Hoe overleefden planten en dieren ongeveer 200 miljoen jaar geleden toen de kooldioxideconcentratie tot 6000 deeltjes per miljoen steeg? Paul Olsen, een geoloog en paleontoloog aan de Lamont-Doherty Earth Observatory van de Columbia Climate School, heeft ons uitgelegd wat wetenschappers in de loop van de tijd weten over koolstofdioxideniveaus.

Hoewel er niemand in de buurt was om de CO₂ van de atmosfeer te meten concentratie van miljoenen jaren geleden, kunnen paleoklimatologen de temperatuur en het koolstofdioxidegehalte in het verleden reconstrueren met behulp van ijskernen, boomringen, koralen, oud stuifmeel en sedimentair gesteente. Deze natuurlijke recorders van klimaatschommelingen kunnen ook onthullen hoe verschillende dieren en planten gedijen of stierven tijdens verschillende geologische perioden.

Tijdens het bestuderen van het tijdperk van dinosaurussen ontleden sommige onderzoekers bijvoorbeeld bladeren die vast kwamen te zitten in sedimentlagen. "De kleine gaatjes in de huid van bladeren komen vaker voor als er een lager koolstofdioxidegehalte is", legt Paul Olsen uit, een geoloog en paleontoloog aan het Lamont-Doherty Earth Observatory van de Columbia Climate School.

Wetenschappers zoals Olsen hebben herhaaldelijk ontdekt dat organismen gedurende verschillende perioden van de geschiedenis van de aarde radicaal hogere concentraties koolstofdioxide en hogere gemiddelde temperaturen hebben ervaren dan tegenwoordig. Dat betekent echter niet dat alles goed komt als we de planeet blijven verwarmen door fossiele brandstoffen te verbranden.

"Het probleem van vandaag is niet alleen de hogere temperatuur op aarde of het koolstofdioxidegehalte. Het probleem is de snelheid van verandering", legt Olsen uit. "Gedurende het grootste deel van de geschiedenis van de aarde zijn de koolstofdioxidegehalten over het algemeen heel langzaam veranderd. Dat gaf organismen en hun ecosystemen voldoende tijd om zich aan te passen aan de klimaatverandering door zowel evolutie als migratie."

Klimaatwetenschappers waarschuwen dat de veranderingssnelheid in de komende eeuw 10 keer sneller zal zijn dan welk klimaatpatroon dan ook dat zich in de afgelopen 65 miljoen jaar heeft ontwikkeld. Door de snelle opwarming van vandaag kan tot 14 procent van alle planten en dieren op het land in de komende decennia met uitsterven worden bedreigd, volgens een rapport van het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering.

De klimatologische ups en downs van de aarde

Tijdens de Cambrische periode, die 542 miljoen tot 485,4 miljoen jaar geleden duurde, schatten sommige bronnen dat CO₂ niveaus waren mogelijk ongeveer 20 keer hoger dan vandaag en de temperaturen waren 10 graden hoger.

Levende wezens leken de verzengende omstandigheden niet erg te vinden. Gedurende deze tijd leidde de oxygenatie van de oceanen tot een uitbarsting van leven die bekend staat als de 'Cambrische explosie'. Er was een breed scala aan zeedieren zoals trilobieten, waaronder grotere oude roofdieren genaamd Anomalocaris, en slakvormige dieren met schelpen. Ondertussen begonnen op het land de vroegste planten ongeveer 500 miljoen jaar geleden wortel te schieten, mogelijk genietend van hoge niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer, zei Olsen.

"Maar de proxy's van 500 tot 400 miljoen jaar geleden zijn op dit moment niet zo goed uitgewerkt", waarschuwde hij. "De meeste gegevens en grafieken van koolstofdioxideniveaus in de geschiedenis van de aarde beginnen ongeveer 350 miljoen jaar geleden."

Tijdens de Ordovicium-periode (ongeveer 488,3 tot 443,8 miljoen jaar geleden) was de zeespiegel maar liefst 220 meter hoger dan nu; de regio's ten noorden van de tropische gordel waren onder de oceaan. Primitieve vissen, rode algen, koralen en een paar andere zeedieren zoals koppotigen en buikpotigen maakten deel uit van bloeiende ecosystemen - totdat ze werden getroffen door een ongekende tragedie, die mogelijk is veroorzaakt door plotselinge veranderingen in CO₂ niveaus.

