Klik op onderstaande afbeelding om mijn bijdrage aan het Radio 1-programma De Ochtend te beluisteren of te bekijken:
Showing posts with label Aardwetenschappen. Show all posts
Showing posts with label Aardwetenschappen. Show all posts
Tuesday, March 14, 2017
Drijvende krachten achter de verspreiding van diersoorten over de wereld
Teken op een wereldkaart welke diersoorten waar voorkomen, en je krijgt een lappendeken: kangoeroes hoppen in Australië rond, maar niet in Azië; kolibri’s vliegen rond in Zuid-Amerika, maar niet in Afrika. Biologen hebben nu voor het eerst een kwantitatief model voor de hele wereld gemaakt dat deze lappendeken van diersoorten verklaart uit de drie belangrijkste drijvende krachten: schuivende aardplaten, klimatologische omstandigheden en de hoogte van gebergten. Het model berekent hoe belangrijk elk van deze drie factoren is geweest in de verspreiding van diersoorten over de wereld.
Tuesday, March 24, 2015
Antropoceen: politieke slogan of geologisch tijdperk?
1610 of 1964?
Dat zijn volgens de Britse geologen Simon Lewis en Mark Maslin van University College London de twee mogelijke jaartallen die het begin van het Antropoceen als geologisch tijdperk definiëren: een periode waarin de mens een onuitwisbaar stempel op de aarde heeft gedrukt.
1610 markeert de verovering van Amerika door de Europeanen. 1964 markeert het atoomtijdperk. Lewis en Maslin publiceerden de resultaten van hun onderzoek in Nature van 12 maart.
Maar geologen steggelen over de vraag of het überhaupt zin heeft het Antropoceen als geologisch tijdperk te definiëren.
Thursday, September 11, 2014
Komeetlanding wordt harde dobber
Komeet 67/P is veel ruwer dan gedacht. Dat maakt de komeetlanding in november een dubbeltje op zijn kant. Lees het hele artikel op NPO Wetenschap.
Het belang van landverdamping
Hoeveel van de neerslag komt van verdamping uit oceanen en hoeveel van verdamping van het land? Een Delftse promovendus vond het antwoord. Lees het hele artikel op NPO Wetenschap.
Monday, May 12, 2014
Nederlanders meten voor het eerst ‘global cooling’ na meteorietinslag
Nederlandse wetenschappers hebben voor het eerst de temperatuurdaling gemeten die volgde op de meteorietinslag die de dinosaurussen fataal werd - 66 miljoen jaar geleden.
Lees op de website van W24 het hele artikel.
Wednesday, April 16, 2014
Haarscheurtjes bliezen de Aarde leven in
De Aarde is de enige planeet in ons zonnestelsel met bewegende aardplaten. Twee geologen denken nu te weten hoe dat kan.
Lees op de website van W24 het hele artikel.
Tuesday, March 26, 2013
Supercomputing reveals hidden earth
Italian seismologist Domenico Giardini, keynote speaker on the SARA Superdag last december, explains why supercomputers are for earth scientists what telescopes are for astronomers.
Nobel-prize winner in physics Richard Feynman (1918-1988) once remarked: “It’s hard to believe, but we know a lot more about the distribution of matter in the interior of the sun than in the interior of the Earth.” Asked whether this statement still holds true, Domenico Giardini answers without a millisecond of doubt: “o yes, that’s still true”.
At the same time, the very fact that the earth’s interior is so inaccessible, that one cannot send a submarine, a space ship or even a beam of light inside the earth, is what fascinates Giardini the most in his job as a seismologist. And it is the main reason why supercomputing has become so important to reveal the hidden earth. Combining measurements of where, when and how the earth shakes and shivers with detailed computational models tells a lot about the geophysics of the earth’s interior. For earth scientists the supercomputer is what the telescope is for astronomers.
Giardini is a professor of seismology and geodynamics at the ETH Zürich in Switzerland. He was educated in Italy as a physicist, but he changed his career from modeling the physics of the atmosphere to modeling the physics of the earth, more or less “by accident”, as he says. “When I started in the field, computational power just started to increase rapidly. It was easy to see that this development would make continuously new science possible. And as there were little people doing the same type of work, it was relatively easy to be at the forefront.”
North pole becomes south pole
From investigating rocks, scientists have known for decades that the earth’s magnetic north and south pole have interchanged positions many times in the geological history. Although there is no consensus yet about the underlying geophysical cause, today’s supercomputer simulations are beginning to unveil this mystery. Giardini: “To find the cause of the inverting poles, computer simulations need to have a certain resolution. Ten years ago the resolution was below a threshold. Nowadays our codes have crossed this threshold. Suddenly we can run a certain type of physics that was impossible before.”
Not only earth science benefits the power of Moore’s law in supercomputing, also its applications. Giardini: “The exploration of hydrocarbons like oil and gas, a field that is traditionally strong in the Netherlands, can be done with higher and higher precision.” Another application is the development of more realistic evacuation scenario’s based on better models of volcanic eruptions. In his home country Italy this is done for a possible eruption of the Vesuvius, Giardini explains: “Around the Vesuvius about half a million people are living. In the case of an eruption, it’s likely that about ten percent of the neighborhood of the volcano will be destroyed. Although we will never know exactly which ten percent will be destroyed, running different eruption scenario’s on a supercomputer can help to make more realistic evacuation scenario’s. We model what happens in the entire column of the Vesuvius and combine this with measurements at thousands of locations. What happens to the molten rock? What happens with the gas? What happens with the ash? On the basis of past eruptions, detailed measurements and state-of-the-art computational models we hope to help civil protection. Applying my scientific knowledge for the use of society is what I find the most fulfilling in my work.”
Giardini cooperates with a number of Dutch institutions: Utrecht University, KNMI and TNO. “International cooperation is needed”, he tells. “Not so much for sharing the costs of supercomputing, but primarily to share tools that are needed to run and analyze simulations. Tools such as mathematical techniques that speed up codes; visualization techniques that let us in an easily understandable way the outcomes of the calculation; and last but not least better computer architecture. Nowadays the most demanding chips are developed for games, not for science. Research is needed to develop computer architecture that are optimal for our type of simulations.”
Real time simulations of earth quakes
At the same time, the very fact that the earth’s interior is so inaccessible, that one cannot send a submarine, a space ship or even a beam of light inside the earth, is what fascinates Giardini the most in his job as a seismologist. And it is the main reason why supercomputing has become so important to reveal the hidden earth. Combining measurements of where, when and how the earth shakes and shivers with detailed computational models tells a lot about the geophysics of the earth’s interior. For earth scientists the supercomputer is what the telescope is for astronomers.
