College van de maand: De Snowball Earth Hypothese

Hoe onze aarde in een bal van ijs heeft kunnen veranderen.

Introductie.

Een van de grootste onopgeloste paleoklimatologische raadsels is de glaciatie (ijstijdvak) die plaatsvond gedurende het Neoproterozoïcum (1.000-541 miljoen jaar geleden). Oorspronkelijk dachten wetenschappers dat ijskappen en gletsjers in deze tijd voornamelijk de Noord- en Zuidpool bedekten. Aan het eind van de 20e eeuw werd er echter een verrassende ontdekking gedaan; paleomagnetische data van een glaciale afzetting in Australië (de Elatina formatie) onthulde dat de ijskappen zich in de tropen bevonden. Meerdere glaciale afzettingen uit het Neoproterozoïcum lieten soortgelijke paleomagnetische resultaten zien. De meeste glaciale sedimenten zijn afgezet tussen de 0˚ en 10˚ Noorder- en Zuiderbreedte, en boven de 60e˚Breedtegraad zijn geen glaciale afzettingen aangetoond (zie afbeelding 1).

Deze ontdekking zorgde voor veel vraagtekens bij wetenschappers, want hoe kan het dat de tropen - de warmste plek op aarde- bedekt waren met ijs? De meest geaccepteerde verklaring hiervoor is een zogenaamde ‘Snowball Earth’ of Sneeuwbal Aarde, waarin de aarde bijna geheel bedekt is met ijs. Hier is echter ook veel kritiek op en niet alle wetenschappers willen deze hypothese geloven. In dit College van de maand zal ik jullie iets meer vertellen over de hypothese, het bewijs en de vragen die wetenschappers nog hebben over deze hypothese.

Afb. 1. Een overzicht van de gevonden Neoproterozoische glaciale afzettingen. De kleuren geven aan waar de afzettingen volgens paleomagnetische data oorspronkelijk zijn afgezet. Neoproterozoische glaciale afzettingen worden wereldwijd gevonden. Bron: Hoffman & Schrag (2002).

De Snowball Earth hypothese.

Laten we ten eerste beginnen met de Snowball Earth hypothese zelf. Hoe kan het dat de hele aardbol min of meer bevroren raakt? De eerste wetenschapper die deze theorie uitwerkte, was Kirschvink in 1989, waarna vele geologen de hypothese hebben verbeterd en uitgebreid. De hypothese stelt dat alle continenten rond de evenaar lagen en een supercontinent vormden. Chemische verwering van silica gesteente verloopt hier in een hoger tempo door de vochtigheid en de hogere temperaturen, en gedurende deze verwering wordt CO2 uit de atmosfeer gehaald. De CO2 in combinatie met H2O maakt dat silica mineralen met de algemene structuur van SixOx  opengebroken worden waardoor onder andere HCO3- en SiO2 ontstaat. Dit zorgt ervoor dat het gehalte CO2 in de atmosfeer zo erg afneemt, dat de temperatuur flink daalt vanwege een verminderd broeikaseffect.

De temperatuur afname zal daarnaast versterkt worden door een toename van het albedo effect wanneer zich ijskappen vormen en sneeuw het landschap bedekt (albedo= de reflectie van zonlicht door sneeuw en ijskappen). Ook veranderden de luchtstromen waardoor er minder warmte getransporteerd kon worden, wat leidde tot nog meer temperatuur afname. Sommige wetenschappers hebben echter hun twijfels bij deze theorie. Zij denken dat deze albedo-catastrofe nooit gebeurd zou kunnen zijn, omdat deze dan permanent had moeten zijn. Desalniettemin was de ontgassingssnelheid van vulkanen ongeveer gelijk aan de ontgassingssnelheid vandaag de dag, wat ervoor zou zorgen dat er na een paar miljoen jaar weer genoeg CO2 in de atmosfeer zou zijn gekomen om de temperaturen te doen stijgen. Klimaat modellen hebben laten zien dat dit inderdaad het geval had kunnen zijn, en dat de tijdsduur ook overeen komt met de duur van de glaciatie. Een goed overzicht is te zien in afbeelding 2.

Afb. 2. Het Snowball Earth model. Door langdurige temperatuur daling raakt de Aarde langzaam bedekt met ijs. Vervolgens wordt dit versterkt door het toenemende albedo effect. Na een tijdje in een bevroren staat te zijn, zal het CO2 zich verzamelen in de atmosfeer, wat weer voor een versterkt broeikas effect zorgt. Uiteindelijk is dit de reden dat de Aarde relatief snel weer terug veranderd naar de ‘normale staat’. Bron: Pearson Education.

Bewijzen voor een Snowball Earth.

Om de Snowball Earth hypothese te testen, kunnen drie dingen onderzocht worden:

  1. De koolstof isotopen δ13C.
  2. De samenstelling van zogenaamde ‘cap-carbonates’.
  3. IJzerafzettingen.

Ad 1. Koolstof isotopen: δ13C waarden

Ten eerste is het handig om even in het kort uit te leggen wat koolstofwaarden kunnen betekenen in de geologie. Koolstof (C) komt in de atmosfeer voornamelijk voor als CO2. Dit wordt gebruikt door organismen voor fotosynthese en andere biologische processen. Daarnaast komt C in veel verschillende soorten voor, zo is er de radioactieve 14C, 13C en 12C. De meeste biologische processen hebben een voorkeur voor de lichtste isotoop, in dit geval 12C, waardoor 13C het meest in de atmosfeer achterblijft. Geologen gebruiken de ratio tussen 12C en 13C om de δ13C waarde te berekenen (de ‘delta C, berekend als 13C/12C, met de PeeDee Vienna Belemnite als standaard referentie punt).

