Soms vergeten we wel eens hoeveel water er op aarde is: twee derde van de aarde is bedekt met zeeën en oceanen. Dat is zoveel water, dat de temperaturen van oceanen een heel belangrijke rol spelen in het klimaat op aarde. Veranderingen in oceaantemperatuur kunnen zeestromen laten verschuiven, en het oceaanleven is afhankelijk van de juiste temperatuur. Het is een van de redenen waarom Marlow zo graag wil weten hoe warm de zee in het verleden is geweest.

TIPPING POINT?

Wanneer je naar het verleden van de aarde kijkt is de veranderlijkheid van de oceaantemperatuur goed zien. Veertig miljoen jaar geleden werd de zee geleidelijk warmer, gevolgd door een hele plotselinge piek in de temperatuur. Was dat een tipping point? Als we daarachter komen, kan dat helpen om te voorspellen wat er met onze huidige opwarming gaat gebeuren. Kunnen we in de toekomst ook plotselinge versnellingen in de opwarming van de oceanen en onze planeet verwachten?

DINO'S

Maar een thermometer kun je niet terug in de tijd sturen, dus het is niet zo gemakkelijk om de precieze temperatuur van zo’n lange tijd geleden te achterhalen. Onderzoekers zijn aangewezen op andere meetmethodes. Marlow doet dit door heel kleine fossielen te bestuderen. Zo bekijkt zij fossiel plankton, zogenaamde dinoflagellaten, onder de microscoop. De verschillende soorten ‘dino’s’ die ze in aardlagen tegenkomt vertellen haar iets over de omgevingsfactoren in die periode.

Andere eencelligen, zogenaamde Archaea, vormen een ander hulpmiddel. Archaea maken bij verschillende temperaturen een verschillende  verhouding moleculen. Aan de hand van deze fossielen is te beredeneren hoe warm het miljoenen jaren geleden was. Aardwetenschappers zoals Marlow noemen deze beestjes een proxy: iets dat je kunt meten, als plaatsvervanger van iets waar je naar op zoek bent (de temperatuur).

RECONSTRUEREN

Marlow zal in haar onderzoek de fossielen gebruiken om de temperatuur in de periode rond veertig miljoen jaar geleden preciezer te reconstrueren. Was er overal een plotselinge temperatuurpiek, en hoe is die ontstaan? De fossielen haalt Marlow uit sedimentkernen, die ze met een grondboor uit de aarde haalt – bijvoorbeeld in Texas, op haar eerste grote veldwerk. Daar ligt gesteente van de juiste ouderdom relatief dicht aan het oppervlak, zodat ze daar goed bij kan. Veertig miljoen jaar geleden was daar een ondiepe zee. Verder is van die plek is ook nog weinig bekend over de omstandigheden van die tijd, dus dit onderzoek vult een gat in Marlows dataset.

Wat maakt het verschijnsel van thermokast-meren zo interessant?

“Deze smeltmeren ontstaan door het ontdooien van stukken permafrost waar veel ijs voorkomt. Ze zijn onder andere in delen van Alaska en Siberië te vinden. Veel meren zijn zo diep dat hun watertemperatuur boven nul kan blijven. Daardoor is de bodem rondom het meer ook vorstvrij, soms slechts een paar meter, soms tot wel honderd meter. En dat is interessant: als de bodem niet is bevroren, kan plantenmateriaal worden afgebroken waardoor grotere hoeveelheden broeikasgassen vrij kunnen komen.”

Is dat slecht nieuws?

“Permafrost is een snel veranderende omgeving. We weten nog niet hoeveel meer broeikasgassen dit kan opleveren. Maar door klimaatverandering ontstaan er mogelijk wel meer van deze smeltmeren. Dit onderzoek is belangrijk om te weten wat ons te wachten staat.”

Waar kijk je naar in je onderzoek?

“Over het ontstaan en de ontwikkeling van thermokarst-meren weten we nog maar weinig. We willen daarom naar het verleden van deze meren kijken. Daarvoor reizen we naar Siberië en Alaska, en nemen monsters tot een meter diep in de bodems van smeltmeren. Deze sedimenten kunnen we analyseren om het verleden van de meren in kaart te brengen. Ook leveren monsters van de bodem en de omgeving rondom de meren informatie op over de koolstofbalans: als er veel organisch materiaal, en dus koolstof, in de bodem zit, dan vormt dit een potentiële bron voor het vrijkomen van methaan. Daarom werk ik ook samen met andere onderzoekers, zoals Anniek de Jong aan de Radboud Universiteit. Uiteindelijk willen we erachter komen welke rol de meren spelen in het uitstoten van broeikasgassen, en het effect van deze meren op de wereldwijde broeikasgasbalans.”

Hoe belangrijks is dat?

“We weten dat poolgebieden gevoeliger zijn voor klimaatverandering dan andere gebieden. Een wereldwijde temperatuurstijging van een of twee  graden resulteert in een veel grotere temperatuurstijging in het poolgebied. En als het gebied in hetzelfde tempo blijft opwarmen, zouden er meer thermokarst-meren kunnen ontstaan.”

