Onlangs suggereerde paleoklimatoloog William Ruddiman dat de mens al duizenden jaren geleden een significante invloed kan hebben gehad op het klimaat op aarde - door de uitstoot van koolstof en methaan afkomstig van de verbranding van biomassa en ontbossing in verband met vroege landbouw. Het EARLYHUMANIMPACT-project was bedoeld om deze hypothese te verifiëren.

Terwijl de opwarming van de aarde meer bosbranden met zich meebrengt, het tegenovergestelde is ook waar. Bossen slaan ongeveer 30 procent van de koolstof op het aardoppervlak op, en bij elke bosbrand komt niet alleen deze koolstof vrij in de atmosfeer, maar ook andere klimaatbelastende stoffen zoals aerosolen. De impact van deze aerosolen op klimaatverandering, echter, nog niet goed begrepen.

Het EARLYHUMANIMPACT-project bouwt voort op het idee dat het antwoord in de geschiedenisboeken van de aarde zou kunnen liggen. Meer dan 10.000 jaar geleden, menselijke landbouw begon te bloeien ten koste van bossen, en het projectteam is van mening dat antropogene aerosolen die het gevolg zijn van dit proces het wereldwijde klimaatsysteem duizenden jaren hebben kunnen veranderen.

Om dit te verifiëren, Prof Carlo Barbante en andere onderzoekers van de Universiteit van Venetië onderzochten gegevens uit ijs- en merenkernklimaatrecords van zeven continenten en vergeleken deze met parallelle geschiedenissen van vuurregimes. Ze gebruikten een nieuwe techniek voor het bepalen van een specifieke moleculaire marker voor het verbranden van biomassa - bekend als levoglucosan - die vuur in het verleden in ijskernen en meersedimenten kan registreren. Nu het project binnenkort afloopt, Prof Barbante bespreekt het proces en de belangrijkste resultaten van zijn werk.

Waarom heb je ervoor gekozen om je onderzoek te richten op brandreconstructie?

De rol van aërosolen in het klimaatsysteem is nog steeds slecht begrepen en nog minder is bekend over de relatieve rol van biomassaverbranding.

Vuur tast het klimaatsysteem aan door koolstof, die anders in houtige vegetatie zouden worden opgeslagen. Het draagt ​​bij aan de niveaus van verschillende aerosolen en atmosferische gassen in de lucht en is een belangrijke oorzaak van hun variabiliteit door de jaren heen. Het beïnvloedt ook het regionale en mondiale klimaat door de uitstoot van broeikasgassen, voornamelijk koolstofdioxide en methaan.

De afname van de ruimtelijke omvang van bossen die begon rond 7 000 tot 5 000 jaar BP kan verband houden met vroege landbouwactiviteit, inclusief boskap door verbranding, wat een meetbaar signaal zou moeten achterlaten in klimaatproxy's. Onder deze ERC Advanced Grant, we willen essentieel inzicht verschaffen in de wisselwerking tussen klimaat en menselijke activiteit, vooral met de komst van de landbouw, evenals de rol van aërosolen door de tijd.

Hoe verklaart u dat we zo weinig weten over de invloed van aerosolen in het verleden op klimaatverandering?

Antropogene en natuurlijke aerosolen hebben mogelijk het wereldwijde klimaatsysteem gedurende duizenden jaren veranderd, zoals wordt gesuggereerd door de laat-Holocene broeikasgasconcentraties (BKG) te vergelijken met die uit eerdere interglaciale perioden. Nutsvoorzieningen, menselijke activiteiten, waaronder het verbranden van fossiele brandstoffen, veranderen momenteel de samenstelling van de atmosfeer en het wereldwijde klimaatsysteem met snelheden die sneller zijn dan ooit geregistreerd in geologische tijd.

Het probleem is dat, voor de meeste klimaat- en milieuarchieven die paleoklimatologen bestuderen (bijvoorbeeld drie ringen, mariene en terrestrische gegevens), het is moeilijk om de juiste overdrachtsfuncties te vinden die de concentratie van een specifieke marker in het record koppelen aan zijn atmosferisch voorkomen in het verleden. Het is daarom van het grootste belang om naar de samenstelling van de atmosfeer in het verleden te kijken door middel van paleoklimatologische gegevens en geschikte proxy's waarvan de oorzaak/gevolg-relatie bekend is.

Hoe ging u te werk om de hypothese van Ruddiman te verifiëren?

