Gedurende honderden miljoenen jaren is het klimaat op aarde opgewarmd en afgekoeld met natuurlijke fluctuaties in het niveau van koolstofdioxide (CO₂) in de atmosfeer. In de afgelopen eeuw hebben mensen de CO₂-niveaus naar hun hoogste niveau in 2 miljoen jaar gestuwd - waarbij ze de natuurlijke uitstoot hebben ingehaald - voornamelijk door fossiele brandstoffen te verbranden, wat een voortdurende opwarming van de aarde veroorzaakte die delen van de wereld onbewoonbaar zou kunnen maken.

Wat gedaan kan worden? Als aardwetenschappers kijken we hoe natuurlijke processen koolstof van de atmosfeer naar de aarde en in het verleden hebben gerecycled om mogelijke antwoorden op deze vraag te vinden.

Ons nieuwe onderzoek gepubliceerd in Nature , laat zien hoe tektonische platen, vulkanen, eroderende bergen en zeebodemsediment het klimaat op aarde in het geologische verleden hebben beheerst. Het benutten van deze processen kan een rol spelen bij het in stand houden van het 'Goudlokje'-klimaat dat onze planeet heeft genoten.

Van broeikas tot ijstijd

Broeikas- en ijskastklimaten hebben in het geologische verleden bestaan. De Krijt-broeikas (die duurde van ongeveer 145 miljoen tot 66 miljoen jaar geleden) had atmosferische CO₂-niveaus van meer dan 1.000 delen per miljoen, vergeleken met ongeveer 420 vandaag, en temperaturen tot 10 ℃ hoger dan vandaag.

Maar het klimaat op aarde begon ongeveer 50 miljoen jaar geleden af ​​te koelen tijdens het Cenozoïcum, culminerend in een ijshuisklimaat waarin de temperaturen daalden tot ongeveer 7℃ koeler dan vandaag.

Wat heeft deze dramatische verandering in het wereldwijde klimaat op gang gebracht?

Ons vermoeden was dat de tektonische platen van de aarde de boosdoener waren. Om beter te begrijpen hoe tektonische platen koolstof opslaan, verplaatsen en uitstoten, hebben we een computermodel van de tektonische "koolstoftransportband" gebouwd.

De koolstoftransportband

Tektonische processen brengen koolstof in de atmosfeer bij mid-oceanische ruggen - waar twee platen van elkaar weg bewegen - waardoor magma naar de oppervlakte stijgt en nieuwe oceaankorst creëert.

Tegelijkertijd worden in oceaantroggen - waar twee platen samenkomen - platen naar beneden getrokken en teruggevoerd naar de diepe aarde. Op hun weg naar beneden dragen ze koolstof terug naar het binnenste van de aarde, maar geven ze ook wat CO₂ af via vulkanische activiteit.

Ons model laat zien dat het Krijt-kasklimaat werd veroorzaakt door zeer snel bewegende tektonische platen, die de CO₂-uitstoot van mid-oceanische ruggen dramatisch verhoogden.

In de overgang naar het Cenozoïcum-ijshuisklimaat vertraagde de beweging van de tektonische platen en begon de vulkanische CO₂-uitstoot te dalen. Maar tot onze verbazing ontdekten we een complexer mechanisme verborgen in het transportbandsysteem, waarbij bergen worden gevormd, continentale erosie en het begraven van de overblijfselen van microscopisch kleine organismen op de zeebodem.

Het verborgen verkoelende effect van vertragende tektonische platen in het Cenozoïcum

Tektonische platen vertragen door botsingen, wat op zijn beurt leidt tot het ontstaan ​​van bergen, zoals de Himalaya en de Alpen die in de afgelopen 50 miljoen jaar zijn gevormd. Dit had de vulkanische CO₂-uitstoot moeten verminderen, maar in plaats daarvan liet ons koolstoftransportbandmodel een verhoogde uitstoot zien.

We tracked their source to carbon-rich deep-sea sediments being pushed downwards to feed volcanoes, increasing CO₂ emissions and canceling out the effect of slowing plates.

So what exactly was the mechanism responsible for the drop in atmospheric CO₂?

The answer lies in the mountains that were responsible for slowing down the plates in the first place and in carbon storage in the deep sea.

As soon as mountains form, they start being eroded. Rainwater containing CO₂ reacts with a range of mountain rocks, breaking them down. Rivers carry the dissolved minerals into the sea. Marine organisms then use the dissolved products to build their shells, which ultimately become a part of carbon-rich marine sediments.

As new mountain chains formed, more rocks were eroded, speeding up this process. Massive amounts of CO₂ were stored away, and the planet cooled, even though some of these sediments were subducted with their carbon degassing via arc volcanoes.

Rock weathering as a possible carbon dioxide removal technology

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) says large-scale deployment of carbon dioxide removal methods is "unavoidable" if the world is to reach net-zero greenhouse gas emissions.

The weathering of igneous rocks, especially rocks like basalt containing a mineral called olivine, is very efficient in reducing atmospheric CO₂. Spreading olivine on beaches could absorb up to a trillion tons of CO₂ from the atmosphere, according to some estimates.

The speed of current human-induced warming is such that reducing our carbon emissions very quickly is essential to avoid catastrophic global warming. But geological processes, with some human help, may also have their role in maintaining Earth's "Goldilocks" climate.

This study was carried out by researchers from the University of Sydney's EarthByte Group, The University of Western Australia, the University of Leeds and the Swiss Federal Institute of Technology, Zurich using GPlates open access modeling software. This was enabled by Australia's National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) via AuScope and The Office of the Chief Scientist and Engineer, NSW Department of Industry.