A computer simulation of wave propagation in the earth
North pole becomes south pole
On the SARA Superdag on december 19 last year, Giardini gave a keynote lecture about high performance computing in solid earth geophysics and seismology. A few decades of exponential growth in the performance of supercomputers makes it nowadays possible for earth scientists to investigate phenomena that were ten years ago impossible to investigate. “The inversion of the magnetic poles, is one of them”, tells Giardini in an interview from half january, when he is just back from field research in Nepal.
From investigating rocks, scientists have known for decades that the earth’s magnetic north and south pole have interchanged positions many times in the geological history. Although there is no consensus yet about the underlying geophysical cause, today’s supercomputer simulations are beginning to unveil this mystery. Giardini: “To find the cause of the inverting poles, computer simulations need to have a certain resolution. Ten years ago the resolution was below a threshold. Nowadays our codes have crossed this threshold. Suddenly we can run a certain type of physics that was impossible before.”
Not only earth science benefits the power of Moore’s law in supercomputing, also its applications. Giardini: “The exploration of hydrocarbons like oil and gas, a field that is traditionally strong in the Netherlands, can be done with higher and higher precision.” Another application is the development of more realistic evacuation scenario’s based on better models of volcanic eruptions. In his home country Italy this is done for a possible eruption of the Vesuvius, Giardini explains: “Around the Vesuvius about half a million people are living. In the case of an eruption, it’s likely that about ten percent of the neighborhood of the volcano will be destroyed. Although we will never know exactly which ten percent will be destroyed, running different eruption scenario’s on a supercomputer can help to make more realistic evacuation scenario’s. We model what happens in the entire column of the Vesuvius and combine this with measurements at thousands of locations. What happens to the molten rock? What happens with the gas? What happens with the ash? On the basis of past eruptions, detailed measurements and state-of-the-art computational models we hope to help civil protection. Applying my scientific knowledge for the use of society is what I find the most fulfilling in my work.”
Computer simulation of an eruption of the Vesuvius
Giardini cooperates with a number of Dutch institutions: Utrecht University, KNMI and TNO. “International cooperation is needed”, he tells. “Not so much for sharing the costs of supercomputing, but primarily to share tools that are needed to run and analyze simulations. Tools such as mathematical techniques that speed up codes; visualization techniques that let us in an easily understandable way the outcomes of the calculation; and last but not least better computer architecture. Nowadays the most demanding chips are developed for games, not for science. Research is needed to develop computer architecture that are optimal for our type of simulations.”
Real time simulations of earth quakes
The exponential growth in the power of supercomputers will still hold in the next decade. What are the new problems that can expected to be solved in the next decade? Giardini: “Let me mention two examples. The earth consists of a hard crust, a deformable mantle, a liquid outer core and a solid inner core. Within five to ten years we will get much better models for the convection in the mantle. That will lead to a better understanding of how tectonic plates move on the mantle and therefore of how earthquakes arise and how mountain ranges are formed. Our models for the mantle describe processes on the scale of million of years. But earthquakes start on a scale of seconds. We need to bridge a huge gap of scales.”
“My second example is the real time simulation of earth quakes in area’s like California, where we can combine a lot of measurements with computer simulations. In California, but also in Italy, thousands of seismic stations measure the tension in the earth’s crust. We would like to run real time simulations of earthquake scenario’s based on these input data. Nowadays it takes three years to calculate fifty different scenario’s of what might happen next. That’s far too long. Real time simulations need a lot more computing power. I expect that we will get there in the next ten years.”
[kader:]
SURFsara and the new national supercomputer Cartesius
On January 1 2013 SARA and Surf merged to SURFsara. SURFsara is now the new Dutch ICT-infrastructure, which consists of networks, supercomputers, grids and data. SARA was founded in 1984 as a national center for supercomputing for scientific research. SARA hosts the national supercomputer. From 2008-2013 this was the IBM-supercomputer named Huygens. In the first half of 2013 Huygens will be replaced by a new national supercomputer from the French company Bull. The new supercomputer is named Cartesius, after the French philosopher Rene Descartes. It is expected that Cartesius will break the petaflop barrier of 10^15 floating point operations per second in 2014.
SURF is the second partner in the newly formed SURFsara. SURF is a powerful partnership for higher education and research in which Dutch universities, colleges and research institutes jointly invest in ICT innovation. It consists of a number of companies each with their own focus: SURFnet, Surfmarket, SURFshare and as of this year: Surf Sara. In 2008 ICT Regie advised that the merger between the two foundations would lead to synergy in forming a world class e-infrastructure within the Netherlands. The then government decided to follow that advise. Within the SURF-organisation SURFsara is now responsible for delivering services in High Performance Computing (HPC), data storage and visualization.
Internet
www.surfsara.nl
“My second example is the real time simulation of earth quakes in area’s like California, where we can combine a lot of measurements with computer simulations. In California, but also in Italy, thousands of seismic stations measure the tension in the earth’s crust. We would like to run real time simulations of earthquake scenario’s based on these input data. Nowadays it takes three years to calculate fifty different scenario’s of what might happen next. That’s far too long. Real time simulations need a lot more computing power. I expect that we will get there in the next ten years.”
[kader:]
SURFsara and the new national supercomputer Cartesius
On January 1 2013 SARA and Surf merged to SURFsara. SURFsara is now the new Dutch ICT-infrastructure, which consists of networks, supercomputers, grids and data. SARA was founded in 1984 as a national center for supercomputing for scientific research. SARA hosts the national supercomputer. From 2008-2013 this was the IBM-supercomputer named Huygens. In the first half of 2013 Huygens will be replaced by a new national supercomputer from the French company Bull. The new supercomputer is named Cartesius, after the French philosopher Rene Descartes. It is expected that Cartesius will break the petaflop barrier of 10^15 floating point operations per second in 2014.
SURF is the second partner in the newly formed SURFsara. SURF is a powerful partnership for higher education and research in which Dutch universities, colleges and research institutes jointly invest in ICT innovation. It consists of a number of companies each with their own focus: SURFnet, Surfmarket, SURFshare and as of this year: Surf Sara. In 2008 ICT Regie advised that the merger between the two foundations would lead to synergy in forming a world class e-infrastructure within the Netherlands. The then government decided to follow that advise. Within the SURF-organisation SURFsara is now responsible for delivering services in High Performance Computing (HPC), data storage and visualization.
Internet
www.surfsara.nl
Friday, March 28, 2008
Hoe dode aarde levend wordt
Dode aarde weer levend maken. Een peulenschil voor de aardse biosfeer. Een eeuw na de verwoestende vulkaanuitbarsting van de Krakatau, groeit er weer een dicht tropisch regenwoud. Maar kan de mens ook zelf aan de teugels van het leven trekken? De ogenschijnlijk doodse planeet Mars tot leven wekken bijvoorbeeld? Of woestijnen vruchtbaar maken? Zelf een kunstmatige mini-biosfeer scheppen?
