De JOIDES Resolution lijkt op een bizarre hybride van een booreiland en een vrachtschip. Het is in feite een onderzoeksschip dat oceaanwetenschappers gebruiken om sedimenten van de zeebodem op te graven. In 2003, tijdens een reis naar het zuidoostelijk deel van de Atlantische Oceaan, brachten wetenschappers aan boord van de JOIDES Resolution een bijzonder opvallende buit naar boven.
Ze hadden geboord in sedimenten die zich in de loop van miljoenen jaren op de zeebodem hadden gevormd. Het oudste sediment in de boor was wit. Het was gevormd door de calciumcarbonaatschalen van eencellige organismen – hetzelfde soort materiaal waaruit de Witte Kliffen van Dover zijn opgebouwd. Maar toen de wetenschappers het sediment onderzochten dat 55 miljoen jaar geleden was gevormd, veranderde de kleur in een geologisch oogwenk.
“In het midden van dit witte sediment bevindt zich een grote prop rode klei,” zegt Andy Ridgwell, een aardwetenschapper aan de Universiteit van Bristol.
Met andere woorden, de enorme wolken van schelpdieren in de diepe oceanen waren vrijwel verdwenen. Veel wetenschappers zijn het er nu over eens dat deze verandering werd veroorzaakt door een drastische daling van de pH-waarde van de oceaan. Het zeewater werd zo corrosief dat het de schelpen weg at, samen met andere soorten met calciumcarbonaat in hun lichaam. Het heeft honderdduizenden jaren geduurd voordat de oceanen zich van deze crisis hadden hersteld en de zeebodem van rood weer wit was geworden.
De klei die de bemanning van de JOIDES-resolutie heeft opgebaggerd, kan een onheilspellende waarschuwing zijn voor wat de toekomst in petto heeft. Door kooldioxide in de lucht te spuwen, maken we de oceanen nu opnieuw zuurder.
Het opslaan van CO2 in de oceanen gaat gepaard met een hoge prijs: het verandert de chemie van het zeewater.
Vandaag publiceren Ridgwell en Daniela Schmidt, ook van de universiteit van Bristol, een studie in het tijdschrift Natural Geoscience, waarin ze vergelijken wat er 55 miljoen jaar geleden in de oceanen gebeurde met wat de oceanen nu meemaken. Hun onderzoek ondersteunt wat andere onderzoekers al lang vermoeden: De huidige verzuring van de oceanen is groter en sneller dan alles wat geologen de afgelopen 65 miljoen jaar in het fossielenbestand hebben kunnen vinden. De snelheid en de kracht van de verzuring – Ridgwell schat dat de huidige verzuring van de oceaan tien keer zo snel gaat als de massale uitsterving 55 miljoen jaar geleden – kan de ondergang betekenen voor veel mariene soorten, met name die welke in de diepe oceaan leven.
“Dit is een bijna ongekende geologische gebeurtenis,” zegt Ridgwell.
Wanneer wij mensen fossiele brandstoffen verbranden, pompen we kooldioxide in de atmosfeer, waar het gas warmte vasthoudt. Maar veel van die kooldioxide blijft niet in de lucht. In plaats daarvan wordt het in de oceanen gezogen. Klimaatwetenschappers denken dat de aarde zonder de oceanen veel warmer zou zijn dan nu. Zelfs met de massale opname van CO2 door de oceanen was het afgelopen decennium nog steeds het warmste decennium sinds het begin van de moderne meeteenheden. Maar het opslaan van kooldioxide in de oceanen kan een hoge prijs hebben: het verandert de chemie van het zeewater.
Aan het oppervlak van de oceaan heeft zeewater gewoonlijk een pH van ongeveer 8 tot 8,3 pH-eenheden. Ter vergelijking, de pH van zuiver water is 7, en maagzuur is ongeveer 2. De pH-waarde van een vloeistof wordt bepaald door het aantal positief geladen waterstofatomen dat erin rondzweeft. Hoe meer waterstofionen, hoe lager de pH. Als kooldioxide in de oceaan komt, verlaagt het de pH door met water te reageren.
De kooldioxide die we sinds de Industriële Revolutie in de atmosfeer hebben gebracht, heeft de pH-waarde van de oceaan met 0,1 verlaagd. Dat lijkt misschien weinig, maar dat is het niet. De pH-schaal is logaritmisch, wat betekent dat er 10 keer meer waterstofionen in een pH 5-vloeistof zitten dan in een pH 6-vloeistof, en 100 keer meer dan in een pH 7. Als gevolg hiervan betekent een daling van slechts 0,1 pH-eenheden dat de concentratie waterstofionen in de oceaan in de afgelopen twee eeuwen met ongeveer 30 procent is gestegen.