En dat zou een tipping point betekenen?

“Als er inderdaad meer smeltmeren ontstaan, dan is de vraag: worden deze meren een afvoerputje voor koolstof, of juist als een bron van broeikasgas? In het laatste geval zullen de meren zeker bijdragen aan een positieve feedback van steeds meer broeikasgas. Uiteindelijk zou dat, samen met andere factoren, kunnen leiden tot een kantelpunt in het wereldwijde klimaatsysteem. Dat maakt dit onderzoek ook zo interessant: het is heel relevant. Het arctische gebied is zo gevoelig voor veranderingen. En tegelijk vind ik het geweldig om naar zulke afgelegen plaatsen te reizen voor het veldwerk.”

Een grote ijskap ontstaat op land wanneer zomertemperaturen zo laag worden dat sneeuw zelfs tijdens de zomers op het oppervlak blijft liggen en op kan gaan stapelen. In het verre verleden, ongeveer 34 miljoen jaar geleden, is dit bijvoorbeeld op Antarctica gebeurd. Maar wetenschappers zijn er nog niet achter wanneer dit proces op Groenland begon waardoor de ijskap ontstond.

De temperaturen op aarde zijn afhankelijk van de concentratie CO₂ in de atmosfeer. Het is bekend dat zo’n 23 miljoen jaar geleden het CO₂-niveau op de aarde zover was gedaald dat er een ijskap op Groenland zou kunnen groeien. Maar is dit toen al direct begonnen? Andere wetenschappers vermoeden dat de Groenlandse ijskap pas zo’n 5 miljoen jaar geleden is ontstaan.

Kantelpunt

Zodra een ijskap begonnen is te groeien en een bepaald volume heeft bereikt, vormt het een eigen lokaal klimaat waarbij temperaturen nog verder afnemen. Door dit kantelpunt heeft de ijskap dus een zelf-stabiliserend effect gecreëerd. Anders gezegd: het kost vanaf dat moment ook meer moeite om de ijskap weer te laten smelten. Het begrijpen van zulke kantelpunten is belangrijk om er achter te komen hoe gevoelig de ijskap is voor de stijgende CO₂-concentraties van vandaag.

Bewijs

Om hard bewijs te verzamelen die aantonen wanneer de Groenlandse ijskap precies is ontstaan, is Diederik op zoek gegaan naar fossielen in sedimenten op de bodem van de oceanen. Zuurstofisotopen, bewaard gebleven in skeletjes van kleine beestjes op de oceaanbodem, geven wetenschappers informatie over de temperatuur van het water en de hoeveelheid landijs op aarde. Ook is Diederik op zoek gegaan naar directer bewijs van landijs, zoals steentjes die aan de onderkant van een ijsberg blijven plakken, vervolgens honderden kilometers vervoerd worden en dan neerkomen op de zeebodem zodra de ijsberg in warmere wateren terecht komt.

Het onderzoek van Luke richt zich vooral op planten. Welke eigenschappen maken een plant gevoelig voor brand? En in welke samenstelling branden planten het langst door? Om dat goed uit te zoeken, maakt Luke minibrandjes met plantjes op een wattenschijfje doordrenkt met alcohol. “Dat steken we aan, en het vuur verspreidt zich vanzelf. Iedere seconde meten we de temperatuur om te zien hoe intensief de brand is. We wegen de planten aan het begin en het einde. Daarmee bereken je hoeveel koolstof er de lucht in is gegaan.”

TOENDRA

Want dat is het grote probleem met natuurbranden: koolstof dat jarenlang in het plantenmateriaal was opgeslagen, gaat in één keer de lucht in als CO2. Dit geldt vooral voor de toendra waar struikachtige planten als heide staan. Luke: “Planten groeien op die plekken heel langzaam, omdat de gemiddelde temperatuur daar -10° Celsius is. Door die kou gaat ook de afbraak van dood plantenmateriaal heel langzaam. Het duurt dus jaren voordat de CO2 die door een brand vrijkomt weer is opgenomen door planten.”

Klimaatwetenschappers verwachten dat natuurbranden op toendra’s alleen maar vaker voor zullen komen als de temperaturen op aarde blijven stijgen. Luke: “De temperatuurstijging is het grootst in noordelijke gebieden. Door extra droogte ontvlammen planten sneller en worden branden ook intensiever. De hoeveelheid CO2 die door deze natuurbranden in de lucht belandt, kan over de jaren steeds groter worden.” Bovendien zijn de branden lastig te blussen. In 2007 duurde een natuurbrand in Alaska drieënhalve maand, omdat het dode materiaal onder de grond gestaag doorsmeulde.