Zijn hypothese is gebaseerd op de waarneming dat de atmosferische kooldioxide- en methaanniveaus ongeveer 7 000 tot 5 000 jaar vóór de huidige dag op hun minima waren, respectievelijk, en nam vervolgens langzaam toe tot de snelle stijging van de broeikasgassen veroorzaakt door de industriële revolutie. De toename van methaan wordt toegeschreven aan de verbranding van biomassa en de rijstteelt in de tropen. De toename van kooldioxide is moeilijker toe te schrijven aan menselijke activiteit, maar Ruddiman stelt dat ontbossing en het verbranden van biomassa een primaire factor kunnen zijn.

IJs- en meerkern-proxyrecords bieden kwantificeerbare gegevens over eerdere brandregimes op alle mogelijke ruimtelijke en temporele schalen. We willen de temporele en ruimtelijke veranderingen kwantificeren in Holocene biomassaverbranding in ijs- en meerkernrecords van zeven continenten die overeenkomen met centra van de oorsprong van de landbouw. Hiervoor hebben we een nieuwe techniek ontwikkeld voor het meten van een wereldwijd aanwezige moleculaire marker van biomassaverbranding (levoglucosan, 1, 6-anhydro-β-D-glucopyranose) in ijskernen en meersedimenten. We hebben deze pyrochemische analyses aangevuld met palynologisch bewijs van de impact van eerdere brandregimes.

Wat zijn tot nu toe de belangrijkste aandachtspunten van het project?

Bijvoorbeeld, recente studies van de Groenlandse ijskap hebben aangetoond dat klimaatveranderingen, waaronder zonnestraling op het noordelijk halfrond in de zomer en temperatuur, van invloed zijn op de boreale vuuractiviteit gedurende millennia.

Onze resultaten over brandreconstructie in het Holoceen laten een belangrijke piek in brandactiviteit 3-2 ka jaar geleden zien. De temperaturen op het noordelijk halfrond en vooral de temperaturen in het zomerseizoen blijven echter stabiel of dalen tussen 3 en 2ka. Daarom, belangrijke klimaatparameters en veranderingen in het milieu alleen kunnen de levoglucosaanstroom die Groenland bereikt tijdens het midden tot laat Holoceen niet verklaren.

Gezien het ontbreken van een plausibele klimaatregeling voor dit patroon, in combinatie met het ontbreken van paleoklimaatbewijs voor enige synchrone wereldwijde klimaatverandering op dit moment, we stellen dat menselijke activiteit in verband met landbouw en landontginning de beste verklaring biedt voor waargenomen trends in brandactiviteit tijdens het late Holoceen. Uitgebreide ontbossing in Europa tussen 2,5 en 2 ka loopt synchroon met de Groenlandse levoglucosan-vuurpiek, waaruit een meetbare vroege menselijke impact op het milieu blijkt die ongeveer 4 000 jaar geleden begon.

Is het je gelukt om onderscheid te maken tussen natuurlijke en antropogene branden?

Dit is zeker een van de meest uitdagende taken van het hele onderzoeksproject en we werken hieraan. De verbanden tussen de verbranding van biomassa en de toegenomen landbouw (en dus de toename van broeikasgassen, waaronder kooldioxide en methaan) en de verlenging van het interglaciaal klimaat zijn alleen geldig als gemeten toenames in verbranding een kwantificeerbare relatie met verhoogde temperatuur aantonen, zoals kan worden gemeten in ijskernen. In aanvulling, meerkernen bevatten noodzakelijk palynologisch bewijs voor door de mens veroorzaakte branden, zoals de antropologische pollenindex, pollenindicatoren van slash-and-burn-teelt, de aanwezigheid van vuurtolerante soorten die wijzen op frequente brandactiviteit, en veranderingen in de instroom van stuifmeel in bomen.

De multi-proxy aard van ijs- en meerkernen maakt ze het perfecte materiaal om de verbanden tussen vroege landbouwactiviteit en klimaatverandering te onderzoeken, als temperatuur, palynologisch bewijs, en levoglucosan worden gemeten vanaf dezelfde diepte en tijd in de omringende matrix.

Wat bent u van plan te doen tot en na het einde van het project?

We concentreren ons eigenlijk op een deel van het project dat oorspronkelijk niet was voorzien bij de uitvoering van het voorstel. Nieuwe organische moleculaire proxy's worden voorgesteld voor de reconstructie van brandgebeurtenissen in combinatie met antropische activiteiten. Namelijk, fecale sterolen en een reeks polycyclische aromatische koolwaterstoffen werden geïndividualiseerd en getest als geschikte moleculaire markers van menselijke aanwezigheid en vuuractiviteit, naast de levoglucosan die we al gebruiken. Dit zijn veelbelovende proxies in paleoklimatologische reconstructies en we willen deze onderzoeksrichting in de nabije toekomst voortzetten. Deze ERC-subsidie ​​was een geweldige kans om een ​​slecht begrepen en vaak verwaarloosd onderdeel van het klimaatsysteem te bestuderen.