Nederlands English Home Contact Disclaimer Sitemap Nieuw/New

PALEOKLIMATOLOGIE

1 INLEIDING

Deze sectie wordt aangeboden als een online cursus. Bij deze cursus hoort een schema over de evolutie van de aardatmosfeer. Dit is een 80 Kb groot .pdf bestand en U wordt aangeraden deze bij de hand te houden bij het bestuderen van dit onderdeel. U kunt dit bestand <hier> downloaden.
U wordt aanbevolen deze sectie in onderstaande volgorde door te nemen. Sommige begrippen worden maar één keer uitgelegd en u kunt de stof mogelijk moeilijker begrijpen als u niet bekend bent met de geologie. Voor op- en aanmerkingen en/of verbeteringen houd ik mij aanbevolen. Klik <hier> om uw reactie door te geven.
Aan het eind van elk hoofdstuk staan een aantal vragen en opdrachten over de behandelde materie, vaak in relatie met de geologie en paleontologie. Desgewenst kunt u de vragen/antwoorden van deze zelfstudie ter beoordeling insturen. Per omgaande e-mail krijgt u de antwoorden van het betreffende hoofdstuk toegestuurd. Als u alle opdrachten gemaakt heeft kunt u kosteloos bij ons het certificaat "Meteoploma paleoklimatolgie" aanvragen.
Met het doornemen van deze cursus zult u tot de ontdekking komen dat de evolutie van de atmosfeer en de klimaten op aarde niet los te zien zijn van andere processen op onze planeet. Hoofdstuk 7 geeft een overzicht van excursiedoelen met hoofdzakelijke Nederlandse ontsluitingen en musea waar u kennis kunt maken biotopen en klimaten uit het verleden.

1 Inleiding, (dit hoofdstuk)
2 Het ontstaan van de atmosfeer en de klimaten van het Precambrium,
3 Klimaten van het Paleozoïcum (Cambrium t/m Perm),
4 Klimaten van het Mesozoïcum (Trias t/m Krijt),
5 Klimaten van het Kaenozoïcum (Tertiair en Kwartair) en de toekomst van de atmosfeer,
6 IJstijdtheorieën,
7 Excursiedoelen.

In elk hoofdstuk wordt wijze het algemene wereld klimaat beschreven aan de hand van geologische en paleontologische kenmerken. Waar mogelijk wordt het West-Europese (Benelux) klimaat apart behandeld.

KLIMAATWIJZIGINGEN EN KLIMAATHISTORIE

Het zal u wellicht verbazen, maar de gemiddelde temperatuur op de aarde gedurende de 4,5 miljard jaar van zijn bestaan bedraagt ten minste 22°C. Deze 'hoge stand' is de normale gemiddelde jaartemperatuur. IJstijden zijn perioden van afkoeling en komen maar uiterst zelden voor. IJstijden treden op als de gemiddelde jaarlijkse temperatuur op aarde rond de 12°C ligt. We kunnen stellen dat als de gemiddelde jaarlijkse temperatuur op aarde lager is dan 17°C dat we dan in een koele/koude periode zitten, is deze hoger dan is het warm. De tegenwoordige gemiddelde jaarlijkse temperatuur op aarde bedraagt 15°C en is dus aan de koude kant ten opzichte van de 17°C-grens. De spreiding van de gemiddelde jaarlijkse temperatuur op aarde ligt dus tussen hemelsbreed 12°C en 22°C. Onder ons: De temperatuurstijging welke wordt toegeschreven aan het door de mens veroorzaakte broeikaseffect is niet dramatisch en valt binnen de normale omstandigheden. Maar afhankelijk van het ecosysteem kunnen er wel aanzienlijke veranderen optreden.
Ik zeg niet dat we niet voorzichtig hoeven zijn met onze leefomgeving en door moeten gaan het onnodig vervuilen van de aarde in welke vorm dan ook.
Ook een snelle stijging of daling van gemiddelde jaartemperaturen zijn niet bijzonder en is zonder invloed van de mens al vaker voorgekomen. Een van de laatste ijstijden begon zelfs binnen een jaar. Het ene jaar nog een prachtige zomer en het volgende jaar smolt de in de winter gevallen sneeuw al niet meer weg! Het klimaat op aarde is altijd aan verandering onderhevig en is nimmer stabiel. IJstijden komen en gaan. Ja, er zijn zelfs tijden in de aardhistorie aan te wijzen dat het zelfs op de poolstreken het hele jaar door aangenaam strandweer geweest is en dat is eerder regel dan uitzondering!
Hoe komen we aan deze wijsheid? Deze kennis hebben we verkregen door onderzoek te doen aan gesteenten en het bestuderen van fossielen door geologen, paleontologen en paleoklimatologen. De studie welke de klimaatgeschiedenis van de aarde bestudeerd noemen we "Paleoklimatologie".
Klimaatswijzigingen hebben vele oorzaken. Daarnaast zijn er vele indicatoren die ons iets kunnen zeggen over het verleden klimaat of zelfs het weer op bepaalde momenten. Enkele (zonder compleet te kunnen zijn) noemen we hieronder:

De straling van de zon
Onze zon is de meest nabije ster en bron van alle warmte en licht nodig voor de warmtehuishouding van de aarde. Maar de zonnestraling is niet zo constant als het lijkt. Een kleine variatie kan al leiden tot een nieuwe ijstijd of tropische warmte tot op de poolstreken. Een rustige zon met weinig zonneactiviteit resulteert doorgaans in afkoeling van het wereldklimaat, terwijl een actieve zon garant staat voor relatief warmere klimaten.
Ook wanneer er zich tussen zon en aarde veel kosmisch stof bevindt, kan de zonnestraling worden getemperd en kan er daardoor op aarde afkoeling optreden.
Er is nog een tweede factor welke meespeelt en dat is de zonneconstante. Hieronder wordt verstaan de hoeveelheid straling van de zon die loodrecht op het aardoppervlak valt en die nodig is om 1 gram water verdeeld over een oppervlak van 1 cm2 gedurende 1 minuut 2°C in temperatuur te laten stijgen.
We noemen deze waarde constant omdat deze nauwelijks varieert. Maar dat is slechts schijn. De zon evolueert ook en bij het begin van zijn ontstaan bedroeg de waarde van de zonneconstante 70% van tegenwoordig. Het is daarom beter om in in deze sectie verder te spreken over zonnekracht. Heel gelijkmatig is de energie productie toegenomen tot de huidige waarde en in de verre toekomst zal de zon feller schijnen dan tegenwoordig. De lagere energie productie van de zon in het verleden betekent dat er bijvoorbeeld meer kooldioxide in de atmosfeer nodig was om de temperatuur op aarde op pijl te houden. Dit zien we ook terug in het temperatuurverloop op aarde. Ondanks dat het koolwaterstof gehalte (gemiddeld) gedurende de aardhistorie bleef dalen, nam de intensiteit van de zonnekracht toe. Toch hadden beide effecten, welke elkaar dus min of meer opheffen, over het geheel genomen weinig invloed de gemiddelde wereld temperatuur op aarde die in ongestoorde omstandigheden rond de 22°C ligt. Tijdens verstoringen, ijstijden bijvoorbeeld, daalt de gemiddelde wereldtemperatuur tijdelijk tot lagere waarden.

Ligging van de continenten
De plaats van de continenten op aarde is bepalend voor de zeestromingen en de wijze waarop de lucht boven het aardoppervlak circuleert. Elke verandering brengt wijzigingen in het klimaatbeeld op aarde. Het filmpje hieronder laat de ligging van de klimaatgordels zien in stappen van 20 miljoen jaar van 560 miljoen jaar geleden tot heden. De wereldkaart ziet er in het verleden anders uit dan tegenwoordig. Continenten zijn voortdurend in beweging en verplaatsen zich met enkele centimeters per jaar over de aarde. Dit wordt ook wel continentale drift genoemd. Boven land is de warmte en koude vaak heviger dan boven de matigende invloed van de zee die in staat is de warmte veel beter vast te houden. Maar in de ondiepe, vaak kustnabije, zeeën is ook veel turbulentie van zeewater. Hierbij wordt ook warmte uitgewisseld tussen atmosfeer en zeewater. Ook de positie van de landmassa is bepalend. Voor het ontstaan van een ijstijd moet er een continent op één van de aardpolen liggen, anders is er onvoldoende afkoeling.

