, voor de ontwikkeling van cellen die zuurstof konden ademen.

Dit alles zou zo’n 2,3 miljard jaar geleden moeten hebben plaatsgevonden tijdens de zogeheten Makganyene IJstijd. Dat is inderdaad het moment waarop cyanobacteriën overgingen tot de 'productie' van zuurstof. Gedurende de ijstijd zou bijna evenveel zuurstof in de vorm van waterstofperoxide kunnen zijn vastgelegd als er nu in de aardatmosfeer aanwezig is. Die hoeveelheid zuurstof zou ook meer dan genoeg zijn om onder meer de uitgestrekte mangaanafzettingen in de Kalahari-woestijn (Zuid-Afrika) vast te leggen. Die afzettingen (met 80% van de wereldreserve aan mangaan) liggen direct op gesteenten waarin de laatste geologische sporen van de Makganyene IJstijd voorkomen.

Referenties:
  • Liang, M.-C., Hartman, H., Kopp, R.E., Kirschvink, J.L. & Yung, Y.L., 2006. Production of hydrogen peroxide in the atmosphere of a Snowball Earth and the origin of oxygenic photosynthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103 (50), 5 pp.

754 Geboorte van een nieuw eiland in Tonga
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Vulkanologie !

De bemanning van het jacht 'Maiken' werd op 12 augustus van dit jaar getroffen door een merkwaardig schouwspel. Ze kregen op zee namelijk te maken met grote velden van drijvende stenen. Het ging om puimsteen, dat afkomstig bleek van een onderzeese vulkaan. In de eerstvolgende dagen konden ze zien hoe, binnen de eilandengroep van Tonga, een nieuw eiland werd geboren doordat de onderzeese vulkaan zo sterk aangroeide dat hij boven water kwam uit te steken. Tot dusver heeft Tonga overigens geen officiële mededelingen gedaan over het nieuwe grondgebied.


Rookwolken stijgen boven zee uit bij de eruptie van een onderzeese vulkaan

De directe waarneming van de geboorte van het nieuwe eiland ging echter niet zonder slag of stoot. In eerste instantie probeerde de boot door het steeds dichter wordende veld van puimsteen heen te varen, maar de weestand werd steeds groter, en uiteindelijk moest de schipper, Frederik Fransson, besluiten om te keren. Via een andere weg konden ze de volgende dag toch dichterbij komen, en ze konden vaststellen dat het ging om een nieuw vulkanisch eilandje, ongeveer anderhalve kilometer in diameter en met vier pieken en een rokende vulkaankrater. Het lag dicht bij het eilandje Home Reef.


Het pasgeboren eiland vlakbij Vava’u (foto Frederik Fransson)


Grote massa’s puimsteen drijven op het ijs


De ligging van het nieuwe eiland van Tonga, tussen Kao (een van de vulkanische eilanden van de Ha’apai eilanden) en Late (een van de Vava’u eilanden), levert geen direct gevaar op. De velden van puimsteen, die in september zelfs de Fiji Eilanden bereikten, zijn echter wel hinderlijk, vooral voor kleine schepen van de (schaarse) lokale bevolking. Daar staat tegenover dat er ook direct een bron van inkomsten mogelijk is. Op Internet wordt tenminste al puimsteen van deze uitbarsting te koop aangeboden, deels als losse stukken, deels in zakken.


Als een ijsbreker laat de ‘Maiken’ een kanaal in de puimsteen achter zich (foto Frederik Fransson

Het voorkomen van puimsteen in zee in de betrokken gebieden is overigens ook al eerder opgemerkt. Zowel in 1979 als in 1984 bereikten puimsteenvelden die ontstaan waren door onderzeese uitbarstingen in de wateren van Tonga, de kust van de Fiji Eilanden. Sommige van deze puimsteenvelden hadden afmetingen van enkele tientallen kilometers.

Referenties:
  • Anonymus, 2006-11-06. New island emerges in Tonga. www.matangitonga.to/article/tonganews/natural_events/new_island061106.shtml
  • Anonymus, 2006-11-08. Tonga volcanic eruption seen by yacht crew. www.matangitonga.to/article/tonganews/natural_events/tonga_eruption_081106.shtml

Foto’s: NASA Natural Hazards (satellietopname) en Tonga News (overige foto’s).

755 Vals alarm over oceanisch warmtetransport
Auteur: prof. dr. A.J. (Tom) van Loon

Klik hier voor alle artikelen over Oceanografie ! Klik hier voor alle artikelen over (Paleo)Klimaat !

Op een conferentie van RAPID, een groep wetenschappers die zich bezig houden met rapid climate change (snelle klimaatsverandering) is een groot deel van de bezorgdheid weggenomen die bestond over een mogelijk snelle afkoeling van NW Europa en de oostkust van de Verenigde Staten. De bijeenkomst, die eind oktober in Birmingham werd gehouden, leverde - zoals gewoonlijk wanneer een groep wetenschappers bijeenkomt - weliswaar geen unanieme conclusies toe, maar wel bestond algemeen overeenstemming over het feit dat eerdere ideeën over een ramp op korte termijn niet door feiten worden gestaafd.


