Klimaatverandering | klimaatveranderingen in het geologische verleden

Klimaatveranderingen in het geologische verleden

1rightarrow blue.svg Zie voor meer informatie over de bestudering van het klimaat in vroegere tijden het artikel over paleoklimatologie.
Voor meer informatie over de geschiedenis en ontwikkeling van de Aarde zie het artikel geschiedenis van de Aarde.
Logaritmisch temperatuurverloop op aarde weergegeven over de afgelopen 542 miljoen jaar, sinds het begin van het Cambrium tot op heden. Het Precambrium ontbreekt in de afbeelding.

Geologische tijdschalen

Een rotspartij met een geologische gelaagdheid: Steamboat Rock in de 'Tuin der goden, een natuurpark in Colorado Springs (VS)

De indeling van de geologische tijdschaal is gebaseerd op de afzettingen in de bodem en gesteente, vondsten van fossielen en dateringen daarvan. De ontwikkeling van fossiele flora en fauna in gesteente geeft aanwijzingen over hoe het klimaat zich ontwikkeld heeft. Directer bewijs wordt vergaard uit de verhouding van stabiele isotopen in gesteentelagen. Deze geven aan hoe de samenstelling van de atmosfeer in het verleden veranderde.

De evolutie van de flora heeft bij onderzoek naar de ontwikkeling van de atmosfeer meer gewicht, aangezien planten zuurstof produceren en het broeikasgas kooldioxide vastleggen. Planten spelen een belangrijke rol in de koolstofkringloop en hebben daarom belangrijke invloed op de samenstelling van de atmosfeer.

Precambrium

Stromatolieten uit het Precambrium in de Siyeh-formatie, Glacier National Park (Montana, VS)

Het Precambrium, tussen 4.560 en 542 miljoen jaar geleden, beslaat een periode van ongeveer vier miljard jaar, dat is meer dan 85 % van de tijd dat de Aarde bestaat. Aan het begin van het Precambrium werd de aardkorst gevormd. Deze periode kenmerkte zich, vooral aan het begin, door grote vulkanische activiteit en inslagen van meteorieten en kometen. Het eerste leven ontwikkelde zich na verloop van tijd waarna primitieve algen de koolstofdioxide, waaruit een groot gedeelte van de vroege atmosfeer bestond, door middel van fotosynthese begonnen om te zetten in zuurstof en organische verbindingen, zoals koolhydraten, vetzuren en aminozuren.

Archeïcum

Het klimaat tijdens het Archeïcum, aan het begin van het Precambrium tussen 4.560 miljoen jaar tot 2.500 miljoen jaar geleden, moet aanvankelijk, tijdens het Hadeïcum, zeer heet zijn geweest. Van de eerste 400 miljoen jaar van de Aarde zijn tot op heden geen gesteenten gevonden. Tegen het eind van het Hadeïcum was de lithosfeer flink afgekoeld en relatief stabiel geworden. De atmosfeer bestond waarschijnlijk uit een mengsel van gassen waaronder waterdamp, stikstof, waterstof, methaan, waterstofsulfide, ammoniak, koolstofdioxide en koolstofmonoxide.

Continenten waren nog niet aanwezig en de dunne instabiele aardkorst bestond uit kratons die grotendeels onder water stonden. De wereldoceaan lag vol met kleine eilandjes. Het klimaat was daardoor waarschijnlijk relatief homogeen. De atmosfeer bevatte relatief hoge concentraties broeikasgassen zoals koolstofdioxide, methaan en ammoniak. Hoewel de zonneactiviteit relatief laag was, was het mede door de aanwezigheid van deze broeikasgassen warm. De eerste vormen van leven zijn waarschijnlijk al rond 4,0 tot 3,6 miljard jaar geleden, halverwege het Archeïcum, ontstaan. Het betrof de eerste primitieve extremofiele soorten bacteriën die archaea worden genoemd. De oudste stromatolieten die op leven wijzen, zijn in West-Australië en Canada gevonden en zijn waarschijnlijk 3.500 miljoen jaar oud.

