Met Paleoklimaatonderzoekers op expeditie naar de broeikaswereld van de toekomst Appy Sluijs Palaeo-ecologie; Departement Biologie; Universiteit Utrecht Lucas J Lourens Faculteit Geowetenschappen; Universiteit Utrecht

Opzet Het Broeikaseffect - De Koolstofkringloop - de korte koolstofkringloop - de lange koolstofkringloop - Het hitterecord, 55 miljoen jaar geleden

Primaire bepalers mondiaal klimaat - Zon - Broeikasgassen Samen bepalen ze de totale hoeveelheid energie op het aardoppervlak

Broeikaseffect Houdt aardoppervlak warm  niet diepbevroren (+31ºC) Broeikasgassen: H2O, CO2, CH4, NOx, O3, VOCs etc. Zon en broeikasgassen bepalen de totale hoeveelheid energie op het aardoppervlak

Broeikaseffect Venus vs Aarde

The Faint Young Sun Paradox

De Aardse Thermostaat

Data SOI and NOAA

Totale hoeveelheid energie neemt toe Zonneactiviteit Constant!

Noordelijke IJs?zee (27-8) National Snow and Ice Data Center

CO2 concentratie laatste millennium: Hockeystick IPCC, 2001

CO2 concentratie door ijstijden Ruddiman, 2001

CO2 concentratie sinds de dinosauriërs 2250? 2100? 1850 Royer et al., 2006; GCA

Vraag: Waarom was CO2 dan zo hoog Vraag: Waarom was CO2 dan zo hoog? De Koolstofkringloop bepaalt hoeveel koolstof (C) zich op welke plaats op aarde bevindt. - de korte koolstofkringloop - de lange koolstofkringloop

De Korte Koolstofkringloop: Fotosynthese en Respiratie Fotosynthese: 6CO2 + 6H2O + zonlicht  C6H12O6 + 6O2 CO2 CO2 O2 O2 CO2 O2 CO2 O2 CO2 O2 C6H12O6

De Korte Koolstofkringloop: Fotosynthese en Respiratie Respiratie: 6CO2 + 6H2O + zonlicht  C6H12O6 + 6O2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2

De Korte Koolstofkringloop: Fotosynthese en Respiratie

Seizoenale vegetatie kringloop Winter Zomer

De jaarlijkse cyclus Data SOI and NOAA

De Korte Koolstofkringloop: Fotosynthese en Respiratie

Vraag: Waarom was CO2 dan zo hoog Vraag: Waarom was CO2 dan zo hoog? De Koolstofkringloop bepaalt hoeveel koolstof (C) zich op welke plaats op aarde bevindt. - de korte koolstofkringloop niet - de lange koolstofkringloop?

De Lange Koolstofkringloop: Opslag van C; langere tijdschalen Als koolstofhoudend materiaal sneller ophoopt dan het in het ecosysteem wordt afgebroken: opslag in sedimenten

De Lange Koolstofkringloop: Opslag van C; langere tijdschalen Veen

De Lange Koolstofkringloop: Opslag van C; langere tijdschalen Steenkool

Photische zone, calcium carbonaat (kalk) productie: 2HCO3- + Ca2+  CaCO3 + CO2 + H2O

Photische zone, calcium carbonaat (kalk) productie: 2HCO3- + Ca2+  CaCO3 + CO2 + H2O

Begraving

Begraving

Waarom zijn HCO3- en Ca2+ nog niet op in de oceaan? Fotische zone, calcium carbonaat (kalk) productie: 2HCO3- + Ca2+  CaCO3 + CO2 + H2O Waarom zijn HCO3- en Ca2+ nog niet op in de oceaan? Blijkbaar ook een bron

Onderliggend mechanisme: Plaattectoniek

Vulkanisme: CO2 afkomstig van gesubduceerde kalk

Silicaatverwering op continenten Kooldioxide Water Koolzuur CaSiO3 + 2H2O + 2CO2  Ca2+ + 2HCO3- + SiO2 + H2O (silicaat gesteente + water + kooldioxide  calcium + bicarbonaat+ silica + water)

Silicaatverwering op continenten Kooldioxide Water Koolzuur CaSiO3 + 2H2O + 2CO2  Ca2+ + 2HCO3- + SiO2 + H2O 2HCO3- + Ca2+  CaCO3 + CO2 + H2O

Silicaatverwering: CO2  HCO3-

De Lange Koolstofkringloop:

De Lange Koolstofkringloop: Opslag van C; langere tijdschalen

De Lange Koolstofkringloop: Opslag van C; langere tijdschalen Fossiele brandstoffen: 5,000 Methaan in hydraatvorm: ~5,000

Vraag: Waarom was CO2 dan zo hoog Vraag: Waarom was CO2 dan zo hoog? De Lange Koolstofkringloop bevond zich in een staat waarbij iets minder C was opgeslagen in gesteenten en iets meer in de oceanen en de atmosfeer

5 minuten ademhalen: case-study naar het hitterecord van 55 miljoen jaar geleden

Klimaatgeschiedenis opgeslagen in sedimenten Micro- fossielen Macro fossielen

CO2 vs temperatuur sinds de dinosauriërs Zachos et al. In prep

Taxodiaceae (Metasequoia)

Taxodiaceae (Metasequoia)

POLEN IJSVRIJ: Zeespiegel ~100m hoger

Zeespiegel zonder ijskappen

Stabiele Koolstof Isotopen 12C: 6 protonen and 6 neutronen (98.89%) 13C: 6 protonen and 7 neutronen (1.11%) 12CO2 13CO2 12CO2 12CO2 12CO2 Planten nemen beter 12C op dan 13C  in biomassa: 12C 99%; 13C 1% verhouding 13C/12C verandert

Stabiele Koolstof Isotopen 12C: 6 protonen and 6 neutronen (98.89%) 13C: 6 protonen and 7 neutronen (1.11%) 13C: hoger  meer 13C lager  meer 12C

Stabiele Koolstof Isotopen: 13C

Paleoceen-Eoceen temperatuursmaximum PETM: 55 miljoen jaar geleden C12!

Paleoceen-Eoceen temperatuursmaximum PETM: 55 miljoen jaar geleden C12!

Koolstof-isotopen shift methaan hydraten

Gashydraten hypothese!!! Eerst een beetje opwarming door CO2 toename (vulkanen) Diepzee warmt op (1000 jaar) Warmte door zeebodem naar CH4 hydraten (2000 jaar) Methaanscheet

Boorkern nabij New York PETM: Boorkern nabij New York Sluijs et al. 2007; Nature

Sluijs et al. 2007; Nature

Kortom: het PETM werd veroorzaakt door een enorme en snelle toename van de CO2 concentratie in de atmosfeer!

Kortom: het PETM werd veroorzaakt door een enorme en snelle toename van de CO2 concentratie in de atmosfeer! schatting PETM C input: 2-7 x 1018 g menselijke C uitstoot (alle fossiele brandstoffen): 5 x 1018 g PETM is een goede analoog voor de toekomst

PETM mondiale opwarming +5 +5 +8 +5 +5 +6-8 +6-8

Hitterecord 23° C Sluijs et al. 2006; Nature

Benthic Foraminifer Extinction event ~40% of calcareous species went extinct Followed by radiations “BIG” K/T boundary: no extinctions!!

Zoogdier evolutie tijdens het PETM Source: Phil Gingerich

Zoogdier evolutie tijdens het PETM

Hitterecord Verzuring 55 miljoen jaar

Photische zone, calcium carbonaat (kalk) productie: 2HCO3- + Ca2+  CaCO3 + CO2 + H2O

Photische zone, calcium carbonaat (kalk) productie: 2HCO3- + Ca2+  CaCO3 + CO2 + H2O

PETM temperatuur : Noordpool Sluijs et al. 2006, Nature

PETM temperatuur : New York Zachos et al. 2006, Geology

PETM temperatuur : New York Sluijs et al., 2007; Nature

PETM temperatuur : Tasmanie Lag naast Antarctica tijdens het PETM Bijl, Sluijs, Schouten et al. unpubl

Klimaatmodellen? Model-data mismatch -5 5 10 15 20 25 30 35 -5 5 10 15 20 25 30 35 Klimaatmodel voor PETM: Pool – evenaar – pool temperatuur 1120 ppm CO2 Mean Annual Surface Temperature (ºC) -80 -40 40 80 Latitude (degrees) Model output Huber and Nof 2006, Palaeo 3.

Klimaatmodellen? Model-data mismatch -5 5 10 15 20 25 30 35 -5 5 10 15 20 25 30 35 Klimaatmodel Pre/post PETM surface temperature PETM temperature Mean Annual Surface Temperature (ºC) -80 -40 40 80 Latitude (degrees) Model output Huber and Nof 2006, Palaeo 3.