Klimaatverandering is misschien wel de meest urgente kwestie van onze tijd, zowel politiek als in termen van het leven op aarde. Het besef groeit dat het mondiale klimaat een zaak is van publieke actie.

Voor 11, 500 jaar, atmosferische kooldioxide (CO ₂ ) concentraties schommelden rond de 280 ppm (het pre-industriële "normaal"), met een gemiddelde oppervlaktetemperatuur van rond de 15°C. Sinds de industriële revolutie, dit niveau stijgt voortdurend, bereikt 410 ppm in 2018. De geowetenschappen, met hun focus op tijdschalen tot miljarden jaren, zijn uniek toegerust om extreem duidelijk te maken hoe abrupt industriële samenlevingen zijn veranderd en het klimaat op aarde veranderen.

Klimaat, broeikasgassen, CO ₂ en koolstofputten

De belangrijkste motor van het klimaat op aarde is de zon. Onze ster levert een gemiddeld oppervlaktevermogen van 342 W/m ² per jaar (ongeveer dat van een haardroger voor elke vierkante meter van de planeet). De aarde absorbeert ongeveer 70% hiervan en reflecteert de rest. Als dit het enige klimaatmechanisme was, de gemiddelde temperatuur zou -15°C zijn (onder het vriespunt van water, 0°C). Het leven zou waarschijnlijk onmogelijk zijn. Gelukkig, een deel van de geabsorbeerde energie wordt opnieuw uitgezonden als infraroodstraling, die, in tegenstelling tot zichtbaar licht, interageert met de broeikasgassen (BKG's) die in de atmosfeer aanwezig zijn om warmte terug naar het aardoppervlak uit te stralen. Dit broeikaseffect houdt onze gemiddelde temperatuur momenteel rond de 15°C.

De primaire broeikasgassen zijn waterdamp en de veelbesproken CO ₂ . Kooldioxide draagt ​​tot 30% bij aan het totale broeikaseffect, waterdamp levert ongeveer 70%. CO ₂ , Hoewel, heeft een algemeen verwarmend vermogen dat waterdamp niet heeft. Waterdamp in de atmosfeer heeft een zeer korte verblijftijd (van uren tot dagen) en de concentratie ervan kan alleen toenemen als de temperatuur stijgt. CO ₂ blijft 100 jaar in de atmosfeer hangen en de concentratie wordt niet alleen bepaald door de temperatuur. CO ₂ is dus in staat om trekker opwarming:als CO ₂ concentratie neemt toe, de gemiddelde temperatuur, ongeacht zijn eigen trend, zal toenemen.

Het is dus cruciaal om te begrijpen hoe atmosferisch CO ₂ wordt geregeld. Over geologische tijdschalen (100, 000+ jaar), vulkanische gassen zijn de primaire bron van CO ₂ , gemiddeld 0,4 miljard ton CO ₂ per jaar (0,4 GtCO ₂ /j). Maar CO ₂ accumuleert niet alleen eindeloos in de atmosfeer, het vloeit in en uit dankzij andere milieuprocessen, en wordt opgeslagen in reservoirs die bekend staan ​​als koolstofputten.

De oceaan, voor een, bevat 50 keer meer koolstof dan de atmosfeer. Echter, CO ₂ opgelost in de oceaan kan gemakkelijk worden vrijgegeven naar de atmosfeer, terwijl alleen geologische putten CO . vasthouden ₂ weg van de atmosfeer op geologische tijdschalen.

De eerste geologische gootsteen is sedimentair organisch materiaal. Levende organismen bevatten organische koolstof opgebouwd uit atmosferisch CO ₂ door fotosynthese, en dode organismen worden vaak naar de bodem van de oceaan gestuurd, meren, en moerassen. Enorme hoeveelheden organische koolstof accumuleren dus in de loop van de tijd in mariene en continentale sedimenten, waarvan een deel uiteindelijk wordt omgezet in fossiele brandstoffen (olie, gas en kolen).

Kalkhoudende rotsen zijn de tweede geologische gootsteen. Rotsen zoals graniet of basalt worden verweerd door oppervlaktewater, het wassen van calcium- en bicarbonaationen naar de oceaan. Mariene organismen gebruiken deze om harde onderdelen van calciumcarbonaat te bouwen. Wanneer het op de bodem van de oceaan wordt afgezet, calciumcarbonaat wordt uiteindelijk gesekwestreerd als kalksteen.

Afhankelijk van de schattingen, deze twee spoelbakken bevatten samen 50, 000 tot 100, 000 keer meer koolstof dan de huidige atmosfeer.

Het verhaal ervoor:de atmosfeer van de aarde in de loop van de tijd

De hoeveelheid CO ₂ in de atmosfeer van de aarde is sterk gevarieerd. Decennia van onderzoek stellen ons in staat om de hoofdlijnen van de geschiedenis te trekken die begint nadat de aarde 4,4 miljard jaar geleden volledig was gevormd.

De vroege atmosfeer van de aarde was extreem rijk aan CO ₂ (tot 10, 000 keer moderne niveaus), terwijl zuurstof (O ₂ ) was schaars. Tijdens de Archean (3,8 tot 2,5 miljard jaar geleden), het leven bloeide eerst, de eerste continenten opgebouwd. Verwering begon CO . te trekken ₂ uit de atmosfeer. De ontwikkeling van fotosynthese heeft bijgedragen aan het verminderen van atmosferische CO ₂ , terwijl O . wordt verhoogd ₂ niveaus tijdens het Great Oxygenation Event, ongeveer 2,3 miljard jaar geleden. CO ₂ de concentratie daalde tot "slechts" 20 tot 100 keer het pre-industriële niveau, om nooit meer terug te keren naar de concentratie van de vroegste eonen van de aarde.

