PALEOKLIMATOLOGIE
3 KLIMATEN VAN HET PALEOZOÏCUM
Dit is het derde hoofdstuk van de sectie paleoklimatologie. Heeft u het eerste hoofdstuk nog niet doorgenomen, dan adviseren wij u eerst de inleiding door te nemen. De hoofdstukken van de sectie paleoklimatologie zijn:
1 Inleiding,
2 Het ontstaan van de atmosfeer en de klimaten van het Precambrium,
3 Klimaten van het Paleozoïcum (Cambrium t/m Perm), (dit hoofdstuk),
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.
INLEIDING
Deze era loopt van 540 tot 250 miljoen jaar geleden. Het Paleozoïcum is kenmerkend voor de stormachtige ontwikkeling van het leven op aarde. Eerst in zee, maar vanaf het Siluur (mogelijk al in het Ordovicium) gaat het leven ook land. Planten en dieren trokken vrijwel gelijktijdig het land op. Het is de tijd waarin de reptielen zich ontwikkelen, maar waar ook in ons land de kolenlagen ontstaan uit een tropisch moerasbos en later dikke lagen steenzout gevormd worden. Ons land lag in de omgeving van de evenaar en het was altijd warm tot zeer warm.
Uit het Paleozoïcum zijn ons twee grote ijstijden bekend, vooral in de omgeving van de Zuidpool.
CAMBRIUM
Het Cambrium loopt van 540 tot 490 miljoen jaar geleden en het is de tijd dat het leven op aarde een stevige impuls kreeg. Machtige riffen strekten zich uit in de ondiepe continentale zeeën langs de equator. Dergelijke kalkriffen zijn een indicator voor warme klimaten en we vinden deze tegenwoordig ook vaak terug als dolomiet, een gesteente vorm ontstaan uit kalksteen. Daarnaast vinden we in de ondiepe tropische equatoriale zeeën vele en een grote diversiteit aan trilobieten (een kreeftachtige).
Een andere indicator zijn evaporieten. Computer simulaties laten zien dat er koude zeestromingen van de noordpool zuidwaarts liepen. Vaak lopen luchtstromingen daarmee samen en dat kan een aanwijzing zijn dat de zeestromingen ook droge polaire lucht meevoerden. Continenten benoorden de evenaar waren doorgaans droog. Deze aanwijzingen zien we terug in de Red-beds van de vroege continenten.
De aanwijzingen voor klimaten in het Cambrium zijn nog schaars, maar er lagen continenten rond de Zuidpool en het ontbreken van sporen van ijstijden kan erop wijzen dat het klimaat wereldwijd toch aan de warme kant geweest kan zijn.
Het zuurstof gehalte in de atmosfeer bedroeg in het Cambrium ongeveer 18% en bleef tot het Carboon vrijwel constant.
Wereldkaart met continenten en klimaatgordels (www.scotese.com); Toegevoegd zeestromingen. Disclaimer.
ORDOVICIUM
In het Ordovicium (490-440 miljoen jaar) was het klimaat aanvankelijk waarschijnlijk mild en vochtig. Toch zien we langzamerhand een wijziging optreden. Op de zuidelijke continenten begon zich een ijskap op te bouwen. Dit resulteerde in een wereldwijd koud klimaat. Uiteindelijk werden grote delen van Afrika en Zuid Amerika, continenten welke deel uitmaakten van Gondwana, bedekt met een flinke ijskap. Toch was lag aan het begin van het Ordovicium het gehalte koolwaterstoffen 17 keer hoger als tegenwoordig het geval is, en tijdens de ijstijd nog altijd ruim 15 keer. Maar de zonnekracht lag een stuk lager op ongeveer 98% van de huidige waarde.
 |
Links: IJskap in het Ordovicien
Rechts: Sporen van deze ijstijd in de Sahara. Dit is een esker; een door smeltwater onder een ijskap gevormde rug van puin. Het smeltpuin is in de bedding van de waterstroom onder het ijs blijven liggen. Deze esker is 50 km lang. |
 |
Door de ijskap daalde het zeewaterniveau met 200 tot 300 meter en kwamen de ondiepe continentale zeeën droog te liggen. Ook in de tropische regio's. Daardoor kon het rijke zeeleven, afhankelijk van ondiepe warme wateren, zich niet handhaven en begon ook een grote extinctie golf. Deze extinctie werd nog eens extra geholpen door een drastische daling van de zeewatertemperaturen in grote gebieden op aarde. Ongeveer 1/3 van de soorten stierf uit tijdens deze ijstijd. Deze ijstijd wordt het Ordovicien genoemd.