Een zoektocht naar de voorwaarden voor leven en naar de mogelijkheden en onmogelijkheden om het ontstaan van leven met menselijke hand te sturen.
Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, april 2004
Zo’n vier miljard jaar geleden verscheen het leven op aarde. Het kan op aarde zijn ontstaan uit niet-levende materie, maar het kan hier ook zijn gekomen door kolonisatie van elders. Hoe dan ook, we weten niet precies hoe ooit ergens leven uit niet-levende materie is ontstaan. En een algemeen aanvaarde definitie voor wat leven is, bestaat ook al niet. Twistpunt is bijvoorbeeld of we virussen wel of niet levend moeten noemen. Over welke karakteristieken van leven zijn wetenschappers het wel eens? Levende materie speelt in tegenstelling tot niet-levende materie actief in op zijn omgeving: het neemt prikkels van buiten waar en reageert daarop. Daarnaast kan levende materie groeien, zichzelf kopiëren en zich zo evolutionair ontwikkelen.
Zowel de meest simpele als de meest ingewikkelde levensvormen op aarde gebruiken dezelfde moleculen en dezelfde chemische reacties; allemaal variaties op een paar basisthema’s. Al het leven zoals wij aardbewoners dat kennen – van eenvoudige eencelligen tot hogere plant- en diersoorten – voldoet aan drie basisvoorwaarden: de beschikbaarheid van energie (bijvoorbeeld uit chemische reacties, zonlicht, vulkanische of geothermische warmte of door het eten van andere organismen); de aanwezigheid van vloeibaar water en ten slotte de aanwezigheid van de essentiële chemische elementen CHNOPS, ofwel: koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N), zuurstof (O), fosfor (P) en zwavel (S). Deze elementen zitten in aminozuren (de bouwstenen van eiwitten), in de basisingrediënten van de genetica (DNA en RNA) en in een aantal belangrijke mineralen die noodzakelijk zijn voor biologische processen.
Vooralsnog hebben we geen antwoord op de vraag of leven een exclusief aards verschijnsel is, of dat het ook elders in het universum is opgedoken. Wat we inmiddels dankzij radioastronomische waarnemingen en meteorietenonderzoek wel weten is dat zowel de voor het leven – zoals wij dat kennen – essentiële chemische bouwstenen CHNOPS, als de essentiële organische moleculen, veelvuldig in het heelal voorkomen. Interstellair stof, kometen en sommige planetoïden en meteorieten wemelen van de complexe koolstofverbindingen. Toch hebben we buiten de aarde nog nergens leven ontdekt, alhoewel buitenaards leven statistisch gezien wel voor de hand ligt. Vaak is het in het heelal ergens veel te koud, veel te warm of veel te dodelijk (uv- of kosmische straling). De aanwezigheid van de elementenrij CHNOPS is dus bij lange na niet voldoende voor het ontstaan van leven. Leven kan alleen maar gedijen daar waar de fysische, chemische en geologische randvoorwaarden ook nog eens gunstig zijn.
Kan de mens dode aarde levend maken? Kan de mens een kunstmatige biosfeer creëren? Kunnen we misschien leren van hoe de natuur zelf de wederopstanding van leven regisseert op een plek die tijdelijk is gesteriliseerd? De spannendste vraag is echter wel of de mens de nu onherbergzame, koude en droge buurplaneet Mars kan omvormen tot een levensvatbare planeet met een zelfregulerende biosfeer? Wetenschappers als Chris McKay (NASA), Robert Zubrin, Martyn Fogg en Julian Hiscox hebben al draaiboeken gemaakt voor hoe de mens zijn buurplaneet Mars kan ‘terravormen’ (www.astrobiology.com/terraforming.html). McKay publiceerde zelfs in het toonaangevende Nature over de terravorming van Mars. Deze buurplaneet is in ieder geval de meest voor de hand liggende kandidaat voor zo’n buitenaardse terravorming. Wie rondstruint op het internet kan al snel in de bedwelmende ban raken van de verleidelijke papieren terravormingsmodellen. Eenvoudige mathematische modellen opstellen voor een Martiaanse biosfeer is geen kunst, maar ze werkelijk testen is extreem lastig.
Mars terravormen
Als het gaat om de terravorming van Mars tot een levensvatbare planeet, kan geoloog Harry Priem kort zijn: “Een megalomaan plan”. Priem is emeritus hoogleraar planetaire geologie en isotopengeologie van de Universiteit Utrecht. Tegenwoordig is hij curator van het Geologisch Museum van Artis in Amsterdam. “Terravormingsmodellen zijn sterk reductionistisch. Ze brengen een buitengewoon complex, zelfregulerend systeem terug tot een paar vergelijkingen. Maar we begrijpen een complexe biosfeer bij lange na niet goed genoeg. Terravormingsmodellen zijn vooral speeltjes van fysici of astronomen, die veel minder dan bijvoorbeeld geologen gewend zijn om complexe, zelfregulerende systemen te bestuderen.”
Hoe ziet de Mars-terravorming er dan in theorie uit? In feite is het een tweestappenplan. Stap 1 heeft tot doel een opgewarmde, dichtere atmosfeer en een zelfregulerende anaërobe biosfeer, ofwel een biosfeer met nauwelijks zuurstof in de nieuwe Martiaanse atmosfeer. Zoiets als de aarde in een vroeg evolutionair stadium. Op aarde heeft het ruim twee miljard geduurd voordat er genoeg zuurstof in de aardatmosfeer zat om levenslucht te bieden aan meercellige organismen en, nog later, aan complexere plant- en diersoorten.
In stap 1 moet de Marsatmosfeer zich met veel grotere hoeveelheden koolstofdioxide gaan vullen dan nu het geval is. Momenteel bestaat 95 procent van de Marsatmosfeer uit koolstofdioxide, maar de druk hiervan is slechts zeven millibar. Temperatuur (met ruim zestig graden) en vochtigheid moeten gaan toenemen en er moet een beschermende ozonlaag ontstaan, die het uv-licht voldoende tegenhoudt. Ook de kosmische straling die het Marsoppervlak nu treft door de afwezigheid van een beschermende magnetisch veld rond de planeet, moet aanzienlijk worden gereduceerd.
Cruciaal is de vraag hoe de Marsatmosfeer zich met voldoende koolstofdioxide vult. Het op aarde vermaledijde broeikaseffect speelt hierin een sleutelrol. Wetenschappers hebben een aantal broeikasscenario’s verzonnen. Grote spiegels met diameters in de orde van honderd kilometer in een baan rond Mars kunnen zonlicht weerkaatsen naar het Marsoppervlak. Door de spiegels te richten op de poolkappen, gaan die smelten en het nu nog bevroren koolstofdioxide komt dan vrij. Hoe meer CO2 in de atmosfeer zit, hoe warmer het op onze nabuur wordt en hoe meer nieuw CO2 er weer vrijkomt. Een zich versterkend effect dus.
