Wetenschap
Een holistische kijk op de chemische cyclus van de aarde werpt licht op hoe de planeet bewoonbaar blijft
We weten allemaal dat de aarde speciaal is, maar we realiseren ons misschien niet ten volle hoe goed we het op deze planeet hebben. In tegenstelling tot haar planetaire buren is de aarde al miljarden jaren bewoonbaar gebleven dankzij een ingewikkelde, steeds veranderende dans van elementen.
Een onderzoek door onderzoekers van de Universiteit van Chicago, Rice University en het California Institute of Technology werpt nieuw licht op het delicate evenwicht van biogeochemische cycli die ervoor zorgen dat de aarde gematigd, gehydrateerd en bloeiend blijft.
De cyclus van elementen tussen de oceanen, de atmosfeer en het land speelt een rol bij het stabiel houden van het klimaat, maar is zo complex dat wetenschappers doorgaans delen van het geheel isoleren om te proberen beter inzicht te krijgen in hoe ze werken. Dat blijkt uit een nieuwe studie, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences op 13 maart biedt een andere aanpak.
De onderzoekers bieden in plaats daarvan een breed, vereenvoudigd gezichtspunt, waarbij ze een nieuwe reeks wiskundige hulpmiddelen gebruiken om relaties tussen de verschillende chemische cycli te belichten die voorheen moeilijk te ontdekken waren.
"Onze aanpak biedt een nieuwe manier om de fundamentele bouwstenen van stabiliteit in de chemische componenten van het klimaat op aarde te identificeren - de onderliggende manieren waarop het klimaat over de geologische tijd kan worden gestabiliseerd als gevolg van de beweging van elementen over de oceaan, de atmosfeer en de rotsen. reservoirs", zegt Preston Cosslett Kemeny, een postdoctoraal onderzoeker bij UChicago TC Chamberlain en eerste auteur van het artikel.
"Dit is een elegante, vereenvoudigde manier om over een enorm probleem na te denken, waarbij veel eerder onderzoek naar elementaire cycli wordt georganiseerd in pakketten van chemische reacties die in evenwicht kunnen worden gebracht en begrepen", zegt UChicago Asst. Prof. Clara Blättler, senior auteur van het artikel.
Cycli en klimaat
We gaan er vaak van uit dat de planeet Aarde al honderden miljoenen jaren complex leven ondersteunt. Maar deze stabiliteit was zeker niet gegarandeerd – je hoeft alleen maar naar Mars en Venus te kijken, die uit grofweg dezelfde materialen als de aarde zijn gevormd, maar momenteel niet eens vloeibaar water ondersteunen. Wat is het geheim van de aarde?
Een belangrijk aspect is de chemische cycli. Elementen als koolstof, zwavel en calcium bewegen zich tussen het land, de oceaan en de atmosfeer op een manier die de omstandigheden aan het aardoppervlak gedurende honderden miljoenen jaren relatief stabiel heeft gehouden.
Wetenschappers denken bijvoorbeeld dat de temperatuur op aarde gedeeltelijk in stand wordt gehouden doordat koolstof geleidelijk heen en weer beweegt tussen de oceaan, de atmosfeer en het land. Wanneer koolstofdioxide zich ophoopt in de atmosfeer en het oppervlak verwarmt, zorgt dit ervoor dat gesteenten sneller worden afgebroken, waardoor koolstof in de oceaan terechtkomt en vervolgens in rotsen op de zeebodem. Gedurende miljoenen jaren koelt de planeet geleidelijk weer af, omdat de koolstof uit de atmosfeer wordt gezogen.
Het ontwarren van deze cycli is al tientallen jaren het werk. Het is een uitdaging omdat de cycli miljoenen jaren duren, eindeloos veranderen, over de hele wereld plaatsvinden en voortdurend met elkaar in wisselwerking staan. Het is zo complex dat wetenschappers vaak slechts delen van het hele plaatje onderzoeken, waarbij ze doorgaans een beperkt aantal elementcycli of een kleine subset van hun interacties in ogenschouw nemen. Maar als stukjes van de puzzel ontbreken, moeten onderzoekers aannames doen om de gaten op te vullen.
Kemeny vroeg zich af of deze manier van werken het algemene beeld zou kunnen vertroebelen van hoe biogeochemische interacties aanleiding geven tot planetaire stabiliteit.
Hij deed, samen met Blättler, Mark Torres van Rice University en Woodward Fischer van Caltech, een stap terug. Ze voerden een wiskundige analyse uit waarin ze een breed scala aan chemische reacties in beschouwing namen die belangrijke chemische cycli omvatten, maar specificeerden niet hoe en in welke mate de cycli met elkaar in wisselwerking stonden.
Het resultaat is een raamwerk dat alle grote en kleine combinaties van reacties identificeert die de koolstofcyclus van de aarde in evenwicht brengen en hun onderlinge relaties – iets dat tot nu toe in het veld ontbrak. Op deze manier bekeken kan het klimaat op aarde worden weergegeven door een reeks onderling verbonden chemische vergelijkingen die over bepaalde tijdsperioden in evenwicht moeten zijn.
De auteurs zeggen dat hun werk nuttig is omdat wetenschappers de geschiedenis van de aarde blijven bestuderen en hoe het klimaat in de loop van de tijd is veranderd.
"Stel bijvoorbeeld dat je een hypothese overweegt over waarom het klimaat in het verleden is veranderd, zoals de grote afkoeling van de afgelopen 65 miljoen jaar," zei Kemeny. "Je kunt dit raamwerk nemen en het gebruiken om te zeggen:als het X-proces zou toenemen of afnemen, dan had dit er ook voor moeten zorgen dat Y plaatsvond, of zou het in evenwicht moeten worden gebracht door Z, en dat je rekening moet houden met die uitkomsten - dus met die voorspelling kunnen we op zoek gaan naar bewijs voor de gezamenlijke werking van het hele geochemische systeem."
Andere relaties tussen chemische cycli kunnen zichtbaar worden als je er vanuit vogelperspectief naar kijkt. "Deze analyse identificeerde bijvoorbeeld een nieuwe manier om de koolstofstromen in het oceaan-atmosfeersysteem in evenwicht te brengen en tegelijkertijd zuurstof uit de atmosfeer te accumuleren", aldus Kemeny.
Over het geheel genomen:"We hopen dat het een mooie manier is om alle chemie te helpen begrijpen die betrokken is bij het maken van de aarde tot een veilige plek waar leven zich kan ontwikkelen", zei Blättler.