Zwart goud Rijkdom uit de diepte Diamant heeft diepe geheimen De gesteentecyclus Landschapsvorming Gradualisme en catastrofe- theorie Sedimentatie Zeestromingen Atmosferische circulatie Waterkringloop
Martin Redfern studeerde geologie aan het University College in Londen. Bij de BBC werkt hij als producer van weten schapsprogramma’s. Hij schrijft ook veel over wetenschap voor tijdschriften en kranten.
50
50
inzichten aarde Onmisbare basiskennis
Martin Redfern
50 inzichten aarde geeft een compact en toegankelijk overzicht van de enige plaats in het heelal waarvan we zeker weten dat er leven voorkomt. Auteur Martin Redfern – een ervaren wetenschapspopularisator – behandelt alle natuurlijke aspecten en processen die zich op, boven en binnen onze planeet voor doen. Klimaat, oceanen en woestijnen, luchtstromingen, de elementen, plaat tektoniek, fossielen en evolutie, vulkano logie, zeespiegelstijging en het uiteindelijke lot van de aarde en het leven, dat alles komt overzichtelijk in beeld.
Koolstofkringloop Klimaatverandering IJstijden IJskappen Sneeuwbalaarde Geologische tijd Stratigrafie Oorsprong van het leven Evolutie Hof van Ediacara Diversificatie Dinosaurussen Uitsterving Aanpassing Fossiele moleculen Antropoceen Toekomstige bronnen Toekomstig klimaat Toekomstige evolutie Toekomstige continenten Het einde van de aarde
inzichten aarde
Geboorte Onze metgezel de maan De hel op aarde Geologische klokken Het verhaal van de drie planeten Levende planeet Reis naar het midden van de aarde Kijken in de aarde Magnetische kern De bewegende mantel Superpluimen Korst en continent Plaattektoniek Zeebodemspreiding Subductie Vulkanen Aardbevingen Gebergtevorming Metamorfisme
www.veenmedia.nl
Martin Redfern
Een heldere, leesbare introductie!
50_inz_aarde_cover.indd 1
06-11-12 13:57
Zwart goud Rijkdom uit de diepte Diamant heeft diepe geheimen De gesteentecyclus Landschapsvorming Gradualisme en catastrofe- theorie Sedimentatie Zeestromingen Atmosferische circulatie Waterkringloop
Martin Redfern studeerde geologie aan het University College in Londen. Bij de BBC werkt hij als producer van weten schapsprogramma’s. Hij schrijft ook veel over wetenschap voor tijdschriften en kranten.
50
50
inzichten aarde Onmisbare basiskennis
Martin Redfern
50 inzichten aarde geeft een compact en toegankelijk overzicht van de enige plaats in het heelal waarvan we zeker weten dat er leven voorkomt. Auteur Martin Redfern – een ervaren wetenschapspopularisator – behandelt alle natuurlijke aspecten en processen die zich op, boven en binnen onze planeet voor doen. Klimaat, oceanen en woestijnen, luchtstromingen, de elementen, plaat tektoniek, fossielen en evolutie, vulkano logie, zeespiegelstijging en het uiteindelijke lot van de aarde en het leven, dat alles komt overzichtelijk in beeld.
Koolstofkringloop Klimaatverandering IJstijden IJskappen Sneeuwbalaarde Geologische tijd Stratigrafie Oorsprong van het leven Evolutie Hof van Ediacara Diversificatie Dinosaurussen Uitsterving Aanpassing Fossiele moleculen Antropoceen Toekomstige bronnen Toekomstig klimaat Toekomstige evolutie Toekomstige continenten Het einde van de aarde
inzichten aarde
Geboorte Onze metgezel de maan De hel op aarde Geologische klokken Het verhaal van de drie planeten Levende planeet Reis naar het midden van de aarde Kijken in de aarde Magnetische kern De bewegende mantel Superpluimen Korst en continent Plaattektoniek Zeebodemspreiding Subductie Vulkanen Aardbevingen Gebergtevorming Metamorfisme
www.veenmedia.nl
Martin Redfern
Een heldere, leesbare introductie!