Toch is het niet allemaal kommer en kwel, want tijdens het Ordovicium ontstonden in de (sub)tropische vochtige klimaten ook de eerste primitieve landplanten.
SILUUR EN DEVOON
De ijstijd, begonnen in het Ordovicium, liep in het Siluur (440-420 miljoen jaar) weer snel ten einde. Maar op het zuidelijk halfrond was het toch overwegend gematigd koud en restanten van ijskap, vooral in de hogere streken, konden zich nog lang handhaven. De oceaan tussen Laurentië (Noord Amerika) en de Baltische plaat is ondertussen gesloten. Door de botsing van beide continentale platen ontstond hier een hooggebergte.
Wereldkaart met continenten en klimaatgordels (www.scotese.com); Toegevoegd zeestromingen. Disclaimer.
Gedurende het Devoon (420-350 miljoen jaar) kende de aarde nog steeds uitgesproken klimaatgordels. Rond de zuidpool was het gematigd koud met in de hooggebergten gletsjers, maar rond de evenaar heersten over het algemeen droge woestijn condities. Er zijn ook aanwijzingen dat de kuststreken van de continenten rond de Pleionische Oceaan een warm en vochtig klimaat gekend kunnen hebben.
Benelux/West Europa
Op de bovenstaande kaart kunnen we iets onder het midden de ligging van Noordwest Europa herkennen. Zuid Europa ligt hier nog aan de overzijde van de baai welke ook bekend staat als Rheïsche Oceaan. Ons land lag aan de zuidelijke rand van het continent. In de ondiepe continentale zeeën lagen voor de kust kwamen grote koraalriffen voor. In onder meer de Eifel en de Ardennen komt het Devoon aan het oppervlak en hier kunnen tegenwoordig vele marine fossielen uit het Devoon gevonden worden, zoals trilobieten en koralen. Dit betekent dat het bij ons tropisch warm geweest is.
 |
Gletsjers op het zuidelijke halfrond in het Devoon, West Europese kust in het Devoon |
 |
CARBOON
Met het Carboon (350-290 miljoen jaar) veranderde er veel. Doordat Zuid Europa tegen de Baltische plaat botste verdween een deel van de Proto-Tethys oceaan en ontstond in het Laat Carboon een hooggebergte. De Ardennen zijn hiervan nog een overblijfsel. Er ontstonden zo meerdere hooggebergten doordat alle continenten samenklonterden tot het supercontinent Pangea. Onder normale omstandigheden vinden we op aarde aan de evenaar een oostpassaat, maar door de ligging van Pangea werd de oost-west verbinding boven de continenten afgesloten. Daarbij strekten vele hooggebergten zich uit van noord naar zuid en vormde eveneens een blokkade voor de passaatwinden. Vooral in het late Carboon kwam ook de plantengroei in een stroomversnelling.
Een belangrijke factor (volgens J.F. Geys), er zullen ongetwijfeld meerdere omstandigheden meegespeeld hebben, tot het ontstaan van een ijstijd in het Late Carboon is dat in rap tempo kooldioxide uit de atmosfeer gebruikt werd voor fotosynthese. Een snelle reductie van kooldioxide en een eveneens snelle toename van zuurstof in de atmosfeer tot ongeveer 35%. Een vermindering van broeikasgassen, met 1,2 keer de huidige waarde zeker niet hoog voor die tijd bij een zonnekracht die nog 1,5% lager was dan tegenwoordig, en de al eerder genoemde oorzaken, hadden het tot gevolg dat er drastische klimaatswijzigingen optraden. Dit resulterende in een groot aantal ijstijden op vooral het zuidelijke halfrond met zijn grote continenten. Hadden de tropische zeeën in het Devoon nog gemiddelde jaartemperaturen tot 30°C, in het Carboon zou dit volgens geochemisch onderzoek van Uwe Brand in 1989 in de tropen dalen tot gemiddeld 17°C.
Wereldkaart met continenten en klimaatgordels (www.scotese.com); Toegevoegd zeestromingen. Disclaimer.