BRANDGEVOELIGHEID

Luke wil achterhalen wat een plant gevoelig maakt voor brand. Sommige planten branden in combinatie met een andere soort beter dan alleen, blijkt uit zijn labonderzoek. “Mos ontvlamt snel, maar brandt ook snel op. Heide ontvlamt moeilijker, maar als het eenmaal is aangestoken, brandt het veel intensiever. Die twee versterken elkaar.”

Om die bevinding te testen in de praktijk, vertrok Luke naar Schotland. Daar stak hij, samen met andere onderzoekers, een stuk hei in brand. “Dat klinkt gek, maar ze doen dat daar vaker voor natuurbeheer. Wij konden daar dus makkelijk onze experimenten doen.” Luke verdeelde zijn gebied in vieren: bij sommige veldjes haalde hij heideplanten weg, op een ander stuk verwijderde hij het mos en dood plantenmateriaal, en op weer een ander stuk maakte hij de onderlaag wat natter. De intensiteit van het vuur kon hij meten en vergelijken.

DRONE

Op de resultaten is het nog even wachten, maar Luke hoopt met zijn experimenten te weten te komen welke planteigenschappen het best verklaren hoe brand zich verspreidt. In het ideale geval is dan van een afstand te bepalen of een gebied gevaar loopt, door er bijvoorbeeld met een drone overheen te vliegen en eigenschappen van het gebied te scannen. Remote sensing, noemen wetenschappers dat. “Dat vind ik zo leuk aan dit onderzoek: je kunt je goed voorstellen hoe het nuttig kan zijn,” besluit Luke.

Waarom is het zoutgehalte van de oceaan zo belangrijk?

“Het zoutgehalte bepaalt, samen met temperatuur, de dichtheid van zeewater. Verschillen in dichtheid drijven oceaancirculatie aan: als water dicht genoeg is, zinkt het naar beneden. De circulatie die zo ontstaat verplaatst warm en koud water. Door een verandering van het zoutgehalte kan deze circulatie stilvallen, of misschien zelfs omdraaien. Daardoor kan het klimaat abrupt omslaan: een tipping point.”

“Met het opwarmen van de aarde komt er meer smeltwater van ijskappen terecht in de oceanen, en wordt het water daar minder zout. In een ijstijd blijft het zoute water juist achter. Het is belangrijk om zulke gebeurtenissen uit het verleden te kunnen reconstrueren. Je wilt voor de toekomst weten hoe snel een verandering kan optreden.”

Hoe pakken jullie dat aan?

“Om de temperatuur van het verleden te reconstrueren, bestaan al langer slimme methoden. Maar voor het reconstrueren van het zoutgehalte zijn er nog weinig directe methodes ontwikkeld. In ons onderzoek willen Gabriella en ik, samen met collega’s op het NIOZ, uitzoeken of het natriumgehalte in de skeletjes van  foraminiferen een goede proxy is: een meetbaar gegeven dat direct iets zegt over iets dat je niet meer kunt meten – zoals het zoutgehalte.”

Wat zijn foraminiferen?

“Foraminiferen zijn een familie van een heleboel eencellige soorten, en ze bestaan al oneindig lang. Als ze sterven, zinkt het skeletje naar de bodem. Dat maakt ze een goede kandidaat voor een proxy, want ze zijn terug te vinden in heel oude sedimenten. De skeletjes die de diertjes bouwen bestaan uit een bepaald type mineraal, calciet. Soms wordt in die structuur ook een natriumatoom gebouwd. Hoe dat precies zit weten we nog niet, maar uit eerder onderzoek bleek dat er meer natrium in de skeletjes zit als er meer zout in de zee aanwezig is.”

Esmee gaat in het lab onderzoeken of dit voor alle soorten foraminiferen geldt. Deels doet ze dat in het buitenland, op het Caribbean Netherlands Science Institute op St Eustatius. Daar komen namelijk belangrijke soorten voor die gebruikt worden bij reconstructies van het klimaat. Daarnaast gaat Esmee volgend jaar met andere onderzoekers op expeditie op de Rode Zee, om de methode te testen en verbeteren: klopt het dat je aan de hand van die skeletjes het zoutgehalte van het verleden kunt bepalen? Ze gaat daarvoor boren in de zeebodem, en uit de sedimentkernen die ze dan verzamelt zal ze de fossielen van de foraminiferen bestuderen.

Wat maakt het onderzoek zo interessant?

“Het gaat over zo lang geleden, dat kun je je niet voorstellen. Toch is het wel tastbaar: je kunt de sedimentkernen aanraken, en de ‘forams’ goed onder de microscoop bekijken. Ze zien er bovendien prachtig uit. Als ik ze onder de microscoop leg, kijk ik naar een hele andere wereld. Dat heeft iets magisch. Hoe de forams hun skelet bouwen is fantastisch. Ze beginnen met één bolletje en bouwen er steeds een kamertje bij. Het doet me denken aan mensen: ze gebruiken bouwstenen uit kun omgeving om een huis te construeren dat bescherming biedt tegen de buitenwereld.”