Tipping Point Ahead in de klas

Over een week – na het broodnodige snorkelen, hiken en fietsen hier in Townsville, Australië – vaar ik weg met het wetenschappelijke boorschip JOIDES Resolution. Die boot zal gedurende twee maanden op de Tasmanzee rondvaren om daar honderden meters diepe gaten in de zeebodem te boren. Niet op zoek naar olie of gas, maar om boorkernen met oeroude zeebodem naar boven te halen.

Wat voor nuttigs kunnen we dan met bakken vol zeebodemmodder? Lijkt me een terechte vraag. De zeebodem is ons belangrijkste archief van de geschiedenis van de aarde en haar klimaat. Maar eerst even een uitstapje: waarom zou het klimaat van het verre verleden ons moeten interesseren? Het gaat toch om wat er nu en in de toekomst gebeurt met het klimaat – global warming en zo? Belangrijke vragen zoals hoeveel graden warmer ons klimaat wordt als de CO₂-concentratie in de lucht verdubbelt. Dat is zeker waar. Maar om daar iets zinnigs over te kunnen zeggen moeten we het klimaatsysteem erg goed begrijpen, inclusief de snelle en langzame processen die daarin een rol spelen. De aarde is namelijk best wel groot en best wel traag. Om al die langzame processen te begrijpen, gaan onze metingen met thermometers en andere meetapparatuur niet ver genoeg terug. Daarvoor moet je verder het geologisch verleden in, bijvoorbeeld naar periodes met veel meer CO₂ in de atmosfeer, zoals 50 miljoen jaar geleden, toen er nog palmen op Antarctica stonden en krokodillen rond de Noordpool zwommen. Door het maken van klimaatreconstructies van dat soort periodes kunnen we beter begrijpen hoe de warmere toekomst eruit gaat zien.

Zeebodemmodder dus!

Oké, excuses voor dat lange intermezzo, misschien vind ik klimaat van het verleden ook wel iets te leuk. Anyway, die zeebodem als klimaatarchief dus. De zeebodem zou je kunnen zien als een soort boek van de historie van de aarde, waarin de verschillende pagina’s van het boek de opeenvolgende aardlagen op de zeebodem zijn, die laagje na laagje door neerdwarrelende meuk gevormd zijn. Meuk zoals klei en zand, maar ook allerlei piepkleine oceaanbeestjes die na hun dood naar beneden zinken. Je zou dat laagjes-idee kunnen vergelijken met de jaarringen van een boom. Maar dan plat, dus meer zoals spekkoek (wat ook nog eens lekkerder is dan boom). Met elke diepere laag zeebodem kun je verder terug de tijd in ‘kijken’. Maar waar kijken we dan precies naar? Nou, bijvoorbeeld overblijfselen van dinoflagellaten, die de hoofdrol speelden in mijn vorige blog. Of fossieltjes van mini-beestjes die kalkschelpjes maken. En daarnaast zijn niet alleen de fossieltjes interessant, maar kun je ook allerlei chemische eigenschappen van de modder meten. En met behulp van dat hele scala aan fossiele hints maak ik dan samen met collega’s een reconstructie van het klimaat van het verleden, waarbij we dingen als temperatuur, zeeniveau en zuurgraad van de oceaan kunnen bepalen.

Het wetenschappelijke boorschip JOIDES Resolution (boortoren bovenop), waarop ik deze zomer 2 maanden zal verblijven om zeebodemlaagjes uit de Tasmanzee te analyseren. Foto: International Ocean Discovery Program JOIDES Resolution Science Operator (IODP JRSO)

Het boorschip de JOIDES Resolution maakt onderdeel uit van het International Ocean Discovery Program en is eigenlijk een varend laboratorium. Allerlei metingen aan de modder kunnen er direct uitgevoerd worden. Doel op het schip is vooral om er zo snel mogelijk achter te komen hoe oud het materiaal dat we naar boven halen precies is. Daar hebben we wel een globaal idee van, maar precies weten we het pas als we de zeebodemlagen gaan bekijken. Zo kan op basis van die informatie direct de boorstrategie aangepast worden.