Benelux/West Europa
Aanvankelijk lag het Noordzee bekken in het Carboon nog beneden de zeespiegel. Maar tegen het einde van deze periode raakte het gebied ingeklemd tussen een groot bergmassief in het westen en het zuiden en bovendien waren er in het noorden veel hooglanden. Alhoewel ons land nog steeds in de tropen lag werd het klimaat geleidelijk ook een stuk koeler, vochtiger en regenrijk. Door de ligging van de bergen in de Boven Carboon kende het gebied een slechte afwatering. Rivieren uit de bergen zochten zich via het Noordzee bekken een weg naar het noordwesten. Door de slechte afwatering aan de voet van bergketens in het zuiden ontstonden al spoedig vele meren welke snel dichtgroeiden met moerasbossen. Voor verrotting en vertering (afbraak van organisch materiaal) is zuurstof nodig. Maar soms overstroomde het gebied door binnendringend zeewater en werden de moerassen afgedekt met sedimenten. Omdat er vervolgens in de afgedekte moerassen geen zuurstof aanwezig was voor verrotting, konden zich steenkoollagen vormen. Zodra het zeeniveau begon te dalen, begon de cyclus weer opnieuw.
Verschillende onderzoekers proberen de opeenvolgende wisseling tussen kolenlagen en andere marine sedimenten te koppelen aan perioden van koude (ijstijden) en warmte (interglaciaal). Door de ijstijd kon de zeespiegel tot meer dan 200 m dalen. Maar er schijnt toch nog geen relatie gevonden te zijn tussen stijging van de zeespiegel ten gevolge van warmere interglaciale perioden. De ouderdom van de verschillende steenkoollagen stemmen niet overeen met de ouderdom van glaciale perioden, tijden met lage zeespiegels. Rijzen en dalen van de zeespiegel kan in onze regio ook samenhangen met tektonische activiteit ten gevolge van continentale bewegingen waarbij de hooggebergten ontstonden.
In Nederland vinden we de voor mijnbouw winbare kolenlagen in Zuid Limburg (maar de mijnen zijn tegenwoordig gesloten) en verder in de diepe ondergrond van de Achterhoek.
 |
IJskap op het zuidelijke halfrond gedurende de Permo-Carbonische ijstijden,
Tropisch moerasbos uit het Carboon. |
 |
PERM
De continenten bewogen zich in het Perm (290-230 miljoen jaar) langzaam noordwaarts, maar dat veranderde nog niet veel aan het circulatiepatroon van zeestromingen. Dit hield in dat gedurende het Perm de wereld in de stevige greep bleef van de ijstijd welke in het Carboon begonnen was. De ijskap op het zuidelijke halfrond strekte zich uit tot bijna 30°ZB en het poolklimaat ging daar vrijwel direct over in droog warm woestijn klimaat. Waarschijnlijk ontbrak zelfs de gematigd warme en subtropische klimaatzone. Pas in het Boven Perm, toen het water wereldwijd voldoende afgekoeld was en het ijstijd op z'n strengst was, ontstond ook in de noordelijke oceanen zeeijs. Dit kunnen we afleiden aan de tillieten welke gevonden worden. Er zijn ook aanwijzingen dat de noordelijke rand van het Pangea continent tegen die tijd vergletsjerde en de permavorst (permanent bevroren bodem) mogelijk tot op 45 tot 50°NB reikte.
Moerasbossen bleven zich concentreren in een zeer smalle tropische zone rond de evenaar, maar ontstonden sporadisch ook op warm gematigde breedten tijdens warmere interglaciale perioden. Tijdens dezelfde warmere perioden konden zich ook moerassen vormen op hoge breedte. Kolenlagen welke wijzen op veenvorming treffen we aan langs de vroege noordelijk kusten van Pangea. Toch waren de planten niet in staat om de aanhoudende daling van de zuurstof in de atmosfeer een halt toe te roepen. Daarvoor waren er te weinig geschikte klimaatzones op aarde en er was te weinig CO2, ten opzichte van de zonnekracht, in de atmosfeer om de fotosynthese en dus de plantengroei te bevorderen. De binding van zuurstof door oxidatie met ijzerhoudende gesteenten ging onverminderd voort en in de woestijnen waren dan ook veelal rood gekleurd door red-beds, zoals we ook straks zullen zien bij het klimaat van de Benelux in het Perm. Opmerkelijk was dat er daardoor ook een geleidelijke daling van het zuurstofniveau optrad.
GCMs tonen aan door de grote temperatuursverschillen en uitgesproken scherp begrensde klimaatgordels er vooral op zuidelijke breedten flinke stormen en orkanen een gewoon verschijnsel waren. Op de open equatoriale oceanen stond daarin tegen een krachtige oost passaat.
