De verborgen boodschap van gesteentelagen

Voor meer inzicht in de natuurlijke oorzaken vanperiodieke klimaatveranderingen gaan klimatologen steeds vaker terade bij het verre verleden. De Utrechtse geoloog dr Frits Hilgenkreeg van onderzoekorganisatie NWO 1,8 miljoen gulden voor eengrootschalig onderzoek naar twaalf miljoen jaar geschiedenis vanhet Middellandse Zeeklimaat.

Voor bezoekers van Sicilië vormt Punta di Maiata eentoeristische attractie van formaat. En ook Frits Hilgen kan op eenmooie zomeravond intens genieten van de zon en de zee en decrèmekleurige rotsen. Toch vormt het fraaie natuurverschijnselvoor hem in de eerste plaats een schatkist vol informatie over deklimatologische veranderingen die zich gedurende miljoenen jaren inhet Middellandse Zee-gebied hebben voorgedaan.

Dat gesteentelagen informatie geven over de klimatologischeomstandigheden ten tijde van het ontstaan ervan, is al langerbekend. (zie kader 1) Maar het was tot ver in de jaren tachtig nietgoed mogelijk om gesteentelagen nauwkeurig te dateren. Aan de handvan de richting van het magnetisme in het gesteente kon men slechtsruwweg de ouderdom ervan bepalen.

Toen Frits Hilgen ruim tien jaar geleden begon aan zijnpromotieonderzoek wilde hij kijken of hij met behulp van hetpatroon van de gesteentelagen op Sicilië tot een exacteretijdsbepaling kon komen. Het was al bekend dat een dergelijkpatroon ontstaat door schommelingen in het klimaat en dat dieschommelingen weer samenhangen met regelmatige bewegingen van deaardas. (zie kader 2)

Omdat ook bekend was wanneer die bewegingen van de aarde hebbenplaatsgevonden hoopte Hilgen tot een nauwkeurige datering van degesteentelagen te kunnen komen.

Na noest speurwerk toonde Hilgen aan dat er een vrijwel perfecteéén-één relatie bestaat tussen het voorkomenvan donkere gesteentelagen (sapropelen) en één bepaaldestand van de aardas. Zo kon dus inderdaad worden vastgesteld hoeoud de Siciliaanse gesteentelagen waren. Schommelingen in de aardasleken een betrouwbare methode voor datering van gesteentelagen tezijn.

"Wij hebben dat resultaat in 1991 gepubliceerd, vrijwelgelijktijdig metShackleton die in de Atlantische Oceaanonafhankelijk van ons tot dezelfde conclusie was gekomen. Diepublicaties hebben een schok veroorzaakt, want nu was er opeens eenmethode waarmee je gesteenten tot op 20.000 jaar nauwkeurig kondateren, dat was zeker tien maal zo nauwkeurig als met demagnetische methode mogelijk was. Bovendien bleken onze'magnetische' dateringen niet alleen te grof maar er fors naast.Dit jongere deel van de geologische geschiedenis was zo'n tienprocent ouder dan altijd was gedacht. Een gesteentelaag die we voor4,8 miljoen jaar oud hielden, bleek opeens 5,3 miljoen jaar oud tezijn."

IJstijden

Na de publicatie uit 1991 zijn Hilgen en zijn medewerkers nietstil blijven zitten. De 'astronomische' methode werd verderverfijnd en een deel van het Pionier-project heeft tot doel om tekomen tot een nog verdere precisering van de tijdsberekening diehet mogelijk moet maken om gesteentelagen van miljoenen jaren oudstraks tot op enkele duizenden jaren nauwkeurig te dateren. Dat isvolgens Hilgen met name belangrijk omdat die precisie ongekendemogelijkheden biedt voor het opsporen van verbanden tussenklimatologische verschijnselen die zich gelijktijdig opverschillende plaatsen op aarde hebben voorgedaan.

Naast het verder verfijnen van de datering van gesteentelagenheeft het Pionier-project dan ook als tweede hoofddoel om meerzicht te krijgen op dit soort onderlinge verbanden, zegt Hilgen."Een interessante vraag is bijvoorbeeld of we kunnen nagaanwaardoor het ontstaan van ijstijden kan worden verklaard. Hetalgemene idee is dat een afname van de zonnestraling als gevolg vande veranderende baan van de aarde eerst zorgt voor ijsvorming ophogere breedtegraden die vervolgens weer leidt tot een verdereafkoeling. Een alternatieve hypothese is echter dat de afkoelingjuist begint op lagere breedtegraden en dat de ijsvorming in depoolstreken daar weer een gevolg van is."