Ook leuk: de JOIDES Resolution is vernoemd naar een ander gaaf schip, de HMS Resolution, het schip van Kapitein James Cook. Hij verkende tweehonderd jaar geleden als heldhaftige pionier de Pacifische en Arctische Oceaan – waaronder ook de Tasmanzee!

In mijn komende blogs zal ik uit de doeken doen hoe het eraan toegaat op zo’n boorschip, en hoe het is om heldhaftige werkweken van zeven dagen per week en twaalf uur per dag te maken. I’m going on an adventure!

Hier nog een coole documentaire over de wetenschap en wetenschappers achter een eerdere International Ocean Discovery Program boorexpeditie in 2012:

Dit blog van Margot verscheen eerder op Faces of Science – waar jonge onderzoekers vertellen over hun leven en onderzoek!

Allereerst misschien handig om even uit te leggen dat de dinoflagellaten – of dinootjes zoals mijn collega’s en ik ze liefkozend noemen – geen kleine broertjes van de dinosaurussen zijn. Helaas. Waar in dinosaurus het “dino” deel van de naam van het Griekse deinos afstamt, wat “verschrikkelijk” betekent, slaat het Griekse dinos van de dinoflagellaat op “ronddraaien”. Flagellaten zijn een soort zweepstaartjes; de dinoflagellaat heeft er eentje rondom de taille om zichzelf mee aan te zwengelen, en eentje als roer om mee te sturen.

Het dinootje Alexandrium tamarense, met twee flagellen en pantser. Tekening van dino en dinootje niet op schaal. Illustratie: Margot Cramwinckel

Verschrikkelijke rondwentelende zweepstaartjes

Met behulp van de piepkleine fossieltjes van deze eencelligen, die ik tevoorschijn haal uit miljoenen jaren oude diepzeebodem, reconstrueer ik hoe de oceaan van het verleden er uit zag. Dinoflagellaten bestaan niet alleen als fossiel, maar de huidige oppervlakte-oceaan zit ook vol met deze iets-tussen-een-plantje-en-een-diertje-ins.

Geen dinosaurussen dus. Maar op hun eigen manier stiekem ook best verschrikkelijk. Zo bestaan er onder de dinoflagellaten heuse predatoren die hun prooi harpoeneren maar er zijn er ook meer plantachtige types die met een soort creepy handjes licht opvangen – net als planten met hun (minder creepy) bladeren.

Rode en blauwe zeeën

Verschrikkelijk zijn dinoflagellaten ook omdat ze in grote getalen kunnen voorkomen, waarbij hun pigmenten de zee rood kleuren; dit heet een red tide. Ook aan de Nederlandse kust komt het voor, merkte ik zelf toen ik een paar zomers geleden op Zandvoort was.

Een red tide veroorzaakt door hoge concentratie dinoflagellaten, aan de Zandvoortse kust. Foto: Margot Cramwinckel

Natuurlijk nam ik die dag meteen een beetje rood zeewater mee (in een bellenblaasflesje..) om maandag in het lab onder de microscoop te bekijken. Het watermonster bleek vol te zitten met de dinoflagellaat Noctiluca scintillans. Een heel gaaf ding, want als de zee vol zit met dit dinootje, is die overdag rood maar licht ’s nachts fluorescent blauw op! Waarschijnlijk is dit een verdediging om predatoren af te schrikken, maar het ziet er in ieder geval ook magisch mooi uit.

Magische lichtgevende golven dankzij de dinoflagellaat Noctiluca scintillans of zeevonk. Foto: Kris Williams / Flickr

Dat was dus een leuke red tide, maar er zijn ook nare red tides. Sommige dinootjes produceren namelijk gifstoffen, en het rood kleuren van de zee gaat dan gepaard met een massamoord op ander plankton, vissen, schelpdieren en andere zeebeesten – en ook mensen kunnen via het eten van vergiftigde vis ziek worden of dood gaan. Soms gaat zo’n red tide zelfs gepaard met een heuse exodus van bange kreeften die massaal het strand op snellen, zoals twee jaar geleden voor de kust van Afrika.