Twee miljard jaar later, de koolstofcyclus veranderd. Op weg naar het laat-Devoon-vroege Carboon (~ 350 miljoen jaar geleden), CO ₂ concentratie was rond de 1, 000 dpm. Zoogdieren bestonden niet. Vaatplanten die lignine konden synthetiseren, verschenen tijdens het Devoon en verspreidden zich. Lignine is een molecuul dat resistent is tegen microbiële afbraak, waardoor gedurende miljoenen jaren enorme organische koolstofvoorraden konden worden opgebouwd als steenkool. Gecombineerd met de verwering van het Hercynische gebergte (waarvan de overblijfselen te vinden zijn in het Centraal Massief van Frankrijk of de Appalachen), organische koolstof begraven trok atmosferische CO ₂ tot niveaus die vergelijkbaar zijn met (of lager dan) die van vandaag en tussen 320 en 280 miljoen jaar geleden een groot ijstijdperk veroorzaakten.

Tegen het einde van het Jura (145 miljoen jaar geleden), echter, de slinger was geslagen. Dinosaurussen heersten over de aarde, zoogdieren evolueerden, tektonische activiteit nam toe en Pangea (het laatste supercontinent) ontwrichtte. CO ₂ toegenomen, tot 500 tot 2, 000 ppm, en bleef op een hoog niveau, het handhaven van een warm kasklimaat gedurende 100 miljoen jaar.

Vanaf 55 miljoen jaar, Aarde afgekoeld als CO ₂ afgenomen, met name na de opheffing van de Himalaya en een daaropvolgende toename van verwering en sedimentatie van organische koolstof. Evolutie gaat verder met Hominiden die 7 miljoen jaar geleden verschijnen. Op 2,6 miljoen jaar, De aarde ging een nieuwe staat binnen die wordt gekenmerkt door een afwisseling van glaciale en interglaciale perioden in een regelmatig tempo, geleid door de baanparameters van de aarde en versterkt door de koolstofcyclus op kortere termijn. CO ₂ bereikte zijn pre-industriële niveau 11, 500 jaar geleden toen de aarde het laatste interglaciale stadium betrad.

Een nieuw verhaal:de industriële revolutie

Tot de 19e eeuw, het verhaal van atmosferische koolstof en het klimaat op aarde was een verhaal van geologie, biologie en evolutie. Dat verhaal veranderde sterk na de industriële revolutie, toen de moderne mens ( Homo sapiens ), die waarschijnlijk 300 leek, 000 jaar geleden, begon op grote schaal fossiele brandstoffen te verbruiken.

tegen 1950, de toevoeging van CO ₂ naar de atmosfeer door verbranding van fossiele brandstoffen was al bewezen, via de koolstofisotopische signatuur van CO ₂ moleculen ("Suess"-effect). Tegen het einde van de jaren 70, klimaatwetenschappers zagen een snelle verschuiving naar warmere algemene temperaturen. het IPCC, opgericht in 1988, toonde in 2012 aan dat de gemiddelde temperatuur sinds 1901 met 0,9°C is gestegen. Deze blijft stijgen. Die verandering lijkt misschien bescheiden vergeleken met de laatste deglaciatie, toen de gemiddelde temperatuur met ongeveer 6°C steeg in 7, 000 jaar, maar het is minstens 10 keer sneller. Natuurlijke parameters zoals zonneactiviteit of vulkanisme kunnen zo'n snelle opwarming niet verklaren. De oorzaak is ondubbelzinnig menselijke toevoeging van broeikasgassen aan de atmosfeer, en hoge-inkomenslanden stoten de meeste CO . uit ₂ per inwoner.

Hoe zal ons verhaal eindigen?

Industriële samenlevingen verbrandden binnen 160 jaar ongeveer 25% van de fossiele brandstoffen van de aarde en keerden abrupt een natuurlijke stroom om die koolstof uit de atmosfeer opsloeg. Deze nieuwe door mensen gegenereerde stroom is in plaats daarvan: toevoegen 28 Gt CO₂ per jaar, 50 keer meer dan vulkanen. Natuurlijke geologische opslag kan dit niet compenseren en atmosferische CO ₂ blijft stijgen.

De gevolgen zijn nabij, talrijk en ernstig:extreme weersomstandigheden, zeespiegelstijging, gletsjer terugtocht, oceaanverzuring, verstoringen en uitstervingen van ecosystemen. De aarde zelf heeft andere rampen overleefd. Hoewel de huidige opwarming het aanpassingsvermogen van veel soorten zal overtreffen, het leven zal doorgaan. Het is niet de planeet die op het spel staat. In plaats daarvan, het is de toekomst van menselijke samenlevingen en het behoud van de huidige ecosystemen.

Hoewel de aardwetenschappen geen oplossingen kunnen bieden om na te denken over de noodzakelijke veranderingen in ons gedrag en verbruik van fossiele brandstoffen, zij kunnen en moeten bijdragen aan kennis en collectief bewustzijn van de huidige opwarming van de aarde.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.