Paleoproterozoïcum

IJzeroxidelagen in gesteente uit het Paleoproterozoïcum

Het Paleoproterozoïcum duurde van 2.500 tot 1.600 miljoen jaar (Ma) geleden. De Huronische ijstijd is de oudste bekende ijstijd die duurde van 2.400 tot 2.100 miljoen jaar geleden gedurende het Siderium en het Rhyacium aan het begin van het Paleoproterozoïcum. Deze ijstijd was waarschijnlijk het gevolg van de eerste 'zuurstofcrisis'.

Aanvankelijk werd vrijwel alle door de primitieve cyanobacteriën geproduceerde zuurstof aan het ijzer gebonden dat tijdens deze periode nog aan het aardoppervlak aanwezig was. Nadat alle ijzer aan het aardoppervlak was geoxideerd steeg de zuurstofconcentratie in de atmosfeer. Vrijwel alle methaan uit de atmosfeer verdween, waardoor de atmosfeer sterk afkoelde. Methaan is een sterk broeikasgas.

Neoproterozoïcum

Het omstreden supercontinent Pannotia

In de laatste periode van het Precambrium, het Neoproterozoïcum van 900 tot 542 miljoen jaar (Ma) geleden, kende de aarde tijdens het Cryogenium twee ijstijden. Tijdens de laatste periode was vrijwel de hele aarde met ijs bedekt, de zogenaamde sneeuwbalaarde van rond 650 Ma en mogelijk 710 of 750 Ma geleden. Het meeste kooldioxide was uit de atmosfeer verdwenen en in het ijs opgeslagen. Door de hoge reflectie was de inkomende warmte-energie van de Zon met ongeveer 8 % afgenomen. Tijdens deze periode zijn de eerste Metazoa en Bilateria, de voorouders van de meeste dieren, ontstaan.

De continentale massa was tussen 600 en 540 miljoen jaar geleden volgens sommige onderzoekers voornamelijk gelokaliseerd rond de huidige zuidpool op het supercontinent Pannotia. De ligging van een groot continent op of rond een van de polen, in combinatie met de sterk gedaalde concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer, kan het optreden van de ijstijden tijdens het Cryogenium verklaren.

Tijdens het Precambrium hebben zich grote veranderingen in het klimaat, in de samenstelling van de aardkorst en in de evolutie voorgedaan. De huidige olie- en gasvoorraden zijn in deze periode ontstaan.

Paleozoïcum

Tijdens het Paleozoïcum, de eerste era van het Fanerozoïcum tussen 542 en 251 miljoen jaar geleden, vindt een grote evolutionaire ontwikkeling plaats. Voor de klimatologische ontwikkelingen is de verovering van het land door levende organismen van het grootste belang. Die verovering van het vasteland vond plaats in een periode tussen ongeveer 450 en 300 miljoen jaar geleden.

Cambrium tot Carboon

Cambrianmap.svg

Toen aan het einde van het Precambrium, 542 miljoen jaar geleden, het ijs smolt kwam het kooldioxide uit het ijs vrij en veranderde het klimaat van een 'ijskast' in een 'broeikas'. Aangenomen wordt dat deze geologisch gezien plotselinge klimaatverandering aan het begin van het Cambrium de Cambrische explosie heeft veroorzaakt. De zeebodem was met eenvoudige wieren en koralen begroeid en werd bevolkt door weekdiersoorten.

Na het Cambrium volgde 488 miljoen jaar geleden het Ordovicium dat warm begon met een hoog zeeniveau en na een afkoeling in een ijstijd eindigde tijdens het Hirnantien. Tijdens het Siluur, van 443,7 tot 416 miljoen jaar geleden, liep de temperatuur weer op en heerste er een warm en vochtig klimaat. De biodiversiteit in de wereldzeeën groeide sterk. Er zijn aanwijzingen dat het klimaat gedomineerd werd door stormen. De zee werd bevolkt door vissen die in een vegetatie van wieren rondzwommen. Op land ontstonden de eerste primitieve plantensoorten, zoals mossen en varens, en primitieve insecten zoals springstaarten.