Verdeling van klimaatzones op aarde van 560 milj. jr tot heden

Met continenten kunnen we ook noemen perioden van gebergte vorming en hun positie op aarde. Gebergten ontstaan doorgaans daar waar continenten op elkaar botsen en gesteenten verfrommeld en omhoog gestuwd worden. Het hooggebergte is in staat de windstroming tot op grote hoogte in de atmosfeer te beïnvloeden.
Een ander aspect wat ook samenvalt met continentale drift zijn de vulkanen. Actieve gebergte vorming gaat vaak elders op aarde met grote vulkanische activiteit samen. Actief vulkanisme brengt veel kooldioxide in de atmosfeer en bevorderen op deze wijze wereldwijde opwarming.

Stand van de aardas
De aardas wijst tegenwoordig naar de poolster, maar dat is lang altijd niet het geval. Onze moederplaneet draait als een tol en dat betekent dat de aardas in de loop der tijd een ander punt aan de hemelpool gaat aanwijzen. Ook verandert de hoek welke de aardas maakt in zijn baan om de zon. Deze variaties kunnen ijstijden opwekken. Meer hierover bij het onderwerp ijstijden.

Albedo
De aarde kaatst een groot deel van de ontvangen zonne-energie weer de ruimte in. Dit noemen we het albedo-effect, ook wel weerkaatsend vermogen of reflectie. Maar dat is voor elke bodemgesteldheid anders. Vooral ijsmassa's, maar ook woestijngronden zijn in staat veel zonnestraling te weerkaatsen. Krijgt plantengroei in de woestijn een kans, dan wordt het reflecterend vermogen van de bodem minder. Andersom, wanneer er een ijstijd gaat optreden wordt het albedo juist hoger. De stralingsbalans, het verschil van inkomende en uitgaande straling, wijzigt dan en heeft zijn invloed op het weer en klimaat voor die regio.

Oppervlak Albedo %
bodem 5-10
woestijn 20-45
grasland 16-26
bos 5-20
sneeuw/ijs 40-95
water (bij hoge zonnestand) 3-10
water (bij lage zonnestand) 10-80
NB: 0% geen reflectie; 100% totale reflectie)

Levensvormen
Elke levensvorm leeft in zijn eigen milieu welke daarmee ook het klimaat verraadt waarin het geleefd heeft. Op deze wijze kunnen fossiele levensvormen ons dus ook iets over de klimaatgeschiedenis van de aarde vertellen.
Overal op de wereld komen we machtige kalkmassa's tegen, de fossiele koraalriffen. Koraal- en algenriffen gedijen het beste in warme tropische zeeën. Maar ook op de gematigde koelere breedten worden kalkriffen gebouwd. Het onderscheid tussen de tropische riffen en riffen van gematigde breedten zijn dat de laatste minder omvangrijk zijn.
Veenpakketten kunnen onder gunstige omstandigheden omgevormd worden tot steenkool. Op de tropische zones van aarde gebeurd dat vooral in slecht afwaterende bekkens waarin zich een moerasbos vormt. Maar ook kunnen veenlagen op gematigde breedten ontstaan. Door te bestuderen welke fossiele plant- en dierresten (fossielen zijn versteende resten van levende organismen) er in de steenkoollagen zitten ingesloten, kunnen we iets vertellen over klimaat waarin de kolenlagen gevormd zijn.

Links: Processen welke betrokken zijn bij de vorming van stromatolieten.

 

 