De dinootjes van het verleden

OK, dinootjes kunnen dus mooi en verschrikkelijk zijn, maar wat maakt ze nu relevant voor mijn onderzoek naar het klimaat van het verleden? Op een gegeven moment in zijn of haar leven besluit de dinoflagellaat dat het mooi geweest is, en het tijd is om te rusten. Het dinootje bouwt dan een stevige hoes om zichzelf heen en zakt naar de zeebodem. Om daar op een fijn moment weer uit tevoorschijn te komen. Die stevige dino-hoesjes, of dinocysten, zijn de fossieltjes die wij terug vinden in de zeebodem, ook in de oeroude zeebodem.

Daarnaast zijn verschillende soorten dinootjes allemaal aangepast aan een bepaald habitat; sommige dinootjes leven in tropische lagunes, terwijl andere juist dol zijn op zee-ijs. Op deze manier kun je met behulp van de dino-fossieltjes die je tegenkomt een reconstructie maken van de zee van het verleden; was het warm of koud? Lag de kust dichtbij of juist verder weg?

En omdat dinootjes al heel lang geleden geëvolueerd zijn, kunnen we ze ook gebruiken om het klimaat van miljoenen jaren geleden te reconstrueren. Of zelfs van meer dan 66 miljoen jaar geleden, toen de kleine dinootjes de aarde nog deelden met de grote verschrikkelijke dino’s. Hoe dit onderzoek precies in z’n werk gaat hoop ik in mijn upcoming blogs te delen, waarin ik meer vertel over dingen als boorschepen, boorkernen, nog kleinere fossieltjes en het klimaat van het verleden. Daarnaast hoop ik ook een beeld te schetsen van hoe het is om je als PhD-onderzoeker bezig te houden met bovenstaande topics; denk aan maffen op je microscoop, leed in het lab en klooien bij de koffie.

Oh, en mocht je door deze blog superenthousiast zijn geworden over dinootjes (en waarom niet?) dan kan je de lichtgevende variant zelfs als huisdier aanschaffen Geen idee of dat werkt, ik heb er zelf (nog) geen, lijkt me een veel te grote verantwoordelijkheid.

Dit blog van Margot verscheen eerder op Faces of Science – waar jonge onderzoekers vertellen over hun leven en onderzoek!

Groenland heeft zoveel ijs, dat valt bijna niet meer voor te stellen. Wetenschappers hebben wel eens uitgerekend dat als al het ijs dat bovenop Groenland ligt in een keer zou smelten en, hop, de zee instroomt, dan zou de zeespiegel wereldwijd met zeven meter stijgen. Daar kan geen dijkverhoging in Nederland nog tegenop.

Zover is het gelukkig nog niet. Maar wetenschappers hebben nu wel ontdekt dat kleinere ijskappen in Groenland de afgelopen twintig jaar steeds sneller aan het smelten zijn. Het gaat specifiek om ijskappen die dicht bij de kust van Groenland liggen, en niet om de op 1 na grootste ijskap ter wereld in het binnenland – alleen de ijskap in Antarctica is nog groter.

IJskap van Groenland (grijs) met kleinere ijskappen aan de rand (blauw).

Toch zijn ook deze kleinere ijskappen niet te verwaarlozen. Hun totale oppervlakte is in totaal bijna 100.000 vierkante kilometers – dat is zo’n 2,5 keer Nederland!

Smeltwater
Klimaatwetenschapper Brice Noël bij de Universiteit Utrecht – een collega van TPA-onderzoeker Sharon – heeft de natuurkunde van de deze ijskappen op Groenland onderzocht. Ingewikkelde kost, met veel wiskundige formules. Maar wat hij ontdekte was behoorlijk zorgwekkend: de kleinere ijskappen zijn sinds 1997 niet meer in staat om smeltwater vast te houden. Ze smelten daardoor steeds sneller weg. Normaal gesproken zakt smeltwater in de dikke laag van opeengepakte sneeuw die bovenop het ijspakket ligt. In de winter bevriest dit water weer tot ijs, en zo blijft de ijskap ongeveer even groot.