Een ander onderzoeksthema is het recent ontdekte verschijnselvan kort durende klimaatveranderingen van soms maar enkeleduizenden jaren, die zijn waargenomen in gesteentelagen in deAtlantische Oceaan en in ijslagen op Groenland. "De verklaring voordie verschijnselen is nog onduidelijk", aldus Hilgen, "maar alsmogelijke oorzaak worden fluctuaties in de intensiteit van destraling van de zon gezien. Ook de beweging van de aardas kanechter invloed hebben. Het is goed denkbaar dat er sprake is vaninterferentie tussen die twee invloeden waardoor je een patroonkrijgt met heel kort op elkaar volgende klimaatveranderingen."

Als laatste poot van het Pionier-project noemt Hilgen tenslottenog onderzoek naar gesteentelagen (laminae) die (net alsboomringen) zo gedetailleerd gelaagd zijn dat er waarschijnlijkzelfs seizoensinvloeden aan kunnen worden afgelezen. Maar alleonderzoek heeft uiteindelijk één doel, aldus de Utrechtseonderzoeker. "Wij suggereren dat er gedurende de afgelopen pakwegtwaalf miljoen jaar sprake is geweest van één enhetzelfde oscillerende klimaatsysteem dat continu actief isgeweest, en dat ook in de toekomst het klimaat op aarde zal blijvenbepalen. Om een goed werkend klimaatmodel op te stellen is het dusvan het grootste belang om te weten hoe dat systeem tot nu toeheeft gewerkt.

"De laatste tijd bestaat steeds meer de neiging om hethistorische klimaatonderzoek te beperken tot de laatste 50.000jaar. Die periode is echter te kort is om bepaalde conclusies tetrekken. Dankzij de steeds betere tijdsbepaling verwacht ik datjuist het onderzoek naar miljoenen jaren oude lagen onsfundamentele nieuwe inzichten in de werking van het klimaatsysteemzal opleveren, waar we nu alleen nog van dromen."

Het lezen van gesteentelagen

Gesteentelagen zoals die bij Punta di Maiata bestaan uitmateriaal dat zich in de loop van honderdduizenden jaren op dezeebodem heeft afgezet, en dat betrekkelijk recent vanuit de dieptevan de zee naar boven is geperst. Telkens als het klimaat op aardeveranderde, veranderde de samenstelling van het zeewater en het'bezinksel' op de zeebodem. Dat verklaart de fraaie opeenvolgingvan donker- en lichtgekleurde banden in het gesteente.

Zo duiden donkere lagen (de zogeheten sapropelen) op deaanwezigheid van een nat klimaat met een relatief rijkmicro-organisch leven in zee; en wijzen lichtere lagen met eenrelatief hoog titaan/aluminium-gehalte en veel klei-deeltjes opperiodes van droogte waarin titaan-houdend stof uit Afrika in zeeterecht kwam.

De aarde schommelt door het heelal

Periodieke schommelingen in het klimaat worden - als je deinvloed van de mens althans buiten beschouwing laat - in hoofdzaakveroorzaakt door drie minieme veranderingen in de manier waarop deaarde om de zon beweegt. Allereerst verandert de baan van de aardeelke 100.000 EN 400.000 jaar van een bijna perfecte cirkel in eenellips en weer terug; dan is er in periodes van telkens 41.000 jaarsprake van een lichte schommeling in de stand van de aardas tenopzichte van zijn baan om dezon; en tenslotte maakt de aardas ooknog eens elke 21.000 jaar een TOLbeweging. Deze drie bewegingenzorgen voor variaties in de hoeveelheid zonnewarmte die de aarde inde verschillende seizoenen bereikt, en hebben daarmee een forseinvloed op het klimaat. Al in de jaren veertig werd doorMilankovitch gesuggereerd dat er een duidelijke samenhang bestaattussen ijstijden, schommelingen in het klimaat en deze periodiekebeweging van de aarde.