50_inz_aarde_cover.indd 1
06-11-12 13:57
Inhoudsopgave
01 Geboorte 4 02 Onze metgezel de maan 8 03 De hel op aarde 12 04 Geologische klokken 16 05 Het verhaal van de drie planeten 20 06 Levende planeet 24
26 Sedimentatie 104 27 Zeestromingen 108 28 Atmosferische circulatie 112 29 Waterkringloop 116 30 Koolstofkringloop 120 31 Klimaatverandering 124 32 IJstijden 128 33 IJskappen 132 34 Sneeuwbalaarde 136
Binnen de aarde
Levende planeet
Inleiding 3
Oorsprong
07 Reis naar het midden van de aarde 28 08 Kijken in de aarde 32 09 Magnetische kern 36 10 De bewegende mantel 40 11 Superpluimen 44 12 Korst en continent 48 13 Plaattektoniek 52 14 Zeebodemspreiding 56 15 Subductie 60 16 Vulkanen 64 17 Aardbevingen 68 18 Gebergtevorming 72 19 Metamorfisme 76 20 Zwart goud 80 21 Rijkdom uit de diepte 84 22 Diamant heeft diepe geheimen 88
Oppervlaktesystemen 23 De gesteentecyclus 92 24 Landschapsvorming 96 25 Gradualisme en catastrofe theorie 100
50_inz_aarde_binnen.indd 2
35 Geologische tijd 140 36 Stratigrafie 144 37 Oorsprong van het leven 148 38 Evolutie 152 39 Hof van Ediacara 156 40 Diversificatie 160 41 Dinosaurussen 164 42 Uitsterving 168 43 Aanpassing 172 44 Fossiele moleculen 176 45 Antropoceen 180
Toekomst van de aarde 46 Toekomstige bronnen 184 47 Toekomstig klimaat 188 48 Toekomstige evolutie 192 49 Toekomstige continenten 196 50 Het einde van de aarde 200 Verklarende woordenlijst 204 Register 206
06-11-12 13:34
3
Inleiding We leven op een prachtige planeet. We boffen als we de tijd hebben om van zijn schoonheid te genieten, ons te laten overweldigen door zijn grootsheid en dankbaar kunnen zijn voor wat hij ons schenkt. Het grootste deel van ons leven draven we echter over zijn oppervlakte en vergeten we twee belangrijke dimensies: diepte en tijd. Met dit boek hoop ik deze vergeten dimensies in herinnering te brengen. Bedenk eens even wat er onder je voeten ligt – niet alleen de grond en het gesteente aan de oppervlakte, maar in de diepte. Op een afstand die de gemiddelde forens dagelijks aflegt, ligt een plaats waar nog nooit iemand geweest is en waar een temperatuur en druk heersen die we ons nauwelijks kunnen voorstellen. Ga over een afstand van een trans-Atlantische vlucht de diepte in en je bevindt je in een gloeiende wereld van gesmolten metaal. De aarde ligt daar niet zomaar als een blok beton om ons over zich heen te laten lopen. Hij is een levende, dynamische planeet. Vast gesteente beweegt zich over de continenten, vulkanen barsten uit en de grote diepe mantel wordt langzaam gekneed. Evenmin is het gesteente onder de oppervlakte immuun voor de processen erboven. Tussen water, lucht en het leven vindt een voortdurende dynamische interactie met de geologie plaats. Zonder oceanen zouden er geen continenten zijn. Zonder leven zouden we geen atmosfeer of een klimaat hebben. De natuurlijke cycli van onze planeet hebben het leven miljarden jaren mogelijk gemaakt. We bemoeien ons ermee op eigen risico. De andere dimensie die werd geopend door het begrijpen van de processen die in onze planeet aan het werk zijn, is die van tijd. Niet tijd zoals in lunchtijd of bedtijd, maar diepe tijd. Er is een radicale verandering nodig in de manier waarop we denken teneinde het nog te kunnen bevatten wanneer tijd wordt gemeten in tientallen en honderden miljoenen jaren, maar dat moet wel, als we onze wereld willen begrijpen. Als die verandering eenmaal heeft plaatsgevonden, beseffen we dat dagelijkse processen die zich ver in de tijd uitstrekken, bergen kunnen doen ontstaan en vernietigen, oceanen kunnen openen en continenten uiteen kunnen rijten. De diepe tijd kan nieuwe soorten scheppen en ze over de rand van uitsterven duwen. Het leven is slechts ÊÊn tik op de wijzerplaat van de klok van de diepe tijd en toch hebben we de planeet al onherkenbaar veranderd. Als we hem beter gaan begrijpen, zullen we onze wereld misschien wat vriendelijker behandelen.