Om te zien hoe de verzuring van de oceaan het leven in de oceaan zal beïnvloeden, hebben wetenschappers laboratoriumexperimenten uitgevoerd waarbij zij organismen bij verschillende pH-waarden hebben gekweekt. De resultaten zijn verontrustend – vooral voor soorten die skeletten opbouwen uit calciumcarbonaat, zoals koralen en amoebe-achtige organismen, foraminifera genaamd. De extra waterstof in zeewater met een lage pH-waarde reageert met calciumcarbonaat, waardoor het verandert in andere verbindingen die de dieren niet kunnen gebruiken om hun skeletten te bouwen.
Deze resultaten zijn zorgwekkend, niet alleen voor de specifieke soorten die de wetenschappers bestuderen, maar ook voor de ecosystemen waarin zij leven. Sommige van deze kwetsbare soorten zijn van cruciaal belang voor hele ecosystemen in de oceaan. Kleine schelpbouwende organismen zijn voedsel voor ongewervelde dieren, zoals weekdieren en kleine vissen, die op hun beurt voedsel zijn voor grotere roofdieren. Koraalriffen vormen een onderwater regenwoud, dat een kwart van de biodiversiteit in de oceaan herbergt.
Maar laboratoriumexperimenten van een paar dagen of weken alleen kunnen wetenschappers niet vertellen hoe de verzuring van de oceaan de hele planeet zal beïnvloeden. “Het is niet duidelijk wat deze in de echte wereld betekenen,” zegt Ridgwell.
Een manier om meer informatie te krijgen is om naar de geschiedenis van de oceanen zelf te kijken, wat Ridgwell en Schmidt in hun nieuwe studie hebben gedaan. Op het eerste gezicht lijkt die geschiedenis erop te wijzen dat we ons geen zorgen hoeven te maken. Honderd miljoen jaar geleden was er meer dan vijf keer zoveel kooldioxide in de atmosfeer en was de pH-waarde van de oceaan 0,8 pH-eenheden lager. Toch was er voldoende calciumcarbonaat voor de foraminifera en andere soorten. Het was in deze periode dat schelpvormende zeeorganismen de kalksteenformaties produceerden die uiteindelijk de White Cliffs of Dover zouden worden.
Maar er is een cruciaal verschil tussen de aarde 100 miljoen jaar geleden en nu. Toen veranderde de kooldioxide concentratie zeer langzaam gedurende miljoenen jaren. Die langzame veranderingen veroorzaakten andere langzame veranderingen in de chemie van de aarde. Toen de planeet opwarmde door de toename van kooldioxide, voerde de toegenomen regenval bijvoorbeeld meer mineralen uit de bergen mee naar de oceaan, waar ze de chemie van het zeewater konden veranderen. Zelfs bij een lage pH bevat de oceaan voldoende opgelost calciumcarbonaat voor koralen en andere soorten om te overleven.
Heden ten dage overspoelen we de atmosfeer echter met kooldioxide in een tempo dat zelden is vertoond in de geschiedenis van onze planeet. De terugkoppeling van het weer op de planeet zal de plotselinge daling van de pH-waarde gedurende honderdduizenden jaren niet kunnen compenseren.
Wetenschappers hebben het fossielenbestand doorgespit op zoek naar perioden in de geschiedenis die aanwijzingen zouden kunnen geven over hoe de planeet zal reageren op de huidige koolstofstoot. Ze hebben ontdekt dat de aarde 55 miljoen jaar geleden een soortgelijke verandering heeft doorgemaakt. Lee Kump van Penn State en zijn collega’s hebben geschat dat ruwweg 6,8 triljoen ton koolstof in de atmosfeer van de aarde is gekomen in ongeveer 10.000 jaar.
Niemand kan met zekerheid zeggen waardoor al die koolstof is vrijgekomen, maar het bleek een drastisch effect te hebben gehad op het klimaat. De temperaturen stegen tussen 5 en 9 graden Celsius (9 tot 16 Fahrenheit). Veel diepzeesoorten stierven uit, mogelijk omdat de pH van de diepe oceaan te laag werd om te overleven.
Maar deze catastrofe uit de oudheid (bekend als het Paleoceen-Eoceen thermisch maximum, of PETM) was geen perfecte voorbode van wat er nu op aarde gebeurt. De temperatuur was warmer voordat de koolstofbom ontplofte, en de pH van de oceanen was lager. De indeling van de continenten was ook anders. De winden waaiden daardoor in andere patronen en dreven de oceanen in andere richtingen.