In het midden van het Devoon, van 416 tot 359,2 miljoen jaar geleden, veranderde het klimaat van vochtig en warm naar droog en heet. Op land ontstonden de eerste primitieve bossen. Aan het eind van het Devoon doet zich de Laat-Devonische extinctie voor die vermoedelijk het gevolg geweest is van klimaatverandering ten gevolge van de daling van de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer. Deze daling van de kooldioxideconcentratie zou het gevolg geweest zijn van de efficiënte fotosynthese door de nieuw geëvolueerde landplanten.

Carboon tot Perm

Het supercontinent Pangea zoals het 250 tot 210 miljoen jaar geleden bestond

Het Carboon, van 359,2 tot 299 miljoen jaar geleden, werd bij aanvang gekenmerkt door een warm en vochtig klimaat. De plantengroei ontwikkelde zich explosief en er ontstonden uitgestrekte bossen en kustmoerassen met bomen tot zo'n 30 meter hoogte. Voor het eerst in de evolutie raakte een aanzienlijk deel van de continenten dicht begroeid met planten en bomen. Reptielen, amfibieën en insecten gedijden goed in deze omgeving. Het was in het Westfalien dat de in noordwest Europa en het noordoosten van Noord-Amerika uitgestrekte koolvoorkomens werden afgezet. Aan het einde van het Carboon was de Aarde aanzienlijk afgekoeld waarschijnlijk door de afname van de kooldioxodeconcentratie in de atmosfeer.

In het Perm, van 299 tot 251 miljoen jaar geleden, heerste er een droog klimaat met grote temperatuurverschillen en er zijn aanwijzingen gevonden voor gletsjers en ijstijden in deze periode. Op grote delen van de continenten heerste een klimaat dat waarschijnlijk te vergelijken met het huidige klimaat in delen van Centraal-Azië en Noord- en Oost-Afrika.

Perm-Trias-massa-extinctie en Trias

De grens tussen het Perm en het Trias, 251 miljoen jaar geleden, werd bepaald door de Perm-Trias-massa-extinctie. Dat was de grootste massa-extinctie uit de Aardse geschiedenis die zich over een periode van ongeveer 80.000 jaar uitstrekte. Ze is waarschijnlijk veroorzaakt door een hoge vulkanische activiteit in de Siberische Trappen die voorafgegaan werd door een lange periode van verlaagde vulkanische activiteit. Volgens de huidige inzichten was er in de periode voor deze massa-extinctie een gestage klimatologische opwarming door de vertraging van geofysische processen die de vulkanische activiteit bepalen. De toename van de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer die daarvan het gevolg was veroorzaakte een opwarming van het oceaanwater. Als er geen ijskappen op de polen zijn vertragen zeestromingen over het algemeen aanzienlijk. Bij een hogere temperatuur komt het oceaanwater vrijwel stil te staan omdat de temperatuur aan het oppervlak het hoogst is en afneemt op grotere diepte. De zuurstof verdween daardoor vrijwel geheel uit het oceaanwater waardoor hogere organismen verdwenen en er hoofdzakelijk anaerobe micro-organismen overbleven. Die micro-organismen produceerden methaan en waterstofsulfide dat op grotere diepte in gashydraten vastgelegd werd.

De zeer grote vulkanische activiteit tijdens de vorming van de Siberische Trappen had een verdere opwarming van het klimaat tot gevolg. Mogelijk heeft in dezelfde periode een meteorietinslag plaatsgevonden. Tijdens deze periode van extreme opwarming is een grote hoeveelheid van het zeer giftige waterstofsulfide in de atmosfeer terechtgekomen die eerder als gashydraat op de oceaanbodem opgeslagen was. Tijdens deze extreme klimaatverandering liep de gemiddelde temperatuur op aarde met ongeveer 10 °C op.