Maar, wat kan dit toevoegen aan de Snowball Earth hypothese? Tijdens een Snowball Earth veranderen de oceaan stromen en de mate waarin de oceaan gemixt is, neemt af. Hierdoor neemt de δ13C van de oppervlakte wateren toe. De oppervlaktewateren zijn in balans met de 13C rijke atmosfeer, en in een goed gemixte oceaan (een oceaan waar het water continu van het oppervlakte naar de diepte en vice versa wordt getransporteerd) wordt deze 13C gelijkmatig verdeeld. Dit gebeurt nu echter niet waardoor de oppervlaktewateren een hoger 13C gehalte (en δ13C waarde) hebben, en de wateren met een grote diepte een lagere δ13C waarde. Op het moment dat de ijskappen smelten en de oceaan weer terug gaat naar een goed gemixte staat, verdwijnt deze δ13C-anomalie. Dit is inderdaad ook wereldwijd waargenomen in de sedimenten voorafgaand aan de Snowball Earth, en aan de sedimenten na de Snowball Earth. Hierdoor is de δ13C waarde een goed argument voor een Snowball Earth.

Afb. 3. Glaciale afzettingen met grote brokken gesteente (diamictites) met daarbovenop de cap-carbonates (wit gesteente), noordwest Namibië. Bron: Hoffman & Schrag (2002)

Ad 2. Cap-carbonates

Cap-carbonates zijn carbonaat afzettingen die bovenop glaciale afzettingen van de potentiële Snowball Earth periode zijn afgezet (afbeelding 3). De overgang is abrupt, wat wijst op plotselinge klimaatverandering. Daarnaast laten de cap-carbonates een sequentie zien die is afgezet tijdens stijging van de zeespiegel, wat verklaard kan worden door het smelten van landijs.

Cap-carbonates komen verder in de geologische geschiedenis niet voor, wat een goed argument is voor een eenmalige, heftige klimaatverandering zoals een Snowball Earth.

Ad 3. IJzerafzettingen

IJzerafzettingen in de form van FeS2 kwamen veel voor vóór het Grote Oxygenatie Evenement (Great Oxidation Event, 2.4-1.8 miljard jaar geleden, zie het eerdere college van de maand over dit fenomeen) toen er nog geen zuurstof in de atmosfeer en oceanen aanwezig was. In een zuurstofloze oceaan kan Fe2+ opgelost en getransporteerd worden. Vervolgens kan dit ijzer neerslaan door te reageren met zwavel waardoor een FeS2 laag gevormd kan worden.

Naast een zuurstofloze omgeving, moet ook de zwavel precies goed zijn, iets wat tijdens een Snowball Earth optimaal zou zijn als gevolg van minder continentale erosie en minder zwavelaanvoer vanuit rivieren. Het feit dat deze specifieke ijzerafzettingen enkel opnieuw voorkomen gedurende de hypothetische Snowball Earth, is voor veel wetenschappers een goed geologisch argument, gezien de oceanen tijdens een Snowball Earth tijdelijk zuurstofloos zouden worden door de bedekking met een dikke laag ijs.

De hypothese in twijfel gebracht.

Ondanks de globale acceptatie van de Snowball Earth, zijn er nog steeds een aantal onderzoekers die vraagtekens zetten bij de theorie. Zo is er veel bewijs dat er transport heeft plaatsgevonden door middel van ‘glacial flow’, dit is een proces waarbij een langzame verplaatsing van de ijskap plaatsvindt doordat de onderkant van de ijskap een klein beetje gesmolten is. Wetenschappers tegen de Snowball Earth hypothese beweren echter dat de atmosfeer tijdens een Snowball Earth te koud en te droog is om glacial flow te kunnen veroorzaken. Snowball Earth aanhangers beweren aan de andere kant dat door de dikke sneeuwlaag, er genoeg druk ontstaat op de gletsjer om ervoor te zorgen dat er wel een klein laagje water kan vormen wat voor flow zorgt. Daarnaast zijn er ook twijfels die gebaseerd zijn op de chemie van het oceaan water (voornamelijk het element Strontium) en de evolutie van eukaryoten (meercellige organismen). Indien u hier meer over wilt weten, raad ik aan om het artikel van P. Hoffman en D. Schrag (2002) te lezen (Hoffman & Schrag, 2002), of mij een mailtje te sturen.

Verder onderzoek in de toekomst, wellicht dat moderne klimaatmodellen en modernere technieken zullen helpen om het raadsel van de Snowball Earth op te lossen en de theorie te versterken. Tot dan blijft het een lastig fenomeen om te verklaren en zullen onderzoekers het niet altijd met elkaar eens zijn. Echter, dit is precies wat wetenschap zo interessant maakt.

Bronnen.

  • Hoffman, P. F., & Schrag, D. P. (2002). The snowball Earth hypothesis: testing the limits of global change. Terra Nova, 14(3), 129-155. doi: https://doi.org/10.1046/j.1365-3121.2002.00408.x
  • Meer informatie over Snowball Earth is te vinden in verschillende filmpjes op YouTube.