In een tweede scenario produceren speciale, op de planeet gestationeerde broeikasgasfabrieken methaan, koolstofdioxide en andere broeikasgassen. Het spectaculairste plan is ongetwijfeld om een ijzige asteroïde, die rijk is aan het krachtige broeikasgas ammonia, kunstmatig in botsing te brengen met Mars. De botsingsenergie doet de temperatuur van de planeet een paar graden stijgen. Geruggensteund door het ammonia van de asteroïde, zou de hoeveelheid broeikasgassen flink moeten toenemen. Eindfase van stap 1 is de komst van de eerste micro-organismen. Dat kunnen allochtone organismen zijn afkomstig van de aarde, of, als er toch leven op de Rode Planeet blijkt te zijn, reeds aanwezige organismen die zich onder gunstigere omstandigheden verder vermenigvuldigen.
Stap 2 heeft als ultiem doel een mensvriendelijk klimaat met voldoende zuurstof in de Marsatmosfeer. Dat is een groot probleem, want geologisch gezien hoort zuurstof helemaal niet thuis in een atmosfeer. Daarom is deze tweede stap nog veel moeilijker te regisseren dan de eerste stap.
“Het hoge zuurstofgehalte van de huidige aardatmosfeer is eigenlijk absurd”, zegt Priem. “Zuurstof bindt met groot gemak aan de gesteenten van het aardoppervlak. Als alleen geologische en geochemische processen een rol zouden spelen, verdwijnt alle zuurstof binnen enkele duizenden jaren uit onze atmosfeer. Het zijn juist de biologische organismen die de koolstofdioxideatmosfeer die de aarde tot twee miljard jaar geleden had, gestaag hebben omgezet in een atmosfeer met relatief veel zuurstof en relatief weinig koolstofdioxide. De crux zit in twee dingen. Enerzijds in de fotosynthese door cyanobacteriën, algen en planten. Zij zetten onder invloed van licht, koolstofdioxide om in zuurstof en organisch materiaal. Anderzijds in de ‘begraving’ van dood organisch materiaal in sedimenten door geologische processen.”
De bedenkers van de terravormingsmodellen veronderstellen dat brute kracht nodig is om de zuurstofhoeveelheid te verhogen. Zo lang het Marsklimaat nog te extreem is voor normaal aards leven, kunnen genetische gemanipuleerde planten die de nieuwe Martiaanse omgeving wel aankunnen, samen met eventueel benodigde bacteriën, op Mars worden uitgezet. Zodra het nieuwe Marsklimaat wel vriendelijk en zuurstofrijk genoeg is voor aards leven, moeten aardse organismen onze buurplaneet gaan koloniseren. Vervolgens kan zich een hydrosfeer opbouwen, waarna er ruim baan is voor de komst van planten en primitieve dieren.
Volgens de meest optimistische schatting zou zich binnen enkele millennia een atmosfeer rijk aan zuurstof kunnen opbouwen. Wat tijd betreft, is de zuurstofopbouw de bepalende factor in de terravorming van de Rode Planeet.
Kunstmatige biosfeer
Op papier zien de terravormingsmodellen er verleidelijk en fascinerend uit. Helaas laten de modellen voor Marsterravorming zich niet zomaar even testen. Nog steeds beschikken we over veel te weinig gegevens over de precieze samenstelling van de Marsbodem. Dat betekent een grote onzekerheid in de randvoorwaarden van de modellen. En nog steeds weten we lang niet voldoende over zoiets complex als een zelfregulerende biosfeer. Dat vormt een extra onzekerheid in de vergelijkingen van de modellen zelf. Nemen de wiskundige modellen wel voldoende processen, kringlopen en terugkoppelingen mee? Het lijkt buitengewoon onwaarschijnlijk.
Misschien kunnen we lering trekken uit een kleinschalig experiment met een kunstmatige biosfeer. In de jaren negentig startte in Oracle, Arizona (VS) het Biosphere-2-project. Biosphere-2 moest een miniatuurversie van de aardse biosfeer (Biosphere 1) worden. Tussen september 1991 en september 1993 leefden vier mannen en vier vrouwen op een gebied van 1,28 hectare, onder een afgesloten, glazen structuur met een volume van tweehonderdduizend kubieke meter. Het project moest testen of mensen in een kleinschalige, zelfregulerende biosfeer duurzaam kunnen leven. Biosphere-2 was wel nog steeds voor zonlicht en enige elektriciteit afhankelijk van de wereld buiten de koepel.
In Biosphere 2 leefden naast acht mensen ook 3500 plant- en diersoorten verdeeld over miniatuurecosystemen als woestijn, grasland, moeras, oceaan en regenwoud. De bewoners bivakkeerden in hun eigen menselijke habitat. Ze moesten zelfstandig aan hun voedsel zien te komen en hun eigen afval recyclen. In de loop van 1993 begon het zuurstofgehalte echter zo gevaarlijk te dalen dat Biosphere-2 aan de externe zuurstof moest. Ook moest er voedsel van buitenaf worden aangevoerd. Daarmee was het project eigenlijk mislukt. Tweehonderd miljoen dollar en een slechts beperkte kennis van alle processen in de kunstmatige biosfeer bleken uiteindelijk niet genoeg om acht mensen in een kunstmatige biosfeer in leven te houden. “Misschien is Biosphere-2 wel te klein geweest om zelfregulerend te zijn”, meent Priem. In ieder geval is duidelijk hoe moeilijk het is om alle relevante processen te kennen van een zelfregulerende biosfeer, zelfs eentje met een menselijke maat.
Tegen de achtergrond van deze mislukking lijkt de conclusie van de wetenschappers Robert Zubrin en Chris McKay in hun overzichtsartikel Technological requirements for Terraforming Mars hopeloos optimistisch: “We hebben laten zien dat binnen ruime onzekerheidsmarges over de condities op Mars, de mens drastischer verbeteringen kan aanbrengen in de levensvatbaarheid van de Rode Planeet, gebruik makend van technologieën uit het midden van de 21e eeuw...Het moet op zijn minst mogelijk zijn Mars zodanig te verjongen dat het net zo ontvankelijk wordt voor leven zoals het ooit is geweest.”
Geoloog Priem: “Terravorming wil eigenlijk het natuurlijke evolutieproces dat op aarde een paar miljard jaar heeft geduurd, in een fractie van die tijd realiseren, liefst zelfs binnen een handvol generaties. Ik geloof er helemaal niets van, zelfs nog afgezien van praktische, technische en financiële zaken. We begrijpen veel te weinig van complexe ecosystemen en we weten veel te weinig van het huidige Mars om betrouwbare modellen te maken.”