Schematisch patroon van warme (rode) en koude (blauwe) oceaanstromen

Het draait allemaal om het circulatiepatroon in de Atlantische Oceaan. Daarmee wordt, dag in dag uit, een enorme hoeveelheid warmte uit het gebied nabij de evenaar naar het noorden vervoerd via een oppervlaktestroom (de Warme Golfstroom). De hoeveelheid warmte komt overeen met zo’n biljoen kilowatt, een hoeveelheid energie die vergelijkbaar is met de elektriciteit die wordt opgewekt door een miljoen grote elektriciteitscentrales. Op zijn weg naar het noorden staat de Golfstroom zijn warmte af, en keert als koud dieptewater weer terug naar het zuiden.

Wallace Broecker was een van de eersten die (in 1984) onderkende dat haperingen in deze golfstroom belangrijke klimatologische consequenties kon hebben: Europa en het oosten van de Verenigde Staten zouden immers veel minder warmte ontvangen; Broecker beschouwde dit als een verschijnsel dat wellicht had bijgedragen aan de afwisseling van ijstijden en interglacialen, zonder daarvoor overigens een duidelijke oorzaak te kunnen aangeven.


Wallace Broecker onderkende in 1984 het klimatologisch belang van een haperende Golfstroom (foto Earth Institute, Columbia University).


Harry Bryden kwam met een nu weerlegd rampscenario (foto Worldwide Universities Network)


Carl Wunsch meent dat tientallen jaren van metingen nodig zijn (foto MIT)


Het belang van de Golfstroom voor het klimaat werd daarna snel onderkend, en er werden op diverse momenten metingen verricht om de hoeveelheid getransporteerde warmte nauwkeuriger te bepalen. Dat gebeurt overigens pas relatief kort structureel. Vorig jaar werd een artikel gepubliceerd over onderzoek dat onder leiding van Harry Bryden was uitgevoerd, en zijn resultaten schokten de wereld: de Golfstroom zou sinds 1957 met maar liefst 30% in kracht zijn afgenomen (dus ook 30% minder warmte hebben vervoerd). Een nieuwe ijstijd dreigde! Bij de media (en daardoor ook bij het grote publiek) leidde dit tot rampscenario’s, onder meer vertolkt in de film 'The day after tomorrow'.

Op de bijeenkomst in Birmingham werd een en ander rechtgezet. Via sensoren die via een in de zeebodem bevestigd steunpunt aan een kabel op diverse plaatsen in de Golfstroom verticaal door de oceaan op en neer worden bewogen, blijkt dat er voortdurend zeer grote fluctuaties optreden in de hoeveelheid water (en warmte) die de Golfstroom meevoert. Gemiddeld lijkt er geen sprake van een afname, en Bryden had dus gewoon op een ongelukkig moment gemeten.


Sensor voor metingen van de Golfstrrom (foto RAPID)

Vrijwel alle aanwezigen konden die conclusie onderschrijven. Bryden wilde zich nog niet helemaal gewonnen geven, maar wilde wel zijn eerdere schatting van 30% afname sinds 1957 verminderen tot 10% sinds 1980. Dat zou volgens computerberekeningen echter nog altijd om zo’n enorme hoeveelheid warmte gaan, dat Europa daardoor - uitgaande van een afname sinds 1957) een duidelijke afkoeling had moeten ondergaan. Die afkoeling heeft echter niet plaatsgevonden. Mocht er al sprake zijn van een hapering in de Golfstroom, dan is die zo gering dat er volgens de oceanograaf Carl Wunsch tientallen jaren van continue metingen nodig zullen zijn om dat vast te stellen. Een eventueel gevolg voor het klimaat van Europa zou dan zelfs meer dan 100 jaar op zich laten wachten, als er al een gevolg zou zijn.

Er is dus sprake geweest van vals alarm. Dat wordt overigens nog steeds niet door alle media begrepen. Het Engelse dagblad 'Guardian' publiceerde naar aanleiding van de bijeenkomst in Birmingham tenminste een artikel waarin wordt uiteengezet dat de aanwezigen het rampscenario bevestigden. Wetenschap blijft voor veel media kennelijk te moeilijk.

Referenties:
  • Kerr, R.A., 2006. False alarm: Atlantic conveyor belt hasn’t slowed down after all. Science 314, p. 1064.
  • Wallace, C.J., 2006. RAPID International Science Conference 24th - 27th October 2006 - Summary briefing note. Natural Environment Research Council, 3 pp.


Copyright © NGV 1999-2017
webmaster@geologischevereniging.nl