Rechts: fossiele  stromatoliet

Belangrijk zijn ook de stromatolieten. Dit zijn samenlevingsvormen van blauw-groene algen en anaërobe bacteriën. In de algenmat worden deeltjes calcium carbonaat opgevangen en vormen zich organische producten, waardoor de mat in opwaartse richting groeit. De bacteriën breken het organische materiaal weer af en vormen zo de kalklaagjes van de stromatoliet. Stromatolieten kwamen vooral voor tussen 2,5 miljard en 540 miljoen jaar geleden en hadden hun hoogtepunt 800 miljoen jaar geleden.
Soms hebben we geluk en leven er nog nazaten van fossielen. Kijken we bijvoorbeeld naar de krokodil, dan zien we dat deze zijn habitat heeft op plekken waar de koudste maand in het jaar warmer is dan gemiddeld 10°C. Vondsten van krokodilresten zijn dus ook belangrijke klimaatindicatoren.
Stuifmeel en pollen in de aardlagen vertellen ons welke planten er op een bepaalde plek geleefd hebben. Zo kunnen we nagaan of een gebied bebost was, of uit een graslandschap, heide of uit toendragewassen bestonden. Ook pollen leveren zo een bijdrage aan de kennis over het klimaat in het verleden. Maar deze techniek wordt vooral toegepast voor het klimaat van na de laatste ijstijd.
Tot slot nog de groeiringen van bomen. De groei van bomen kan verstoord worden door bijvoorbeeld droogte of juist te veel aan water. Door verschillende groeiringen van meerdere boomstammen in overlap met elkaar te vergelijken kunnen we uitspraken doen over het weer en klimaat in gematigde streken. Deze studie wordt ook wel dendrochronologie genoemd.

Vooral stenen hebben ons iets te vertellen. De omstandigheden waarop zij gevormd zijn of de wijze waarop erosie optrad. Zo zijn zwerfstenen door gletsjers over afstanden van duizenden kilometers her naar een nieuwe plaats gebracht door de stromende ijslagen. Na smelt van het ijs bleven de stenen liggen. De bewegingen van het ijs hebben diepe groeven gekrast op de rotsen en deze zijn vaak ook tot ronde vormen afgesleten. De afbrekende stenen werden als zwerfstenen elders afgezet. Dergelijke afzettingen worden ook wel morenen of tillieten genoemd. Geologen maken onderscheid in tillieten en morenen. Tillieten zijn conglomeraten van grind, en kleileem welke door ijsbergen zijn meegevoerd over water en na het smelten van de ijsberg naar bodem van de zee gezonken zijn.
Soms verraden de sedimenten ook cyclische gebeurtenissen. Er bestaan aardlagen waarin nauwgezet het ritme van eb en vloed gevolgd kan worden. Voor ons zijn belangrijker de cycli waarin we als een boek de gebeurtenissen van seizoenen kunnen aflezen. Met opeenvolgende wisselende lagen zien we het stormseizoen afgewisseld met rustige perioden.
Ook vinden we op aarde dikke lagen steenzout en gips afzettingen. Dergelijke afzettingen worden ook evaporieten genoemd. Deze zijn ook in tropische gebieden ontstaan. Een zeebekken raakt afgesloten van de oceanen en begint te verdampen. Voorwaarde is ook dat er geen grote rivieren uitmonden welke water inbrengen, dat verlaagt immers weer het zoutgehalte. Door indampen begint het gehalte aan zouten te stijgen. Het eerst slaat gips neer, gaat de indamping door dan volgt het natriumzout en als laatste de kalium- en magnesium zouten.

Morenen zijn door gletsjers meegevoerd puin uit de bergen. Links zien we puin als donkere banden in de glestjerstroom liggen. Rechts, het einde van een gletsjer. Het ijs smelt en het puin blijft achter. Red-beds van het Grand Canyon