Leven terug op Krakatau
Terug naar planeet aarde. En terug naar kleine ecosystemen die we wél wetenschappelijk kunnen onderzoeken. Eind augustus 1883, na maandenlang gerommel, kwam het vulkaaneiland Krakatau in het huidige Indonesië (31 kilometer van Java en 41 kilometer van Sumatra) tot een ongekend grote uitbarsting. Het resultaat moet een inferno zijn geweest. De gloeiendhete magmastroom steriliseerde het leven volledig. Eén eiland met drie vulkanen viel uiteen in drie kleine eilandjes.
Maar het leven liet zich niet lang wegdringen. Plantenpopulatiebioloog Peter van Dijk van het Nederlands Instituut voor Ecologie (NIOO-KNAW) deed samen met biologe Tracey Parrish onderzoek naar de genetische gevolgen van de eilandkolonisatie na 1883.
Van Dijk vertelt: “Een jaar na de uitbarsting koloniseerden de eerste bacteriën alweer de drie eilandjes. En die bacteriën verschilden niet van die op het nabije Java. De wind heeft ze waarschijnlijk meegenomen. Drie jaar na de verwoestende uitbarsting vond een geologische expeditie al weer planten langs de kust en een slijmlaag van blauwwier, allemaal gedijend op tientallen meters hoge vulkanische as. Rond 1915 verschenen de eerste bomen en boomgroepen temidden van het al langer aanwezige gras. Tussen 1920 en 1930 ontwikkelde zich een gesloten bos, met allerlei planten die op de bomen begonnen te groeien. Rond 1980 bevolkten al zo’n vierhonderd plantensoorten Krakatau, sommige aangevoerd via de zee, andere door de wind en weer andere verspreid door vogels en vleermuizen. De laatste nieuwe soort, een boom met zware zaden, werd vijf jaar geleden voor het eerst gevonden.”
De regeneratie van de eilanden gaat dus onverminderd voort. Wie er tegenwoordig naar toe gaat, vindt een ecosysteem dat in eerste instantie een gewoon regenwoud lijkt. “Toch is de soortenrijkdom kleiner dan die van de oorspronkelijke vegetatie”, vervolgt Van Dijk. “Uit ons onderzoek bleek echter wel dat de genetische variatie binnen vijf soorten bomen die we hadden onderzocht, net zo groot was als die op Java en Sumatra. En dat was geheel tegen de verwachting van alle wetenschappers in. Op zichzelf was die bevinding wel een goed teken, want een grote genetische variatie binnen een soort betekent dat die soort beter bestand is tegen parasieten.”
Vergelijken we de terugkeer van het leven op Krakatau met terravorming van Mars, dan zijn er eigenlijk onvergelijkbare verschillen. Krakatau is niet meer dan een klein onderdeel van een grote wereldwijde biosfeer, die als geheel niet is aangetast door de vulkaanuitbarsting. Bovendien liggen de eilandjes zo dicht bij rijke, bestaande ecosystemen dat de zee, de wind en de vogels het leven moeiteloos weer op Krakatau deponeerden. Voeg daarbij de maagdelijke gestolde lava, vol met voedingsstoffen die noodzakelijk zijn voor leven, en het is duidelijk dat de voorwaarden ideaal waren voor een terugkeer van het leven, al is het dan vooralsnog minder soortenrijk dan vóór de uitbarsting.
Bioloog Edward Wilson schreef dat een gehavend ecosysteem zich op kleine schaal vrij makkelijk kan herstellen onder twee voorwaarden. Mensen moeten de plek met rust laten en daarnaast moeten zich dichtbij andere ecosystemen bevinden, die niet zijn aangetast. Dan springt het leven wel weer makkelijk over. Op Krakatau waren alle randvoorwaarden voor nieuw leven perfect. Mars kent daarentegen niet eens de noodzakelijke basisvoorwaarden in zijn huidige atmosfeer.
Een ander fascinerend voorbeeld van terravorming op aarde is het compleet nieuwe vulkaaneilandje Surtsey, dat tussen 1963 en 1968 voor de zuidkust van IJsland uit de oceaan oprees. In 1970, twee jaar na de laatste vulkanische activiteit, vond men in de nieuwe bodem al de eerste sporen van micro-organismen die stikstof uit de bodem vastleggen. Blauwalgen bleken de eerste kolonisatoren van het eilandje te zijn. Deze algen hebben genoeg aan water, zonlicht en stikstof in de bodem. Voor onderzoekers is Surtsey nog steeds een prachtige plek om het ontstaan van leven op een geheel nieuw stukje aarde te onderzoeken. Net als op Krakatau, ontstond er op Surtsey binnen de kortste keren leven dat van de directe omgeving oversprong.
Woestijn vruchtbaar maken
Woestijnen zijn verzengend heet en kurkdroog, maar op beperkte schaal is er wel degelijk leven. In die zin verschilt het van terravorming die op dode aarde ontstaat. Het menselijk ingrijpen in woestijnen heeft een wisselend succes gekend. Op relatief kleine schaal is het in de Israëlische Negev-woestijn gelukt om delen vruchtbaar te maken. Priem: “Daar zie je stukken aarde die eeuwenlang gortdroog waren en waar helemaal niets was, maar die er nu uitzien als groene oases. De Israëli ontzilten met zonne-energie zout water bij Eilat en voeren het vervolgens via ondergrondse buizen aan. Met een efficiënte druppelmethode wordt het water onder de grond in de bodem gedruppeld. Bovengronds sproeien zou tot veel te veel verdamping in die gloeiende hitte leiden. Als je vervolgens de geschikte gewassen zoekt, die in aanwezigheid van voldoende water wel die hitte kunnen verdragen, dan kun je woestijn inderdaad vruchtbaar maken. Maar uiteraard gaat het dan om kleine stukken, niet om de hele Negev-woestijn.”
Het veel grootschaligere plan van de Sovjets onder Stalin om de woestijn ten oosten van de Kaspische Zee (in het huidige Turkmenistan) vruchtbaar te maken voor de katoenteelt, is daarentegen op een totale mislukking uitgelopen. Rond 1954 groeven de Sovjets een 1150 kilometer lang kanaal om water van de rivier Amoe Darja af te tappen en de woestijn in het huidige Turkmenistan te bevloeien. Maar het water wilde niet stromen, er ontstonden moerassen in het eerste deel, water verdween in de zandige woestijngrond en onder het felle zonlicht woekerden allerlei algen en planten. Een ander monstrueus Russische megaplan, dat van de omkering van drie rivieren in Europees Rusland en twee in Siberië, is na decennialang intensief ingenieurswerk uiteindelijk in de jaren tachtig tot stilstand gekomen. Tijdens het presidentschap van Gorbatsjov concludeerde een onderzoekscommissie dat de milieurisico’s van de ombuiging ongekend groot waren.
Priem: “De Sovjets wilden het veel te groots aanpakken. Op kleine schaal kun je succes bereiken, zoals Israël in de Negev laat zien. Hoe groter je echter de schaal maakt, hoe slechter je kunt voorspellen wat er gaat gebeuren, en hoe drastischer de ingreep in het ecosysteem.”
