De vorm van de baan van de aarde rond de zon en de oriëntatie van haar as ondergaan regelmatige variaties gedurende perioden van duizenden tot miljoenen jaren. Deze variaties - bekend als Milankovitch-cycli naar de Servische geofysicus Milutin Milankovitch - beïnvloeden de hoeveelheid zonlicht die het aardoppervlak bereikt.

Milankovitch-cycli zijn een van de belangrijkste aanjagers van ons klimaat. We weten tegenwoordig heel veel over deze variaties omdat we ze precies kunnen meten. Bewijs voor klimaatveranderingen als gevolg van veranderingen in de baan van de aarde is aanwezig in het geologische record van de afgelopen paar honderd miljoen jaar. Het bewijs verschijnt als variaties in de dikte en samenstelling van sedimentaire gesteentelagen.

Echter, verder terug in de tijd is er nauwelijks iets bekend over deze klimaatveranderingen, rekening houdend met het feit dat de aarde 4,5 miljard jaar oud is. We hebben niet eerder veel kunnen leren over hoe deze Milankovitch-cycli in de geschiedenis van de aarde hebben gevarieerd - tot nu toe.

We maken deel uit van een klein internationaal team van onderzoekers van de Universiteit Utrecht, Universiteit van Genève en Université du Québec à Montréal die zorgvuldig onderzoek doen naar ritmische gelaagdheidspatronen in rotsen. Vervolgens combineren we deze met nauwkeurige leeftijdsbepalingen om de snelheid te berekenen waarmee de sedimenten worden afgezet. Dit stelt ons in staat om de klimaatgeheimen van de aarde miljarden jaren geleden te ontrafelen.

Diepe geschiedenis

Op één locatie, de soorten sediment die op een bepaald moment worden afgezet, variëren als functie van het klimaat. Wetenschappers hebben deze variaties in het sedimentaire record in detail bestudeerd, waardoor klimaatveranderingen in het verleden nauwkeurig kunnen worden geïdentificeerd. Typisch, de methode die wordt gebruikt om deze variaties te bestuderen is spectrale analyse, waar statistische hulpmiddelen bepalen of er cyclische variaties zijn in de gesteentelagen.

Een eenvoudig gedachte-experiment kan nuttig zijn om te begrijpen hoe veranderingen in het klimaat het rockrecord kunnen beïnvloeden.

Bijvoorbeeld, als je op een strand staat, de locatie van de oceaan is gekoppeld aan de hoeveelheid zonlicht die het aardoppervlak bereikt. Als de aarde iets verder van de zon zou staan, of de aardas wees iets verder weg, het klimaat zou kouder zijn. Een deel van het water in de oceanen zou worden opgeslagen in gletsjers op het land, en dit zou een daling van de zeespiegel veroorzaken. Je zit dan meer landinwaarts en het sediment dat onder je voeten wordt afgezet is fundamenteel anders dan strandzand. Het tegenovergestelde zou gebeuren als de aarde iets dichter bij de zon zou staan, je zou niet op een strand staan, maar ergens op de bodem van de oceaan als de smeltende gletsjers ervoor zorgen dat de zeespiegel stijgt.

Miljarden jaren geleden, omstandigheden op aarde waren fundamenteel anders dan nu:er was geen vrije zuurstof in de atmosfeer, vulkanische activiteit was gewelddadiger en er was geen vegetatie of meercellig leven ontwikkeld. Hoe dan ook, er moeten fluctuaties in de baan en as van de aarde zijn geweest die het klimaat destijds beïnvloedden, en mogelijk zelfs van invloed op het vroege leven en de chemie van de oceanen.

Gestreepte ijzeren formaties

Ons onderzoeksteam heeft gezocht naar bewijs voor cyclische klimaatvariaties in 2,5 miljard jaar oude gestreepte ijzerformaties (BIF's). BIF's zijn ijzerrijk, duidelijk gelaagde rotsen die op grote schaal werden afgezet op de oceaanbodem en nu te vinden zijn op de oudste nog bestaande delen van de aardkorst. Deze gesteenten worden tegenwoordig niet gevonden en wetenschappers hebben geworsteld om zowel hun vorming als hun gestreepte uiterlijk te begrijpen.

Tot nu, wetenschappers hebben de afzetting van deze ijzerformaties en hun regelmatige gelaagdheid voornamelijk verklaard als te wijten aan onderzeese vulkanische activiteit, de hydrothermische bron van het ijzer. In aanvulling, de evolutie van fotosynthese op dit moment heeft mogelijk zuurstof geproduceerd in de ondiepste delen van de oceaan. Hierdoor zou het gereduceerde ijzer opgelost in het water geoxideerd en onoplosbaar zijn geworden, en het zou dan op de oceaanbodem vallen.

Onze studie is de eerste die de regelmatige afwisselingen in de BIF's definitief koppelt aan cyclische veranderingen in de baan van de aarde rond de zon, met perioden van 405, 000 jaar en 1,4 tot 1,6 miljoen jaar. We hebben dit bereikt door spectrale analyse van sedimentaire lagen in Zuid-Afrika te combineren met zeer nauwkeurige uranium-looddatering om de snelheid te berekenen waarmee de sedimenten werden afgezet. Uit ons onderzoek blijkt dat de Milankovitch-cycli 2,5 miljard jaar geleden een groot effect hadden op zowel het klimaat op aarde als op de ijzerafzetting in de oceanen.

We ontdekten dat de huidige 405, 000-jarige cyclus vond 2,5 miljard jaar geleden plaats. We vonden ook een cyclus die 1,4 tot 1,6 miljoen jaar duurt. Deze cyclus kan een moderne Milankovitch-cyclus zijn, de dichtstbijzijnde huidige cyclus duurt ~ 2,4 miljoen jaar. We interpreteren het verschil in timing als te wijten aan het chaotische gedrag van de planeten in ons zonnestelsel, die van invloed is op de lengte van enkele Milankovitch-cycli.

Hoge resolutie archieven

Deze opwindende ontdekking geeft aan dat BIF's kunnen worden beschouwd als een archief met hoge resolutie van het astronomische klimaat van 2,5 miljard jaar geleden. Deze informatie zal fundamentele implicaties hebben voor ons begrip van hoe het zonnestelsel zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld. Tot nu, astrofysische modellen laten zien hoe het zonnestelsel gevormd kan zijn en moderne telescopen hebben ons in staat gesteld te begrijpen hoe het zonnestelsel er momenteel uitziet. Informatie over hoe we van het begin tot de huidige configuratie zijn gekomen, ontbreekt momenteel.

Verder onderzoek naar de cyclische gelaagdheid in BIF's zal van cruciaal belang zijn om precies te begrijpen hoe het vroege klimaatsysteem op aarde reageerde op de astronomische variaties.

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