EBM Experimenten laten grote verschillen zien tussen de seizoenen op het Pangea tijdens het Laat Perm, dus na de Permo-Carbonische ijstijd. In het centrale deel van het grote supercontinent op 30°ZB lag volgens een publicatie T. Crowly, W. Hyde en D. Short in 1989 de gemiddelde januari temperatuur (zuidelijke zomer) van 35°C. Dit is dus een gemiddelde van etmaaltemperaturen. De dagelijkse maxima hebben nog een stuk hoger gelegen! Maar in de zuidelijke winter lagen de gemiddelde etmaaltemperaturen rond het vriespunt. Dergelijke variaties kennen we op aarde tegenwoordig alleen nog in Siberië en het uiterste noorden van Canada. Nog meer naar zuiden, op 60°ZB, vinden we etmaalgemiddelden van 20°C in de zomer en in de winter etmaalgemiddelden die ruim 50°C lager liggen. De EBMs laten ons hier wel met een dilemma achter. Gesteld dat de dieren warmte minnend waren, hoe zouden zij zich in dergelijke vijandige klimaten met zulke grote variaties kunnen handhaven?
Nederland in het Perm: In een afgesloten binnenzee
slaat het zout in dikke lagen neer.
(foto van Dode Zee)
Benelux/West Europa
Door de al genoemde noordwaartse beweging van onze regio verlieten we in het Perm de tropische zone aan de evenaar en kwamen terecht in de woestijngordel ten noorden van de evenaar. Het warme regenrijke klimaat maakte plaats voor droogte. De ons omringende gebergten begonnen te eroderen en de rivieren voerden van tijd tot tijd grote hoeveelheden water af. Het erosiemateriaal van de bergen werd daarbij in grote hoeveelheden afgezet in het Noordzee gebied. Onder invloed van vocht en zuurstof ontstonden hier Red-beds. Deze laag rode gesteenten worden ook wel Rotliegendes genoemd; wat zo genoemd wordt omdat dit later de vloer of bodem vormde van de Zechsteinzee, waarop zich evaporieten afzetten.
Vanaf het Midden Perm begonnen de ijskappen te smelten en liep de Permo-Carbonische ijstijd ten einde. De zeespiegel begon te rijzen en het Noordzee gebied liep onder water. Maar nog steeds was de waterhuishouding nog niet in orde. Onze regio stond slechts met een smalle zeearm in verbinding met de oceanen en deze werd van tijd tot tijd afgesloten. Zout zeewater kon er wel in, maar er niet meer uit. Door verdamping in de tropenwarmte werd het zeewater in de Zechsteinzee steeds zouter tot het begon neer te slaan als steenzout.
Onze regio lag op omstreeks 30°NB en er was meer omringend zeewater. De al genoemde EBMs laten voor West Europa een milder klimaat zien. Tijdens de noordelijke zomer lag in juli het etmaalgemiddelde bij ons rond de 25°C en in de winter op 20°C.
OM OVER NA TE DENKEN
Begrippen
| Baltische plaat, Esker, Cambrium, Carboon, Dolomiet, Gondwana, Interglaciaal, |
Laurentië, Ordovicium, Ordovicien, Paleozoïcum, Pangea, Perm, Permavorst, |
Permo-Carbonische ijstijd, Pleionische Oceaan, Rheïsche Oceaan, Rotliegendes, Siluur, Trilobieten, Zechsteinzee. |
Vragen
1 Wat zouden volgens u de oorzaken kunnen zijn van het overwegend warme klimaat in het Cambrium?
2 Het kooldioxide en het zuurstof gehalte in atmosfeer varieerde in het Carboon en Perm zeer sterk. Door fotosynthese werd er juist in het Carboon veel kooldioxide aan de atmosfeer onttrokken. Minder kooldioxide betekende uiteindelijk een daling van de temperatuur en het inzetten van een ijstijd. Maar waarom daalde ook het zuurstofgehalte in de atmosfeer? Licht uw antwoord toe.
3 Verklaar waarom kolenlagen zo rijk zijn aan koolstofverbindingen.
4 Zou erosie van gesteenten ook kunnen bijdragen aan verhoging van CO2 in de atmosfeer? Motiveer waarom wel of niet?
5 Uiteindelijk ging de Permo-Carbonische ijstijd gepaard met de grootste extinctie uit de aardgeschiedenis. Maar liefst meer dan 90% van alle soorten stierf uit. Geef een verklaring voor de mogelijke oorzaken van deze extinctie op basis van de bovenstaande gegevens en gegevens uit vorige hoofdstukken. Zijn er volgens u ook andere, niet besproken, oorzaken aan te wijzen en welke zouden dat kunnen zijn?