Extreem leven
Terravorming onderzoeken betekent ook de mogelijkheid van leven op extreme locaties onderzoeken. NASA-wetenschapper Chris McKay, een van de specialisten op het gebied van terravorming, doet bijvoorbeeld dit soort studies. Aan de ene kant hebben wetenschappers nog geen buitenaards leven gevonden. Maar aan de andere kant blijkt juist de laatste jaren dat het leven binnen de aardse biosfeer veel wijder verbreid is dan altijd gedacht.
“We vinden levenssporen van hoog in de stratosfeer tot diep in de aardbodem”, zegt Priem. “Men heeft zelfs levenskrachtige sporen gevonden in de resten van insecten die veertig miljoen jaar geleden ingesloten werden door het hars van bomen, en vervolgens tot barnsteen zijn verhard. Nog maar tot enkele jaren geleden hadden we het bestaan van microbieel leven in graniet en basalt op kilometers diepte niet vermoed. We weten nu veel meer over extremofielen, organismen die juist leven in extreme omgevingen waar in eerste instantie geen leven mogelijk lijkt. Dan gaat het om kokendheet water in geisers, zwavelhoudende heetwaterbronnen, en de nabije omgeving van ‘black smokers’: opspuitende fonteinen van water met een temperatuur tussen drie- en vierhonderd graden Celsius, waar de druk driehonderd bar is. Maar wetenschappers vinden ook microbieel leven in omgevingen van met zout verzadigd water, Antarctisch ijs dat nooit warmer wordt dan min-dertig graden Celsius, en poriënwater onder hoge temperatuur en druk in diepe gesteenten.”
De oudst bekende sporen van microbieel leven zijn gevonden in een 3,8 miljard jaar oude sedimentformatie in West-Groenland. Daar is het destijds afgezet in een warme oceanische omgeving onder een koolstofdioxidedampkring zonder zuurstof, ook niet bepaald een omgeving die we snel associëren met leven.
“En er zijn ook bacteriën die onverwacht veel weerstand hebben tegen ultraviolette en radioactieve straling”, zegt Priem. “Het blijkt dat zij de opgelopen DNA-schade kunnen repareren en zo toch overleven. De bacterie Deinococcus radiodurans overleeft gammastraling die duizenden malen hoger is dan de voor de mens dodelijke hoeveelheid. Ook sommige eencellige kiezelwieren blijken te gedijen in een zwaar radioactieve omgeving. Laboratoriumproeven hebben bovendien aangetoond dat aardse archaebacteriën als Pseudomonas en Aerobacter zelfs de condities op Mars kunnen overleven en zich er kunnen vermenigvuldigen.” Maar met dit soort extreem leven is het consciëntieuze tweestappenplan voor de terravorming van de Rode Planeet bij lange na niet geholpen.
Martyn Fogg besluit zijn artikel Terraforming Mars: A review of Research met de woorden: “Behalve van haar mogelijke rol als een langetermijn-doel voor ruimte-exploratie, is dit werk [modellen voor de terravorming van Mars] nu al waardevol als een stimulerend, interdisciplinair gedachte-experiment dat van nut is in het onderwijs, de terrestriale planetologie en de entertainmentmedia.”
Terravorming van de Rode Planeet is niet langer de sciencefiction die het was in de eerste helft van de 20e eeuw, toen het idee voor het eerst in de sciencefictionliteratuur opdook. Maar het heeft zeker nog niet het gedegen wetenschappelijk karakter dat nodig is om het idee in praktische zin serieus te nemen. We weten nog veel te weinig van Mars en we begrijpen nog veel te weinig van alle relevante processen in een zelfregulerende biosfeer. Voorlopig kan de menselijke intelligentie bij lange na niet tippen aan de intelligentie van de zelfregulerende aardse biosfeer. Die laatste kan dode aarde wél makkelijk levend maken.
Informatie
www.astrobiology.com/terraforming.html Pagina met links naar een aantal belangrijke technische, wetenschappelijke en opinieartikelen over de terravorming van Mars, onder andere van vooraanstaande terravormingonderzoekers Robert Zubrin, Chris McKay en Martyn Fogg.
www.marssociety.nl/terrafor.php Nederlandstalige pagina van de Mars Society Nederland met een introductie over terravorming. Met veel links naar meer specialistische Engelstalige artikelen.
www.marssociety.nl/rogro.html Online-debat tussen voor- en tegenstanders van de terravorming van Mars, op de site van de Mars Society Nederland
www.users.globalnet.co.uk/~mfogg/simul.htm Simulatieprogramma waarmee je een aantal karakteristieken van Mars kunt veranderen. Het programma berekent hoe diverse andere karakteristieken van Mars vervolgens wijzigen, in ieder geval volgens Martyn Foggs model. Helaas nog niet uitgerust met een mooie Marskaart die de veranderingen ook visueel weergeeft.
www.geocities.com/fra_nl/ Toekomstige landkaart van een door terravorming veranderend Mars
www.open2.net/diyscience/ecosphere/ Schep een virtueel ecosysteem
www.vulkaner.no/n/surtsey/esurtmenu.html Het ontstaan van leven op het IJslandse vulkaaneilandje Surtsey dat in 1963 plotseling uit de oceaan oprees.
Literatuur
Systeem aarde, Cahiers Bio-wetenschappen en maatschappij, 2003, ISBN 9073196345
Een zoektocht naar de voorwaarden voor leven en naar de mogelijkheden en onmogelijkheden om het ontstaan van leven met menselijke hand te sturen.
Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, april 2004
Zo’n vier miljard jaar geleden verscheen het leven op aarde. Het kan op aarde zijn ontstaan uit niet-levende materie, maar het kan hier ook zijn gekomen door kolonisatie van elders. Hoe dan ook, we weten niet precies hoe ooit ergens leven uit niet-levende materie is ontstaan. En een algemeen aanvaarde definitie voor wat leven is, bestaat ook al niet. Twistpunt is bijvoorbeeld of we virussen wel of niet levend moeten noemen. Over welke karakteristieken van leven zijn wetenschappers het wel eens? Levende materie speelt in tegenstelling tot niet-levende materie actief in op zijn omgeving: het neemt prikkels van buiten waar en reageert daarop. Daarnaast kan levende materie groeien, zichzelf kopiëren en zich zo evolutionair ontwikkelen.