Dan zijn er nog de "Red-beds". Deze aardlagen zijn gevormd onder woestijn omstandigheden. Voorwaarde zijn een relatief wisselend vochtige bij voorkeur warme atmosfeer (wat anders dan een regenklimaat) onder woestijn condities. Dit betekent dat er geen humusvorming optreedt, en dat is essentieel. Humus neemt ijzer op en gaat de vorming van "Red-beds" tegen. "Red-beds" ontstaan dus op plekken waar het ijzer in de grond de kans krijgt om te oxideren (te verroesten) en het gesteente daarbij rood kleurt. Een mooi tegenwoordig voorbeeld is het Midden Westen van de USA in de omgeving van het Grand Canyon. Oude Red-bedformaties geven dus ook aan welk klimaat er ter plaatse heerste tijdens de vorming.
Bauxiet en Lateriet zijn ook indicatoren voor klimaten in het verleden. Beiden zijn door tropische en vochtige klimaten stevig verweerde gesteenten. Bauxiet is daarbij ontstaan door oxidatie van aluminium en Lateriet van verwering van Red-beds, door ijzer geoxideerde gesteenten.
Door winderosie kunnen bergen ook afslijten. Het gevormde zand wordt dan elders weer afgezet tot zandsteenformaties. Zij verraden een licht vochtig tot droog, over het algemeen warm (maar toch grote dagelijkse temperatuursschommelingen) en winderig klimaat.
Verder komen we ook machtige ijzerformaties tegen. Formeel geen sediment, maar noem ik het hier toch even. Deze ijzerformaties (hematiet) geven inzicht in de samenstelling van de atmosfeer en de hydrosfeer (de waterlaag van de aarde) van de vroege aarde. Zodra er fotosynthese tot stand kwam, werd als restproduct zuurstof geproduceerd. Deze zuurstof reageerde direct in het water met de aanwezige vrije ionen en in het bijzonder met de in het water opgeloste ijzer. Het pas gevormde zuurstof werd daardoor direct weer gebonden en de ijzerverbindingen bezonken daarbij naar de zeebodem. Omdat er verder geen zuurstof aanwezig was om de ijzerverbindingen te laten oxideren (verroesten) waren zij stabiel en konden zo dikke pakketen vormen. Deze ijzerlagen (welke ook wel Banded Irion Formations (BIF) genoemd worden) geven dus aan dat de atmosfeer reducerend was.

Computermodellen
Natuurlijk zijn computermodellen geen indicatoren van ons verleden klimaat, maar we kunnen ze wel inzetten om te kijken hoe het klimaat eruit gezien heeft. Op dezelfde wijze als we kunnen proberen te achterhalen wat de gevolgen zijn voor het klimaat in de 21ste eeuw ten gevolge van toename van kooldioxide in de atmosfeer, kunnen we ook terug rekenen in de tijd. Alle kennis welke we hebben over land- en zeeverdeling, de positie van continenten, hoogte van gebergten en diepte van oceanen, interactie tussen land/zee en de atmosfeer, vulkanisme, de biosfeer, stralingsbalans van de aarde en natuurlijk de kennis van warmtetransport, verdeling van luchtvochtigheid en neerslag in de atmosfeer kunnen we in het model stoppen. De uitkomsten kunnen we weer toetsen aan de fossielen welke we vinden. Dergelijke modellen worden ook wel GCM (Global Circulation Models) genoemd. Vaak zijn deze modellen afgeleid van onze huidige computermodellen om weersverwachtingen te maken. De modellen voor de stralingsbalans op aarde heten ook wel EBM (Energy Balans Models). In deze cursus zullen we deze modellen regelmatig aanhalen.

OM OVER NA TE DENKEN

Begrippen

Albedo
Banded Iron Formation (BIF)
Bauxiet
Continentale drift
Dendrochronologie
Evaporieten
Energy Balans Models (EBM)
Fossielen
Indamping
Gips
Global Circulation Models (GCM)
Hydrosfeer
Koraalriffen
Lateriet
Morenen
Paleoklimatologie
Red-bed
Reducerende atmosfeer
Steenkool
Steenzout
Stralingsbalans
Stromatolieten
Tillieten
Winderosie
IJstijd
Zonneactiviteit
Zonneconstante

Vragen
1 Welke klimaatgordels met welke eigenschappen zijn wereldwijd te onderscheiden, als we op verschillende plaatsen op de aarde in een bepaalde laag van gelijke ouderdom bauxiet,  tillieten, steenkolen, red-beds en evaporieten aantreffen?

2 Wat zou het effect op de zeespiegel zijn als er een ijstijd optreedt? Kunt u motiveren waarom?

3 Gesteld dat voor de wijziging van het klimaat op de Zuidpool maar twee voorwaarden gelden:
-a Er moet een continent aanwezig zijn,
-b Er moeten variaties optreden in de zonneactiviteit.
Kunt u dan uitleggen wat verschil is met betrekking tot de zonneactiviteit en het klimaat op de Zuidpool tussen het kaartje links en rechts? (PS: Wit zijn de gletsjers)

4 Als het albedo van de aarde groter wordt, zou het dan kouder of warmer worden op aarde? Kunt u dat verklaren?

5 Moet de stralingsbalans op aarde in evenwicht zijn? Waarom wel of juist niet?