Al deze factoren maken een groot verschil voor het effect van oceaanverzuring. Zo is het effect dat een lage pH heeft op skeletbouwende organismen afhankelijk van de druk en temperatuur van de oceaan. Beneden een bepaalde diepte in de oceaan wordt het water zo koud en de druk zo hoog dat er geen calciumcarbonaat meer over is voor organismen die skeletten bouwen. Die drempel staat bekend als de verzadigingshorizon.
Onze op koolstof lopende beschaving beïnvloedt het leven overal op aarde – zelfs diep onder water.
Om een zinvolle vergelijking te kunnen maken tussen de PETM en vandaag, bouwden Ridgwell en Schmidt grootschalige simulaties van de oceaan op beide tijdstippen. Zij creëerden een virtuele versie van de aarde 55 miljoen jaar geleden en lieten de simulatie lopen tot deze een stabiele toestand bereikte. De pH-waarde van hun gesimuleerde oceaan viel binnen het bereik van schattingen van de pH-waarde van de werkelijke oceaan 55 miljoen jaar geleden. Vervolgens bouwden zij een versie van de moderne aarde, met de huidige indeling van de continenten, de gemiddelde temperatuur en andere variabelen. Zij lieten de moderne wereld een stabiele toestand bereiken en controleerden vervolgens de pH-waarde van de oceaan. Ook deze kwam overeen met de werkelijke pH-waarde in de oceanen van vandaag.
Ridgwell en Schmidt schokten deze beide gesimuleerde oceanen vervolgens op door massale injecties van kooldioxide. Zij voegden over een periode van 10.000 jaar 6,8 triljoen ton koolstof toe aan hun PETM-wereld. Bij gebruik van voorzichtige prognoses van toekomstige koolstofemissies voegden zij in slechts enkele eeuwen 2,1 biljoen ton koolstof toe aan hun moderne wereld. Ridgwell en Schmidt gebruikten het model vervolgens om te schatten hoe gemakkelijk carbonaat zou oplossen op verschillende diepten in de oceaan.
De resultaten waren opvallend verschillend. Ridgwell en Schmidt ontdekten dat de verzuring van de oceaan nu ongeveer tien keer zo snel gaat als 55 miljoen jaar geleden. En terwijl de verzadigingshorizon 55 miljoen jaar geleden tot 1500 meter steeg, zal deze volgens het model in 2150 gemiddeld tot 550 meter zijn gestegen.
De PETM was krachtig genoeg om grootschalige uitstervingen in de diepe oceanen te veroorzaken. De huidige snellere en grotere veranderingen in de oceaan zouden wel eens tot een nieuwe golf van uitstervingen kunnen leiden. Paleontologen hebben geen tekenen gevonden van grote uitstervingen van koralen of andere op carbonaat gebaseerde soorten in oppervlaktewateren rond het PETM. Maar omdat de huidige verzuring van de oceaan zo veel sterker is, kan deze ook het leven in ondiep water aantasten. “We kunnen geen dingen met zekerheid zeggen over effecten op ecosystemen, maar er is veel reden tot bezorgdheid,” zegt Ridgwell.
Ellen Thomas, een paleoceanograaf aan de Yale University, zegt dat het nieuwe paper “van groot belang is voor onze ideeën over oceaanverzuring.” Maar ze wijst erop dat het leven in de oceaan door meer werd geteisterd dan alleen een dalende pH. “Ik ben er niet van overtuigd dat dit het hele antwoord is,” zegt ze. De temperatuur van de oceaan steeg en het zuurstofgehalte daalde. Al deze veranderingen samen hadden 55 miljoen jaar geleden complexe effecten op de biologie van de oceaan. Wetenschappers moeten nu bepalen wat voor soort gecombineerd effect ze in de toekomst op de oceaan zullen hebben.
Onze op koolstof lopende beschaving beïnvloedt volgens het werk van wetenschappers als Ridgwell het leven overal op aarde – zelfs het leven dat zich duizenden meters onder water bevindt. “De reikwijdte van onze acties kan echt heel globaal zijn,” zegt Ridgwell. Het is heel goed mogelijk dat de oceaansedimenten die zich in de komende eeuwen zullen vormen, zullen veranderen van wit calciumcarbonaat in rode klei, naarmate de verzuring van de oceaan de ecosystemen van de diepzee wegvaagt.
“Het zal de mensen over honderden miljoenen jaren iets geven om onze beschaving aan te herkennen,” zegt Ridgwell.