Zowel de meest simpele als de meest ingewikkelde levensvormen op aarde gebruiken dezelfde moleculen en dezelfde chemische reacties; allemaal variaties op een paar basisthema’s. Al het leven zoals wij aardbewoners dat kennen – van eenvoudige eencelligen tot hogere plant- en diersoorten – voldoet aan drie basisvoorwaarden: de beschikbaarheid van energie (bijvoorbeeld uit chemische reacties, zonlicht, vulkanische of geothermische warmte of door het eten van andere organismen); de aanwezigheid van vloeibaar water en ten slotte de aanwezigheid van de essentiële chemische elementen CHNOPS, ofwel: koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N), zuurstof (O), fosfor (P) en zwavel (S). Deze elementen zitten in aminozuren (de bouwstenen van eiwitten), in de basisingrediënten van de genetica (DNA en RNA) en in een aantal belangrijke mineralen die noodzakelijk zijn voor biologische processen.
Vooralsnog hebben we geen antwoord op de vraag of leven een exclusief aards verschijnsel is, of dat het ook elders in het universum is opgedoken. Wat we inmiddels dankzij radioastronomische waarnemingen en meteorietenonderzoek wel weten is dat zowel de voor het leven – zoals wij dat kennen – essentiële chemische bouwstenen CHNOPS, als de essentiële organische moleculen, veelvuldig in het heelal voorkomen. Interstellair stof, kometen en sommige planetoïden en meteorieten wemelen van de complexe koolstofverbindingen. Toch hebben we buiten de aarde nog nergens leven ontdekt, alhoewel buitenaards leven statistisch gezien wel voor de hand ligt. Vaak is het in het heelal ergens veel te koud, veel te warm of veel te dodelijk (uv- of kosmische straling). De aanwezigheid van de elementenrij CHNOPS is dus bij lange na niet voldoende voor het ontstaan van leven. Leven kan alleen maar gedijen daar waar de fysische, chemische en geologische randvoorwaarden ook nog eens gunstig zijn.
Kan de mens dode aarde levend maken? Kan de mens een kunstmatige biosfeer creëren? Kunnen we misschien leren van hoe de natuur zelf de wederopstanding van leven regisseert op een plek die tijdelijk is gesteriliseerd? De spannendste vraag is echter wel of de mens de nu onherbergzame, koude en droge buurplaneet Mars kan omvormen tot een levensvatbare planeet met een zelfregulerende biosfeer? Wetenschappers als Chris McKay (NASA), Robert Zubrin, Martyn Fogg en Julian Hiscox hebben al draaiboeken gemaakt voor hoe de mens zijn buurplaneet Mars kan ‘terravormen’ (www.astrobiology.com/terraforming.html). McKay publiceerde zelfs in het toonaangevende Nature over de terravorming van Mars. Deze buurplaneet is in ieder geval de meest voor de hand liggende kandidaat voor zo’n buitenaardse terravorming. Wie rondstruint op het internet kan al snel in de bedwelmende ban raken van de verleidelijke papieren terravormingsmodellen. Eenvoudige mathematische modellen opstellen voor een Martiaanse biosfeer is geen kunst, maar ze werkelijk testen is extreem lastig.
Mars terravormen
Als het gaat om de terravorming van Mars tot een levensvatbare planeet, kan geoloog Harry Priem kort zijn: “Een megalomaan plan”. Priem is emeritus hoogleraar planetaire geologie en isotopengeologie van de Universiteit Utrecht. Tegenwoordig is hij curator van het Geologisch Museum van Artis in Amsterdam. “Terravormingsmodellen zijn sterk reductionistisch. Ze brengen een buitengewoon complex, zelfregulerend systeem terug tot een paar vergelijkingen. Maar we begrijpen een complexe biosfeer bij lange na niet goed genoeg. Terravormingsmodellen zijn vooral speeltjes van fysici of astronomen, die veel minder dan bijvoorbeeld geologen gewend zijn om complexe, zelfregulerende systemen te bestuderen.”
Hoe ziet de Mars-terravorming er dan in theorie uit? In feite is het een tweestappenplan. Stap 1 heeft tot doel een opgewarmde, dichtere atmosfeer en een zelfregulerende anaërobe biosfeer, ofwel een biosfeer met nauwelijks zuurstof in de nieuwe Martiaanse atmosfeer. Zoiets als de aarde in een vroeg evolutionair stadium. Op aarde heeft het ruim twee miljard geduurd voordat er genoeg zuurstof in de aardatmosfeer zat om levenslucht te bieden aan meercellige organismen en, nog later, aan complexere plant- en diersoorten.
In stap 1 moet de Marsatmosfeer zich met veel grotere hoeveelheden koolstofdioxide gaan vullen dan nu het geval is. Momenteel bestaat 95 procent van de Marsatmosfeer uit koolstofdioxide, maar de druk hiervan is slechts zeven millibar. Temperatuur (met ruim zestig graden) en vochtigheid moeten gaan toenemen en er moet een beschermende ozonlaag ontstaan, die het uv-licht voldoende tegenhoudt. Ook de kosmische straling die het Marsoppervlak nu treft door de afwezigheid van een beschermende magnetisch veld rond de planeet, moet aanzienlijk worden gereduceerd.
Cruciaal is de vraag hoe de Marsatmosfeer zich met voldoende koolstofdioxide vult. Het op aarde vermaledijde broeikaseffect speelt hierin een sleutelrol. Wetenschappers hebben een aantal broeikasscenario’s verzonnen. Grote spiegels met diameters in de orde van honderd kilometer in een baan rond Mars kunnen zonlicht weerkaatsen naar het Marsoppervlak. Door de spiegels te richten op de poolkappen, gaan die smelten en het nu nog bevroren koolstofdioxide komt dan vrij. Hoe meer CO2 in de atmosfeer zit, hoe warmer het op onze nabuur wordt en hoe meer nieuw CO2 er weer vrijkomt. Een zich versterkend effect dus.
In een tweede scenario produceren speciale, op de planeet gestationeerde broeikasgasfabrieken methaan, koolstofdioxide en andere broeikasgassen. Het spectaculairste plan is ongetwijfeld om een ijzige asteroïde, die rijk is aan het krachtige broeikasgas ammonia, kunstmatig in botsing te brengen met Mars. De botsingsenergie doet de temperatuur van de planeet een paar graden stijgen. Geruggensteund door het ammonia van de asteroïde, zou de hoeveelheid broeikasgassen flink moeten toenemen. Eindfase van stap 1 is de komst van de eerste micro-organismen. Dat kunnen allochtone organismen zijn afkomstig van de aarde, of, als er toch leven op de Rode Planeet blijkt te zijn, reeds aanwezige organismen die zich onder gunstigere omstandigheden verder vermenigvuldigen.
Stap 2 heeft als ultiem doel een mensvriendelijk klimaat met voldoende zuurstof in de Marsatmosfeer. Dat is een groot probleem, want geologisch gezien hoort zuurstof helemaal niet thuis in een atmosfeer. Daarom is deze tweede stap nog veel moeilijker te regisseren dan de eerste stap.