Het was de eerste grote massa-extinctie op aarde. Het begon ongeveer 443 miljoen jaar geleden en vernietigde ongeveer 85 procent van alle mariene soorten gedurende maximaal twee miljoen jaar. De oorzaak blijft onbekend, maar sommige wetenschappers speculeren dat het zou kunnen zijn geassocieerd met de vorming van enorme gletsjers en een drastische daling van de zeespiegel nadat het supercontinent Gondwana naar de Zuidpool was afgedreven. Een studie uit 2012 suggereerde dat de eerste landplanten de wereldwijde temperatuur zouden kunnen doen dalen door CO₂ te absorberen , waardoor een ijstijd ontstaat. Omgekeerd, in een studie uit 2020, veronderstelden in Canada gevestigde wetenschappers dat wijdverbreide vulkaanuitbarstingen enorme hoeveelheden koolstofdioxide vrijgaven die de planeet abrupt verwarmden en binnen twee miljoen jaar twee pulsen van massale uitsterving veroorzaakten.

Hoe overleefden dinosaurussen ondanks uitzonderlijk hoge CO₂ niveaus?

Het Trias (252 tot 201 miljoen jaar geleden) begon het tijdperk van de dinosauriërs.

"Destijds was het extreem heet omdat de concentraties koolstofdioxide in de atmosfeer vijf keer hoger waren dan het huidige niveau", legt Olsen uit. "En toch bloeide het zee- en landleven."

Aan het begin van het Trias omvatte het supercontinent Pangea de landmassa van alle zeven hedendaagse continenten. Zoogdierachtige reptielen of synapsiden domineerden de wereld. Kikkers en salamanders begonnen zich net te ontwikkelen. Hierna nam een ​​breder scala aan archosauriërs - een groep reptielen waaronder krokodilachtigen, vogels en dinosaurussen - het over.

De eerste dinosaurussen verschenen ongeveer 232 miljoen jaar geleden. Ze waren zo klein als honden.

Voor het Late Trias en het eerdere Jura (ongeveer 237-174 miljoen jaar geleden) vonden wetenschappers geen enkel bewijs van polaire gletsjerijs in fossielen - waarschijnlijk een gevolg van koolstofdioxideniveaus die wel 6.000 delen per miljoen hebben bereikt. Tijdens deze broeikas bedekten dichte naald- en loofbossen het grootste deel van Pangea van de Noordpool en de Zuidpool tot de subtropische breedtegraden.

Ongeveer 230 miljoen jaar geleden begon Pangea echter uiteen te vallen. Terwijl Noord-Amerika wegdreef van Eurazië en Afrika, drong magma de aardkorst binnen over een enorm gebied, wat een van de belangrijkste vulkaanuitbarstingen in de geschiedenis van de aarde veroorzaakte. Het veroorzaakte een massale uitstervingsgebeurtenis 202 miljoen jaar geleden die 80 procent van alle organismen elimineerde, waaronder veel voorheen dominante soorten grote tropische reptielen van het Trias, zoals de krokodilachtige phytosauriërs.

De meeste onderzoekers geloven dat de massa-extinctie aan het einde van het Trias rechtstreeks verband houdt met de wijdverbreide vulkaanuitbarstingen, zei Olsen. Elke uitbarsting kan tientallen of zelfs honderden jaren onafgebroken hebben geduurd, en er waren veel uitbarstingen. Ze werden geassocieerd met een abrupte verdubbeling tot verdrievoudiging van de atmosferische kooldioxide binnen een korte tijd.

"Het is redelijk vergelijkbaar met wat mensen de planeet nu aandoen," zei hij. Een studie uit 2019 onthulde dat menselijke activiteiten jaarlijks tot 100 keer meer koolstof in de atmosfeer vrijmaken dan vulkanen.

De ongewoon hoge kooldioxidegehaltes 202 miljoen jaar geleden resulteerden in oceaanverzuring en zuurstofgebrek, of zuurstofverlies onder water. Olsen en zijn collega's identificeerden deze factoren als de grootste aanjagers van deze grote massale uitstervingsgebeurtenis die ongewervelde zeedieren en koralen heeft uitgeroeid.

In een recent onderzoek ontdekten ze dat er ook enorme hoeveelheden zwaveldioxide in de atmosfeer werden gepompt tijdens de verschillende pulsen van vulkaanuitbarstingen. Dat veroorzaakte intense, zij het korte, koude perioden toen de zwavelaërosolen zonlicht weerkaatsten in de ruimte.

