De prehistorie van klimaatverandering. Toen methaan het weer reguleerde

Dat is altijd al gezegd klimaatverandering is relatief modern, voornamelijk veroorzaakt door grote broeikasgasemissies naar de atmosfeer, zoals methaan en CO2, door mensen sinds de industriële revolutie. Maar wat zou je denken als ik je zou vertellen dat er in de miljarden jaren sinds de vorming van de aarde andere klimaatveranderingen zijn geweest?

De atmosfeer van de aarde is niet altijd dezelfde geweest als nu. Het heeft vele soorten composities meegemaakt. Wat is de voorgeschiedenis van klimaatverandering?

Toen methaan het weer reguleerde

Ongeveer 2.300 miljard jaar geleden bliezen vreemde micro-organismen nieuw leven in de toen "jonge" planeet Aarde. Het gaat over cyanobacteriën. Ze vulden de planeet met lucht. Er wordt echter aangenomen dat lang voor die tijd een andere groep eencellige organismen de planeet bevolkte en deze bewoonbaar had kunnen maken. We hebben het over methanogenen.

Methanogenen zijn eencellige organismen die alleen kunnen overleven onder omstandigheden waarin er is geen zuurstof en ze synthetiseren methaan tijdens hun metabolisme als afvalproduct. Tegenwoordig kunnen we methanogenen alleen vinden op plaatsen zoals de darmen van herkauwers, de bodem van sedimenten en andere plaatsen op de planeet waar zuurstof niet bestaat.

Zoals we weten, is methaan een broeikasgas houdt 23 keer meer warmte vast dan kooldioxide, dus wordt verondersteld dat gedurende de eerste twee miljard jaar van de planeet aarde methanogenen regeerden. Het methaan dat door deze organismen wordt gesynthetiseerd, veroorzaakte een broeikaseffect met enorme gevolgen voor het klimaat van de hele planeet.

Tegenwoordig blijft methaan door de aanwezigheid van zuurstof slechts ongeveer 10 jaar in de atmosfeer aanwezig. Als de atmosfeer van de aarde echter geen zuurstofmoleculen bevat, kan methaan ongeveer 10.000 jaar aanhouden. Op dat moment was het zonlicht niet zo sterk als nu, dus de hoeveelheid straling die het aardoppervlak bereikte en daardoor de planeet opwarmde, was veel minder. Dat is waarom, om de temperatuur van de planeet te verhogen en een bewoonbare omgeving te creëren, methaan was nodig om warmte vast te houden.

Broeikaseffect van een primitieve atmosfeer

Toen de aarde ongeveer 4.600 miljard jaar geleden werd gevormd, gaf de zon een helderheid af die gelijk was aan 70% van wat ze nu doet. Daarom was de atmosfeer vóór de eerste ijstijd (ongeveer 2.300 miljard jaar geleden) volledig afhankelijk van het broeikaseffect.

Specialisten op het gebied van klimaatverandering dachten in ammoniak als het broeikasgas dat warmte vasthield in de primitieve atmosfeer, aangezien dit een krachtig broeikasgas is. Bij afwezigheid van zuurstof uit de lucht vernietigt ultraviolette straling van de zon ammoniak snel, waardoor methaan op dat moment het overheersende gas is.

Aan de bijdrage van warmte in de atmosfeer en het broeikaseffect voegen we ook CO2 toe. Dan, zijn concentratie was veel lager, daarom kan het niet de oorzaak zijn van het broeikaseffect. CO2 kwam alleen op natuurlijke wijze in de atmosfeer terecht, via vulkanen.

De rol van methaan en de mist die de planeet afkoelde

De rol van methaan bij het reguleren van het vroege klimaat begon ongeveer 3.500 miljard jaar geleden, toen methanogenen methaangas in de oceanen synthetiseerden als afvalproduct. Dit gas hield de warmte van de zon vast over een groot deel van het elektromagnetische spectrum. Het liet ook de doorgang van ultraviolette straling toe, dus onder deze factoren toegevoegd aan het bestaande CO2, ze hielden de planeet op een bewoonbare temperatuur.

Methanogenen overleefden beter bij hogere temperaturen. Naarmate de temperatuur toenam, nam ook de waterkringloop toe en werd erosie van rotsen versterkt. Dit proces van erosie van de rotsen, onttrekt CO2 aan de atmosfeer. Zo veel de concentratie methaan en die van CO2 in de atmosfeer werden gelijk.

De chemie van de atmosfeer zorgde ervoor dat methaanmoleculen polymeriseerden (ketens van met elkaar verbonden methaanmoleculen vormden) en complexe koolwaterstoffen vormden. Deze koolwaterstoffen condenseerden tot deeltjes die op grote hoogte ze vormden een oranje mist.  Deze wolk van organisch stof compenseerde het broeikaseffect door zichtbaar licht van invallende zonnestraling te absorberen en terug de ruimte in te zenden. Op deze manier verminderde het de hoeveelheid warmte die het aardoppervlak bereikte en droeg het bij tot de afkoeling van het klimaat en het vertragen van de productie van methaan.