Mesozoïcum

Het Mesozoïcum, de tweede era van het Fanerozoïcum, duurde van 251 tot 65 miljoen jaar geleden en omvat het Trias, de Jura en het Krijt. Het Mesozoïcum was vrij warm, er zijn gedurende de hele periode geen ijskappen op de polen geweest en er zijn evenmin aanwijzingen dat er veel gletsjers geweest zijn.

Het zeeniveau lag hoger dan tegenwoordig en het kooldioxide- en zuurstofgehalte van de atmosfeer waren veel hoger dan tegenwoordig. De lucht had een hogere dichtheid zodat vliegen gemakkelijker was dan tegenwoordig en planten en bomen konden sneller vlamvatten. De hele landmassa op aarde lag op het supercontinent Pangea dat aan het begin van het Mesozoïcum aaneengesloten was en in de loop der tijd begon op te breken. Grote delen van Pangea stonden onder water en vormden warme ondiepe binnenzeeën.

Tijdens het Trias, van 251 tot 199 miljoen jaar geleden, was het klimaat relatief droog en warm met aan de polen een nat en gematigd klimaat. Pangea had waarschijnlijk voor het grootste deel een landklimaat met grote verschillen tussen de seizoenen en verschillende droge en natte moessons in de streken rond de evenaar. Aan het eind van het Trias vond over een periode van ongeveer 20.000 jaar de Trias-Jura-extinctie plaats waarvan de oorzaak niet duidelijk is. Mogelijk heeft klimaatverandering door vulkanisme of het vrijkomen van methaan uit gashydraat daarbij een rol gespeeld.

Tijdens de Jura, van 199 tot 145,5 miljoen jaar geleden, en vrijwel het gehele Krijt, 145,5 tot 65,5 miljoen jaar geleden, was het warm met een paar koelere perioden rond de overgang van Jura naar Krijt, zoals tijdens het Berriasien. Halverwege het Krijt was het weer zoveel warmer dat er palmen in het noordelijk poolgebied groeiden. De temperatuur van het zeewater in de huidige Noordelijke IJszee lag waarschijnlijk boven de 20 °C zodat het gebied tijdens de poolnacht overdekt werd met een deken van dichte isolerende mist. Daardoor bleef de temperatuur in de poolgebieden ruim boven het vriespunt.

Camarasaurus, Brachiosaurus en Euhelopus

Volgens sommige onderzoekers was de snelheid van de koolstofkringloop tijdens deze perioden hoog omdat grote groepen giraffe-achtige dinosauriërs de vegetatie afgraasden waarbij ze een enorme ravage aanrichtten. Deze dieren hadden een slechte spijsvertering waardoor ze weinig energie uit het slecht verteerbare voedsel konden halen. Daarom moesten ze veel eten waardoor ze veel feces met onverteerde plantenresten achterlieten. Deze resten werden door bacteriën en schimmels verder verteerd. Op deze manier bleef de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer hoog zodat de temperatuur op aarde ook hoog bleef. Door het hoge kooldioxidegehalte van de atmosfeer en de hoge temperaturen was de plantengroei zeer weelderig zodat de schade die de dinosauriërs aan de vegetatie toegebracht hadden relatief snel weer hersteld was.

Het einde van het Krijt wordt gekenmerkt door een afkoeling van het klimaat, die mogelijk werd versneld door de global dimming ten gevolge van de vulkanische activiteit van de Deccan Traps en de inslag van een meteoriet bij Chicxulub. De inslag van de meteoriet markeert de K-T-overgang, het begin van het Paleogeen, en maakte een eind aan de hegemonie van de dinosauriërs.

Cenozoïcum

De verhouding van zuurstofisotopen in sedimentlagen uit de laatste 70 miljoen jaar. Deze verhouding is een proxy voor de temperatuur op aarde.

Het Cenozoïcum, de laatste era van het Fanerozoïcum, begon direct na de massa-extinctie aan het einde van het Krijt 65 miljoen jaar geleden. Het klimaat was naar hedendaagse maatstaven vrij warm en veranderde aanvankelijk slechts weinig. In het eerste deel van het Paleogeen warmde het klimaat op om vervolgens naar het Kwartair af te koelen.