Maar doordat ook in Groenland steeds warmer wordt is de hoeveelheid smeltwater afgelopen jaren toegenomen. De dikke sneeuwlaag raakte rond 1997 helemaal vol met smeltwater en kan sindsdien geen extra water meer vasthouden. Een echt kantelpunt: al het smeltwater dat nu ontstaat, stroomt direct als water naar de zee. De ijskappen smelten zo steeds sneller – en het valt ook niet meer om te draaien, denkt Brice.

En hoe zit het dan met die enorme ijskap in het binnenland? Brice vertelt:

“Het overgrote deel van de grote ijskap in het binnenland ligt veel hoger en ziet er nog wel stabiel uit. Maar ook daar zien we dat ijs op een steeds grotere hoogtes begint te smelten als het warm wordt.”

Dus als er in de toekomst nog meer ijs gaat smelten, moeten onze dijken in de toekomst toch echt een stuk hoger worden…

Wil je nog meer weten over het onderzoek van Brice? De wetenschappers hebben deze Engelse website over hun resultaten gemaakt, inclusief filmpjes.

—

Foto: Mark Garten, UN Photo / Flickr

Het Amazoneregenwoud telt meer dan 800 miljoen voetbalvelden aan bos, en is daarmee het grootste regenwoud ter aarde. Het is zelfs zo groot, dat wetenschappers denken dat het regenwoud invloed uitoefent op het wereldwijde klimaat.

Maar zelfs dit enorme gebied is gevoelig voor de gevolgen van klimaatverandering. Grote delen van het regenwoud kunnen door een tekort aan neerslag afsterven, zo hebben wetenschappers recentelijk ontdekt. En slecht nieuws: door het opwarmen van de aarde zal de hoeveelheid neerslag in het Amazonegebied afnemen. Dat gebeurt vooral tijdens de droge periode, wanneer het regenwoud juist ieder buitje goed kan gebruiken. Als de droogte aanhoudt, kan zelfs een tipping point worden overschreden: dan sterft een deel van regenwoud helemaal af, en ontstaat er savanne.

Domino-effect

De onderzoekers zagen nog iets opvallends: Als een bepaald gebied regenwoud afsterft door uitdroging, leidt dat tot extra uitdroging in gebieden die verder weg liggen. Dit kan deze gebieden zelfs over het tipping point heen duwen! Op deze wijze creëert uitdroging zo een domino-effect, waardoor zelfs meer dan tien procent van het Amazonegebied het loodje kan leggen, vertelt promovendus Arie Staal van de Wageningen Universiteit, een van de onderzoekers. Om dat nog maar eens in voetbalvelden uit te drukken: dat zijn meer dan 80 miljoen voetbalvelden!

Arie vertelt:

“Het scenario voor toenemende droogte voor deze eeuw gaat uit van een afname van veertig procent vochttoevoer van de oceaan naar het continent in het droge seizoen. Dit is wel een bovengrens van wat we kunnen verwachten. We zien daardoor ook een grote afname van het regenwoud, maar het is ook niet onrealistisch.”

 

Toch maakten de onderzoekers ook nog een positieve ontdekking: als er in een gebied heel veel verschillende planten en bomen groeien, zijn de gevolgen van het domino-effect kleiner. Dus hoe groter de diversiteit van een regenwoud, hoe beter het droogte kan weerstaan. Een extra reden dus om geen tropisch hardhout meer te kappen!

Foto: Dallas Krentzel / Flickr

Duizenden jaren lang hebben zand, stofdeeltjes en plantenrestjes zich in alle rust verzameld op de bodem van het kratermeer Challa dat pal op de grens tussen Tanzania en Kenia ligt. De sedimenten op de bodem van het kratermeer, een restant van een vulkaan die al eeuwenlang niet meer is uitgebarsten, vormt zo een archief van materialen met belangrijke informatie over het klimaat van het verleden. Veel wetenschappers willen ook dan heel graag dit opgestapeld pakket op de bodem verder bestuderen. Maar hoe kom je bij sedimenten die ruim honderd meter diep liggen op de bodem van een kratermeer midden in Afrika?