Thermofiele methanogenen

Thermofiele methanogenen zijn die welke overleven in redelijk hoge temperatuurbereiken. Om deze reden konden de thermofiele methanogenen, toen de koolwaterstofmist werd gevormd, naarmate de temperatuur op aarde afkoelde en daalde, dergelijke omstandigheden niet overleven. Met een kouder klimaat en een schadelijke thermofiele methanogeenpopulatie, omstandigheden op de planeet zijn veranderd.

De atmosfeer had de methaanconcentraties alleen zo hoog kunnen houden als methaan zou zijn gegenereerd met snelheden die vergelijkbaar zijn met de huidige. Bij onze industriële activiteiten produceerden methanogenen echter niet zoveel methaan als mensen.

Methanogenen voeden zich in feite met waterstof en CO2, waarbij methaan als afvalproduct wordt geproduceerd. Sommige anderen consumeren acetaat en verschillende andere verbindingen door de anaërobe afbraak van organisch materiaal. Dat is de reden waarom tegenwoordig methanogenen Ze gedijen alleen in de magen van herkauwers, het slib dat ten grondslag ligt aan ondergelopen rijstvelden en andere zuurstofloze omgevingen. Maar aangezien de primitieve atmosfeer zuurstof ontbeerde, werd alle waterstof die door vulkanen werd uitgestoten, opgeslagen in de oceanen en werd het gebruikt door methanogenen, omdat het geen zuurstof tot zijn beschikking had om water te vormen.

Mist van "anti broeikaseffect"

Door deze positieve terugkoppelingscyclus (hogere temperatuur, meer methanogenen, meer methaan, meer warmte, meer temperatuur…) werd de planeet zo'n hete kas dat alleen thermofiele micro-organismen zich konden aanpassen aan deze nieuwe omgeving. Zoals ik al eerder zei, werd er een nevel gevormd uit koolwaterstoffen die de invallende ultraviolette straling afvoeren het weer koel maken. Op deze manier werd de methaanproductie stopgezet en zouden de temperatuur en de atmosferische samenstelling beginnen te stabiliseren.

Als we de mist vergelijken met die van Titan, de grootste satelliet van Saturnus, we zien dat het ook dezelfde karakteristieke oranje kleur heeft die overeenkomt met de dichte laag koolwaterstofdeeltjes, die wordt gevormd wanneer methaan reageert met zonlicht. Die laag koolwaterstoffen maakt het oppervlak van Titan echter op -179 graden Celsius. Deze atmosfeer is kouder dan planeet Aarde in haar hele geschiedenis.

Als de koolwaterstofwolk van de aarde de dichtheid had bereikt die Titan heeft, zou hij genoeg zonlicht hebben afgebogen om het krachtige broeikaseffect van methaan tegen te gaan. Het hele oppervlak van de planeet zou zijn bevroren, waardoor alle methanogenen zouden zijn gedood. Het verschil tussen Titan en de aarde is dat deze maan van Saturnus geen CO2 of water heeft, dus methaan verdampt gemakkelijk.

Het einde van het methaantijdperk

De mist die uit het methaan ontstond, duurde niet eeuwig. Er zijn drie ijstijden sinds het proterozoïcum en methaan kunnen verklaren waarom ze zich hebben voorgedaan.

De eerste ijstijd wordt de Huronische ijstijd genoemd en onder de oudste gesteenten die onder zijn glaciale afzettingen worden gevonden, bevinden zich afval van uraniniet en pyriet, twee mineralen die duiden op een zeer laag zuurstofgehalte in de lucht. Boven de glaciale lagen wordt echter een roodachtige zandsteen waargenomen die hematiet bevat, een mineraal dat wordt gevormd in zuurstofrijke omgevingen. Dit alles wijst erop dat de Huronian ijstijd precies plaatsvond toen het zuurstofniveau in de lucht voor het eerst omhoogschoot.

In deze nieuwe omgeving die steeds rijker werd aan zuurstof, methanogenen en andere anaerobe organismen die ooit de planeet domineerden, verdwenen ze geleidelijk of werden ze steeds meer beperkt tot meer beperkte habitats. In feite zou de methaanconcentratie gelijk of hoger zijn gebleven dan nu, als de zuurstofniveaus lager waren gehouden.

Dit verklaart waarom op aarde, tijdens het proterozoïcum, er waren bijna 1.500 miljard jaar geen ijstijden, ook al was de zon nog vrij zwak. Er is gespeculeerd dat een tweede stijging van de luchtzuurstof, of van opgelost sulfaat, ook ijstijden zou hebben veroorzaakt door het beschermende effect van methaan te verminderen.

Zoals je kunt zien, is de atmosfeer van de aarde niet altijd zo geweest als nu. Het was toevallig verstoken van zuurstof (een molecuul dat we vandaag nodig hebben om te leven) en waar methaan het klimaat regelde en de planeet domineerde. Bovendien is na de ijstijden de zuurstofconcentratie gestegen totdat deze stabiel en gelijk is aan de huidige, terwijl het methaan is teruggebracht tot beperktere plaatsen. Momenteel neemt de concentratie methaan toe als gevolg van emissies door menselijke activiteiten en draagt ​​het bij aan het broeikaseffect en de huidige klimaatverandering.