Paleogeen tot Kwartair

Rond 50 miljoen jaar geleden werd het klimaat geleidelijk warmer, met het Azolla event en een kortstondige uitschieter rond 55 Ma, op de overgang tussen het Paleoceen naar het Eoceen. Deze snelle en kortstondige opwarming wordt het Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM) genoemd. De grassen ontstonden waardoor grote oppervlakten met graslanden bedekt werden. De klimaatverandering ging samen met een stijging in de biodiversiteit van zoogdieren en de evolutie van grotere en complexere soorten. De klimaatverandering is vermoedelijk veroorzaakt door het vrijkomen van grote hoeveelheden methaan uit gashydraat op de bodem van de zee. Tijdens het Oligoceen was het iets koeler geworden met ijskappen op de polen. In de bossen ontstonden grotere open plekken met grasland waarop grote grazers graasden.

De gemiddelde temperatuur op aarde lag tegen het eind van deze periode iets boven het hedendaagse niveau. Tijdens het Mioceen warmde het klimaat aanvankelijk op om halverwege deze periode weer af te koelen. Een meteorietinslag, waarbij de Nördlinger Rieskrater in het tegenwoordige zuiden van Duitsland gevormd werd, is hiervan de vermoedelijke oorzaak geweest. Door de afkoeling werd het aardse klimaat ook droger.

Tijdens het Plioceen werden klimaten wereldwijd droger en ongeveer 3 °C koeler. Het klimaat was daarmee nog iets warmer dan het huidige klimaat. Het zeeniveau daalde naar het einde van deze periode met ongeveer 50 meter doordat de ijskappen aan de polen aangroeiden.

Pleistoceen

Ruim 2,5 miljoen jaar geleden brak aan het begin van het Kwartair het Pleistoceen aan, een ijstijd waarin koude glacialen en warmere interglacialen elkaar begonnen af te wisselen. Inmiddels hebben zich ongeveer vijftig van zulke grotere en kleinere ijstijden voorgedaan. De laatste 1 miljoen jaar waren er ongeveer tien grotere interglacialen tussen de glacialen in.

Verandering van de isotoopconcentraties van zuurstof-18 in sediment. Deze wijst op een periodieke zeeniveau- en temperatuurdaling in de afgelopen 5,5 miljoen jaar.

Veel water was tijdens het laatste glaciaal als sneeuw en ijs op de poolkappen en in gletsjers gebonden. De zeespiegel lag 120 meter lager dan nu, de kustlijn van de Noordzee bevond zich enkele honderden kilometers noordwaarts en het deel tussen Noord-Nederland en Groot-Brittannië lag boven water. Mammoeten en andere dieren trokken over deze drooggevallen vlakte. Er lagen ook menselijke nederzettingen over het hele gebied verspreid.

De periodieke omslag van koude glacialen naar warmere interglacialen is volgens sommige evolutiebiologen van cruciaal belang geweest voor de ontwikkeling van de hersenen van Hominiden als de neanderthaler en de mens. Het Pleistoceen eindigde met de Jonge Dryas.

Holoceen

Het Holoceen is het huidige interglaciaal, dat 11.700 jaar geleden begon, met een klimaat zoals dat de afgelopen 10.000 jaar geheerst heeft. Het is niet helemaal duidelijk wanneer het huidige interglaciaal afloopt.

temperatuurveranderingen in China over de afgelopen 18.000 jaar.
Let op: De temperatuuras staat ondersteboven.

 opwarming

 afkoeling

Volgens sommige onderzoekers was er tussen 7.000 en 3.000 jaar geleden een klimatologisch temperatuuroptimum en hebben de landbouwactiviteiten die de mens ontplooid heeft de laatste 2.000 jaar invloed gehad op het klimaat op aarde. Over de effecten van de uitstoot van broeikasgassen op het klimaat bestaat in wetenschappelijke kringen brede overeenstemming. Wat de invloed van de mens op de verdere ontwikkelingen zal zijn is onderwerp van onderzoek en discussie (zie onder).