50_inz_aarde_binnen.indd 3
06-11-12 13:34
4
oorsprong
01 Geboorte We bestaan allen uit sterrenstof. De waterstof en het helium die tijdens de Big Bang, 13,7 miljard jaar (13,7 Ga of giga-annum) geleden waren gevormd, werden opgestookt in de nucleaire ovens van generaties sterren om de koolstof, zuurstof en stikstof van ons lichaam te vormen, net als het silicium, magnesium en ijzer en de overige elementen waar onze planeet uit bestaat. Stofgeheugen Aan het eind van hun leven schudden sterren hun buitenste laag af. Grote sterren kunnen hun eigen gewicht niet meer dragen en storten in, waardoor er een supernova-explosie optreedt en ze in grote wolken stof en moleculen worden uiteengeblazen. Uit zulke wolken werd ons zonnestelsel geboren. Ieder molecuul van ons lichaam bevat elementen die in de sterren ontstonden. Iedere atoom goud in de ring om je vinger werd in een supernova geschapen. De aanwezigheid van de vervalproducten van kortlevende radioactieve isotopen in oude meteorieten wijst erop dat deze elementen hun oorsprong hadden in een nabije supernova-explosie die vlak voor het ontstaan van het zonnestelsel plaatsvond. Het kan zelfs zo’n explosie zijn geweest die de aanvankelijke ineenstorting van de zonnenevel veroorzaakte.
Accretie Terwijl het gas en het stof naar het centrum werden getrokken waar
uiteindelijk de zon zou ontstaan, werd het materiaal door het impulsmoment in de langzaam roterende nevel tot een schijf afgeplat. Lange tijd was dat slechts theorie, maar nu kunnen sterke telescopen het in andere stellaire kraamkamers zien gebeuren. De ster Bèta Pictoris bijvoorbeeld wordt duidelijk omringd door een zichtbare schijf van stof en gruis, die mogelijk op dit moment planeten aan het vormen is. De detectie van zogeheten exoplaneten bij meer dan duizend an-
tijdlijn
4,6 Ga
4,567 Ga
4,54 Ga
4,527 Ga
Mogelijke supernovaexplosie; zonnenevel begint zich samen te trekken
Tijdperk van de chondrulen, de eerste vaste lichamen in het zonnestelsel
De proto-aarde bereikt de grootte waarbij het smelten begint en de kern zich afscheidt
Vorming van de maan
50_inz_aarde_binnen.indd 4
06-11-12 13:34
geboorte
5
Vallende sterren De eerste vaste lichamen die in de jonge zonnenevel werden gevormd, waren de chondrulen. Dit zijn ongeveer bolvormige stukjes silicaat, met een doorsnede van een fractie van een millimeter tot een centimeter. Ze lijken te zijn gevormd doordat silicaatstof tot ongeveer 1500 °C werd verhit en smolt, waarschijnlijk door de nabijheid van de nieuwe zon of
door radioactiviteit. Ze worden tegenwoordig aangetroffen in 80 procent van de meteorieten die op de aarde vallen en kunnen verbazend nauwkeurig worden gedateerd. Met een leeftijd van 4,567 miljard jaar (plus of min 0,5 miljoen jaar) zijn ze de oudste voorwerpen van het zonnestelsel.
dere sterren wijst erop dat de geboorte van een ster vaak gepaard gaat met planeetvorming. Er is overeenstemming over dat de planeten van ons zonnestelsel zijn opgebouwd door het proces van accretie, waarbij kleine deeltjes tegen elkaar botsen en samenklonteren. Het eerste deel van dat proces is het moeilijkst te begrijpen, aangezien er weinig zwaartekracht was die de deeltjes bij elkaar kon houden en de botsingen ze ook weer zou doen uiteenvallen. Het is mogelijk dat concentraties deeltjes zich als een viskeuze vloeistof gedroegen, die bijeen bleef en slechts af en toe genoeg energie kreeg om uit elkaar te ‘spatten’. Als de relatieve snelheid van de deeltjes laag genoeg was, zouden ze beginnen samen te klonteren. Als ze eenmaal de omvang van een paar meter zouden hebben, zou de zwaartekracht het overnemen en steeds meer materiaal bij elkaar garen.
