Uit geologische gegevens van over de hele wereld blijkt dat het CO2-gehalte van de atmosfeer 55 miljoen jaar geleden, ongeveer tien miljoen jaar nadat de grote dinosauriërs van het toneel verdwenen, snel steeg. Daardoor warmde de aarde plotseling met vijf tot negen graden op, waarna talloze soorten dieren en planten uitstierven, op het land en in de zee. Wat veroorzaakte die ramp, en wat betekent dat voor de situatie van vandaag?

Om daar meer licht op te werpen, voer een internationaal onderzoeksteam in 2003 en 2004 uit met een boorschip. De Nederlandse onderzoekers Luc Lourens, Appy Sluijs (beiden van de Universiteit Utrecht) en Dick Kroon (Vrije Universiteit) waren belangrijke motoren achter de expeditie. Het schip voer naar het zuiden van de Atlantische oceaan, waar boringen in de oceaanbodem werden gedaan.

Deze week verschijnen de eerste wetenschappelijke artikelen van dit onderzoeksprogramma. En het is meteen goed raak: een artikel in Nature en één in Science.

Het Science-artikel gaat over het warmtemaximum op de grens van het Paleoceen en het Eoceen, met andere woorden: de enorme broeikasramp van 55 miljoen jaar geleden. In de oceaanboringen, gedaan op verschillende diepten op de zogenaamde Walvisrug, is die terug te zien als een rode kleilaag.

Geoloog Dick Kroon vertelt hoe dat komt: “In die laag ontbreken de kalkskeletjes van plankton helemaal, terwijl ze in andere lagen ongeveer 90 procent van de massa uitmaken. Dat de kalk ontbreekt, vertelt ons dat het water erg zuur was. Daardoor loste alle kalk in die periode op.”

Het zuur kwam van opgelost CO2: koolzuur. Op verschillende dieptes heeft de rode laag een andere dikte, legt Kroon uit, en daaruit is af te leiden hoe lang die zure toestand geduurd heeft. Hoe dieper het water, hoe langer het duurde. Kroon: “Ook tegenwoordig is het water op grote diepte te zuur om kalk te laten neerslaan. Er is altijd een soort sneeuwgrens op de oceaanbodem. Die ligt vandaag de dag op ongeveer 4200 meter diepte. Daar lag hij tot 55 miljoen jaar geleden ook, maar toen schoot hij plotseling omhoog, naar minder dan 1500 meter, blijkt uit onze boringen.”

De sterke verzuring van de oceaan voltrok zich binnen een paar duizend jaar. Het herstel duurde veel langer, laten de boorkernen zien. Kroon: “Pas zestigduizend jaar later was die ‘sneeuwgrens’ weer helemaal teruggezakt, en het duurde nog veertigduizend jaar langer totdat het kalkgehalte van de oceaan weer op het oude peil was."

De oorzaak van de snelle opwarming is al tientallen jaren onderwerp van debat tussen wetenschappers. Waarschijnlijk was er een grote rol weggelegd voor methaanhydraten op de oceaanbodem. Dat zijn een soort ijslagen waarin enorme hoeveelheden methaangas liggen opgeslagen. Bij een voldoende stijging van de temperatuur kan dat gas vrijkomen, waarna het in zee wordt omgezet in CO2. Dat versterkt het broeikaseffect, waardoor de temperatuur verder stijgt en er nóg meer methaan vrijkomt.

“Dat is een kettingreactie waarover niemand zich nog zorgen maakt”, zegt Kroon, die door collega’s wel eens wordt uitgemaakt voor ‘gereformeerde doemdenker’. “In klimaatmodellen is dit fenomeen niet ingecalculeerd. Terwijl het een groot gevaar is. De aarde kan sneller opwarmen dan iedereen denkt, alle leven op de zeebodem kan worden weggevaagd, met ook rampzalige gevolgen op het land. De methaanhydraten op de zeebodem zitten vandaag de dag nog niet in de gevarenzone, maar in de permafrost, de permanent bevroren aarde in noordelijke streken, is dat wel zo.”

Het artikel in Nature gaat grotendeels over een tweede rode kleilaag, een stukje boven die van 55 miljoen jaar geleden. De onderzoekers hebben deze laag Elmo genoemd, wat niet alleen de naam is van een rode pluizebol uit Sesamstraat, maar ook de afkorting van ‘Eocene Layer of Mysterious Origin’.

Hij is dunner dan de andere kleilaag, en geeft volgens de onderzoekers aan dat er 53 miljoen jaar geleden ongeveer hetzelfde is gebeurd als twee miljoen jaar eerder. Alleen wat minder heftig. Misschien omdat de methaanhydraten nog niet genoeg waren aangevuld voor een echt rampzalig verloop, opperen ze.

In de tijden waarin de twee rode kleilagen werden afgezet, was de baan van de aarde om de zon in een gelijke fase beland. Die baan is soms bijna cirkelvormig, soms meer elliptisch. De minima en maxima wisselen elkaar langzaam af.

De gelijke fase tijdens de broeikasrampen suggereert dat er een oorzakelijk verband is, schrijven de onderzoekers, maar ze kunnen er nog niet precies de vinger opleggen. Mogelijk was een korte afstand tot de zon de oorzaak van een temperatuurstijging, die vervolgens de kettingreactie van de methaanhydraten in gang zette.

Wat betekent dit nu voor onze toekomst? In het Science-artikel winden de auteurs er geen doekjes om: “Als we aannemen dat de totale voorraad fossiele brandstoffen wordt verbrand (ongeveer 4500 gigaton koolstof), zullen de gevolgen voor de zuurgraad en het ecosysteem in de diepzee waarschijnlijk veel lijken op wat er op de grens tussen het Pleistoceen en het Eoceen gebeurde. Omdat de koolstofinput van de mens echter in slechts driehonderd jaar zal plaatsvinden, wat minder is dan de tijd die de oceaan nodig heeft om te mengen, zullen de gevolgen voor de zuurgraad en het leven in het bovenste deel van de oceaan waarschijnlijk nog ernstiger uitvallen.”

Een echt doemscenario dus. Dick Kroon: “Ja. De oceaan kan lang stabiliserend werken, maar het wordt steeds duidelijker dat het systeem snel kan omslaan.” En dan zijn de rapen dus goed gaar.

James Zachos, Ursula Röhl, Stephen Schellenberg, Appy Sluijs, David Hodell, Daniel Kelly, Ellen Thomas, Micah Nicolo, Isabella Raffi, Lucas Lourens, Heather McCarren en Dick Kroon: “Rapid acidification of the ocean during the Paleocene-Eocene thermal maximum”, Science, 10 juni 2005

Lucas Lourens, Appy Sluijs, Dick Kroon, James Zachos, Ellen Thomas, Ursula Röhl, Julie Bowles en Isabella Raffi: “Astronomical pacing of late Palaeocene to early Eocene global warming events”, Nature (advanced online publication), 8 juni 2005