"Die koude periode heeft misschien maar een paar jaar of hoogstens 100 jaar geduurd", legt Olsen uit. Op het land elimineerden vulkanische winters dieren die geen isolatie hadden, zoals veren, vet of dikke vachtlagen. Dinosaurussen die voldoende geïsoleerd waren, overleefden en namen het over.

Na elke korte koude periode ondervond de aarde tien- tot honderdduizenden jaren van opwarming van de aarde als gevolg van de abrupte stijgingen van het kooldioxidegehalte in de atmosfeer als gevolg van de uitbarstingen.

Hoe zijn de wereldwijde temperaturen en CO₂ niveaus stabiliseren voordat er mensen kwamen?

Extreem hoge concentraties kooldioxide verdwijnen uit de atmosfeer via drie belangrijke mechanismen. De eerste is dat de oceaan grote hoeveelheden ervan absorbeert om een ​​evenwicht in de atmosfeer te creëren.

Het tweede mechanisme van de aarde om CO₂ op te zuigen uit de lucht is door de verwering van rotsen. De producten van dit soort natuurlijke koolstofvastlegging komen als kalksteen in de oceanen terecht.

Het derde mechanisme is fotosynthese. Planten absorberen koolstofdioxide en als ze worden begraven in sedimenten voordat ze ontbinden, wordt de koolstof in hun weefsels ondergronds opgeslagen. Deze drie mechanismen treden langzaam op gedurende enkele duizenden jaren.

"Maar wanneer de aarde snelle veranderingen ervaart in de concentraties van atmosferisch CO₂ -zoals wat we vandaag ervaren vanwege menselijke activiteiten - deze drie mechanismen reageren niet snel genoeg om de duizelingwekkende mate van verandering te compenseren", legt Olsen uit.

In de afgelopen 60 jaar is de jaarlijkse toename van CO in de atmosfeer₂ is 100 keer sneller geweest dan de relatief recente natuurlijke stijgingen die ongeveer 17.000 jaar geleden plaatsvonden aan het einde van de laatste ijstijd. In 2021 is de wereldwijde gemiddelde concentratie van CO₂ bereikte het hoogste geregistreerde niveau van 414,72 ppm.

"Dit is vergelijkbaar met de snelheid van verandering die ongeveer 202 miljoen jaar geleden plaatsvond, na gigantische vulkaanuitbarstingen en ook na asteroïde-inslagen die ongeveer 66 miljoen jaar geleden de vijfde massale uitsterving veroorzaakten," voegde Olsen eraan toe.

Kunnen mensen vijandige klimatologische omstandigheden zoals die van het dinosaurustijdperk overleven?

Hoewel de aarde in het verleden talloze schommelingen in het kooldioxidegehalte heeft gezien, waren de meeste daarvan in een tempo waarin organismen zich hebben kunnen aanpassen aan en evolueren naar klimaatverandering. Dit is minder waarschijnlijk in het huidige snelle tempo van opwarming.

"De snelheid van verandering die we vandaag ervaren vanwege de door de mens veroorzaakte uitstoot van broeikasgassen is een van de allerhoogste die de aarde ooit heeft gezien", zei Olsen. "Hogere niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer zijn normale toestanden voor onze planeet. Onze huidige lagere toestand is ongebruikelijk. Toch is deze snelheid van verandering het belangrijkste."

Olsen veronderstelde dat zelfs met extreem hoge atmosferische CO₂ niveaus van 6.000 ppm die werden geregistreerd tijdens het tijdperk van de dinosauriërs en de daaropvolgende opwarming van de aarde, kunnen mensen mogelijk overleven - dankzij technologische vooruitgang, in plaats van evolutie.

En hoewel het binnenland van continenten ondraaglijk heet zou zijn, kunnen plaatsen op hogere breedtegraden nog steeds koel en bewoonbaar zijn.

Echter, met de hoge mate van klimaatverandering gedurende korte perioden, waarschuwde Olsen dat er aanzienlijke sociale ontwrichtingen zullen zijn als gevolg van beperkte voedsel- en watervoorraden, wat zal resulteren in oorlogen en conflicten.

Met andere woorden, onze soort zou theoretisch kunnen overleven, maar we zouden waarschijnlijk niet ons beste leven leiden. + Verder verkennen

Dinosaurussen namen het over te midden van ijs, niet in warmte, zegt een nieuwe studie van oude massa-extinctie

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.