Scheiding Zwaartekrachtenergie, de warmte van radioactief verval en de energie die vrijkomt bij de botsingen zouden tot smelten hebben geleid, waarbij uiteindelijk de zwaarste elementen zoals ijzer en nikkel zonken en de kern van een ruwweg bolvormig lichaam vormden dat misschien tientallen of honder-
4,42 ga
4,404 ga
4,28 ga
3,85 ga
Oudste minerale deeltjes uit Apollomonsters van de maan
Oudste minerale deeltjes op aarde. Mogelijke aanwezigheid van water
Oudste nog bestaande gesteente op aarde, mogelijk uit een uitstroomopening in de diepzee, in de Hudson-baai in Canada
Oudste nog bestaande sedimenten, op Groenland
50_inz_aarde_binnen.indd 5
06-11-12 13:34
6
oorsprong
Sterrenalchemie Sterren zijn nucleaire ovens. Net als een waterstofbom zetten ze de overvloedigste elementen van het heelal, waterstof en helium, om in zwaardere elementen, waarbij de energie vrijkomt die ze doet stralen. Gewone sterren produceren de elementen van het leven, zoals koolstof, stikstof en zuurstof, en degene waar de aarde voor het grootste deel uit bestaat, zoals natrium, kalium, calcium, aluminium en silicium. Als een ster veroudert, schudt hij deze elementen af in de ruimte. Sommige sterren produ-
ceren zoveel koolstof dat ze worden omringd door roetwolken. Het eindpunt in de sequentie is ijzer. Om iets te maken dat zwaarder is, is meer energie nodig dan er vrijkomt. Dus als de kern van een grote ster in ijzer is omgezet, komt de kernfusie tot stilstand. De ster kan zijn grote massa niet langer dragen en stort in, wat een enorme explosie geeft die de ster opblaast en het hele scala aan zware elementen produceert, helemaal tot uranium aan toe.
den kilometers in doorsnede mat. Dat lichaam zou doorgaan met stof en grote fragmenten op te vegen, zodat er een aantal protoplaneten ontstond. Botsingen hiertussen zouden minder vaak voorkomen, maar wel heviger zijn.
Zonnewind De vorming van de zon nam wellicht slechts 10.000 jaar in beslag, waarna er genoeg materiaal was samengeperst om de temperatuur te halen die nodig was voor kernfusie en de zon kon gaan schijnen. Dat leidde tot een sterke zonnewind van deeltjes die door het jonge zonnestelsel blies. Deze zou de aarde van een vroege atmosfeer van waterstof en helium hebben ontdaan, zodat het meer resistente gesteente van de planeet overbleef. Het grootste deel van het gas vormde verder naar buiten de reuzenplaneten Jupiter en Saturnus. Vluchtig materiaal zoals methaan en water condenseerde nog verder aan de buitenkant van het zonnestelsel tot ijzige lichamen: dwergplaneten zoals Pluto, ijsmanen, objecten in de Kuipergordel en kometen. Een nieuwe planeet Onze jonge planeet groeide door. De binnenkant
was nu waarschijnlijk grotendeels gesmolten en had een ijzerkern, omringd door de primitieve silicaatmantel. Toen hij eenmaal 40 procent van zijn huidige massa had, kon de zwaartekracht helpen een atmosfeer vast te houden, die mogelijk beschermd werd door een magnetisch veld dat in de kern werd opgewekt en
50_inz_aarde_binnen.indd 6
06-11-12 13:34
geboorte
7
zonnedeeltjes afboog. Die eerste atmosfeer bestond waarschijnlijk grotendeels uit stikstof, kooldioxide en waterdamp. Zoals we op de volgende bladzijden zullen zien, ging het accretieproces door, uitlopend op de grote inslag waarbij de maan werd gevormd. Doordat de jonge aarde afkoelde, kon er vloeibaar water op de oppervlakte bestaan. Een deel van de waterdamp kan door de planeet zelf zijn gevormd als vulkanisch gas, maar een groot deel viel op de aarde als ijskometen, samen met gesteente uit meteorieten en astero誰den. Het accretieproces vindt heden ten dage nog op kleine schaal plaats. Als je op een heldere, donkere nacht naar buiten gaat, heb je kans een vallende ster te zien. Deze meteorieten zijn kleine korreltjes vast materiaal dat opbrandt in de atmosfeer, maar waar een gedeelte van op de grond terechtkomt. Ze zijn niet groter dan een zand- of rijstkorrel, maar samen leveren ze 40.000 tot 70.000 ton materiaal per jaar en zetten ze het ontstaansproces van de planeet voort.
Het idee in een notendop Planeten vormen door accretie 50_inz_aarde_binnen.indd 7
06-11-12 13:34