Eind 2016 trokken de Nederlandse aardwetenschappers Loes van Bree en Francien Peterse, samen met een internationale groep van wetenschappers, op expeditie naar Lake Challa om vanaf een platform midden op het meer de sedimenten uit de bodem op te boren, tot wel tweehonderd meter diep. Vanaf deze drijvende boorinstallatie worden stapsgewijs kernen van het sediment geboord, steeds een stukje dieper, en daarna naar boven getakeld. Na een lange voorbereiding ging het boren in december 2016 echt van start!

Het boorvlot op Challa (foto: Nicolas Waldmann).

Inmiddels zijn de eerste resultaten binnen. Op hun blog schrijven Loes en Francien:

The depth record of 21 meters of core collected in 2006 was broken on Tuesday, when the night shift came home with 30 meters of perfectly laminated sediments. The current depth is 120 meter, which roughly corresponds to the past 120.000 years. The drill has hit a hard layer here, which has presumably formed during a low stand of the lake. A second hole has been started, for which a different drilling technique will be used to penetrate this layer and reach the underlying sediment.

Zo ziet een verse sedimentkern afkomstig uit Lake Challa er uit (foto: Francien Peterse).

Met deze groeiende stapel van kernen hoopt de groep van wetenschappers uiteindelijke nieuwe informatie bij elkaar te puzzelen over de klimaatveranderingen die in deze regio de afgelopen duizenden jaren plaatsvonden. Maar voordat het zover is, zijn nog vele uren werk nodig: eerst moeten de boorkernen terug naar de universiteiten en klaar gemaakt moeten worden voor verder onderzoek.

Het boren naar sedimenten gaat gestaag door, ook tijdens de nachtelijke uren zoals je ook kunt zien op deze timelapse video:

Samen met collega’s van het Paleomagnetisch laboratorium Fort Hoofddijk en een handvol Russische geologen zijn we een week lang langs de oevers van de Belaya rivier getrokken per Jeep en rubberboot, op zoek naar plekken waar we goed konden boren naar gesteentemonsters. Terwijl Nederland die week zuchtte onder een spectaculaire hittegolf hadden wij het geluk om die week te kunnen werken bij temperaturen van zo’n 35 graden Celsius.

De Belaya rivier stroomt noordwaarts vanuit de bergen van de Kaukasus en snijdt dwars door een gesteentepakket dat tientallen miljoenen jaren oud is. In dit pakket zitten ook gesteenten van een veertig miljoen jaar oude zeebodem die zijn afgezet in een periode waarin de aarde langzaam warmer en warmer werd. Deze periode is het onderwerp van mijn promotieonderzoek. Wij willen graag weten hoe warm de oppervlaktemperatuur van de zee toen precies werd en wat de gevolgen waren voor de biologie en chemische samenstelling van het zeewater.

Terwijl wij onze boren in de stenen zetten vlogen regelmatig straaljagers met een rustgevend lawaai boven ons door de lucht. Op iedere boorplek verzamelden we om de tien centimeter een boorkern, wikkelden onze kernen liefdevol in aluminiumfolie en gaven iedere boorkern een label. Op deze manier verzamelden we in totaal zo’n veertig kilo’s aan stenen die wij uiteindelijk per vliegtuig (niet per straaljager) mee terug namen naar Nederland. Na iedere lange dag in het veld keerden we terug naar ons basiskamp in het plaatsje Kamennomostsky waar we konden bijkomen onder het genot van lokaal bier en chechil (gerookte kaas die naar kip smaakt – logisch toch?).

Voor de volgende stappen in het onderzoek zullen de kilo’s aan gesteentemonsters worden onderzocht in het lab. Daar ondergaan de monsters verschillende analyses om te kunnen ontdekken wat er veertig miljoen jaar geleden precies gebeurde. Zo gaan we onder andere kijken naar magnetische mineralen om mogelijke verschuivingen in het magneetveld van de aarde te kunnen vinden. Ook zullen we de chemische samenstelling van de sedimenten bestuderen om te achterhalen wat er met het klimaat in die tijd gebeurde en onderzoeken we microscopisch kleine fossieltjes om te zien hoe zij op de klimaatsverandering in die tijd reageerden.