“Het hoge zuurstofgehalte van de huidige aardatmosfeer is eigenlijk absurd”, zegt Priem. “Zuurstof bindt met groot gemak aan de gesteenten van het aardoppervlak. Als alleen geologische en geochemische processen een rol zouden spelen, verdwijnt alle zuurstof binnen enkele duizenden jaren uit onze atmosfeer. Het zijn juist de biologische organismen die de koolstofdioxideatmosfeer die de aarde tot twee miljard jaar geleden had, gestaag hebben omgezet in een atmosfeer met relatief veel zuurstof en relatief weinig koolstofdioxide. De crux zit in twee dingen. Enerzijds in de fotosynthese door cyanobacteriën, algen en planten. Zij zetten onder invloed van licht, koolstofdioxide om in zuurstof en organisch materiaal. Anderzijds in de ‘begraving’ van dood organisch materiaal in sedimenten door geologische processen.”
De bedenkers van de terravormingsmodellen veronderstellen dat brute kracht nodig is om de zuurstofhoeveelheid te verhogen. Zo lang het Marsklimaat nog te extreem is voor normaal aards leven, kunnen genetische gemanipuleerde planten die de nieuwe Martiaanse omgeving wel aankunnen, samen met eventueel benodigde bacteriën, op Mars worden uitgezet. Zodra het nieuwe Marsklimaat wel vriendelijk en zuurstofrijk genoeg is voor aards leven, moeten aardse organismen onze buurplaneet gaan koloniseren. Vervolgens kan zich een hydrosfeer opbouwen, waarna er ruim baan is voor de komst van planten en primitieve dieren.
Volgens de meest optimistische schatting zou zich binnen enkele millennia een atmosfeer rijk aan zuurstof kunnen opbouwen. Wat tijd betreft, is de zuurstofopbouw de bepalende factor in de terravorming van de Rode Planeet.
Kunstmatige biosfeer
Op papier zien de terravormingsmodellen er verleidelijk en fascinerend uit. Helaas laten de modellen voor Marsterravorming zich niet zomaar even testen. Nog steeds beschikken we over veel te weinig gegevens over de precieze samenstelling van de Marsbodem. Dat betekent een grote onzekerheid in de randvoorwaarden van de modellen. En nog steeds weten we lang niet voldoende over zoiets complex als een zelfregulerende biosfeer. Dat vormt een extra onzekerheid in de vergelijkingen van de modellen zelf. Nemen de wiskundige modellen wel voldoende processen, kringlopen en terugkoppelingen mee? Het lijkt buitengewoon onwaarschijnlijk.
Misschien kunnen we lering trekken uit een kleinschalig experiment met een kunstmatige biosfeer. In de jaren negentig startte in Oracle, Arizona (VS) het Biosphere-2-project. Biosphere-2 moest een miniatuurversie van de aardse biosfeer (Biosphere 1) worden. Tussen september 1991 en september 1993 leefden vier mannen en vier vrouwen op een gebied van 1,28 hectare, onder een afgesloten, glazen structuur met een volume van tweehonderdduizend kubieke meter. Het project moest testen of mensen in een kleinschalige, zelfregulerende biosfeer duurzaam kunnen leven. Biosphere-2 was wel nog steeds voor zonlicht en enige elektriciteit afhankelijk van de wereld buiten de koepel.
In Biosphere 2 leefden naast acht mensen ook 3500 plant- en diersoorten verdeeld over miniatuurecosystemen als woestijn, grasland, moeras, oceaan en regenwoud. De bewoners bivakkeerden in hun eigen menselijke habitat. Ze moesten zelfstandig aan hun voedsel zien te komen en hun eigen afval recyclen. In de loop van 1993 begon het zuurstofgehalte echter zo gevaarlijk te dalen dat Biosphere-2 aan de externe zuurstof moest. Ook moest er voedsel van buitenaf worden aangevoerd. Daarmee was het project eigenlijk mislukt. Tweehonderd miljoen dollar en een slechts beperkte kennis van alle processen in de kunstmatige biosfeer bleken uiteindelijk niet genoeg om acht mensen in een kunstmatige biosfeer in leven te houden. “Misschien is Biosphere-2 wel te klein geweest om zelfregulerend te zijn”, meent Priem. In ieder geval is duidelijk hoe moeilijk het is om alle relevante processen te kennen van een zelfregulerende biosfeer, zelfs eentje met een menselijke maat.
Tegen de achtergrond van deze mislukking lijkt de conclusie van de wetenschappers Robert Zubrin en Chris McKay in hun overzichtsartikel Technological requirements for Terraforming Mars hopeloos optimistisch: “We hebben laten zien dat binnen ruime onzekerheidsmarges over de condities op Mars, de mens drastischer verbeteringen kan aanbrengen in de levensvatbaarheid van de Rode Planeet, gebruik makend van technologieën uit het midden van de 21e eeuw...Het moet op zijn minst mogelijk zijn Mars zodanig te verjongen dat het net zo ontvankelijk wordt voor leven zoals het ooit is geweest.”
Geoloog Priem: “Terravorming wil eigenlijk het natuurlijke evolutieproces dat op aarde een paar miljard jaar heeft geduurd, in een fractie van die tijd realiseren, liefst zelfs binnen een handvol generaties. Ik geloof er helemaal niets van, zelfs nog afgezien van praktische, technische en financiële zaken. We begrijpen veel te weinig van complexe ecosystemen en we weten veel te weinig van het huidige Mars om betrouwbare modellen te maken.”
Leven terug op Krakatau
Terug naar planeet aarde. En terug naar kleine ecosystemen die we wél wetenschappelijk kunnen onderzoeken. Eind augustus 1883, na maandenlang gerommel, kwam het vulkaaneiland Krakatau in het huidige Indonesië (31 kilometer van Java en 41 kilometer van Sumatra) tot een ongekend grote uitbarsting. Het resultaat moet een inferno zijn geweest. De gloeiendhete magmastroom steriliseerde het leven volledig. Eén eiland met drie vulkanen viel uiteen in drie kleine eilandjes.
Maar het leven liet zich niet lang wegdringen. Plantenpopulatiebioloog Peter van Dijk van het Nederlands Instituut voor Ecologie (NIOO-KNAW) deed samen met biologe Tracey Parrish onderzoek naar de genetische gevolgen van de eilandkolonisatie na 1883.
Van Dijk vertelt: “Een jaar na de uitbarsting koloniseerden de eerste bacteriën alweer de drie eilandjes. En die bacteriën verschilden niet van die op het nabije Java. De wind heeft ze waarschijnlijk meegenomen. Drie jaar na de verwoestende uitbarsting vond een geologische expeditie al weer planten langs de kust en een slijmlaag van blauwwier, allemaal gedijend op tientallen meters hoge vulkanische as. Rond 1915 verschenen de eerste bomen en boomgroepen temidden van het al langer aanwezige gras. Tussen 1920 en 1930 ontwikkelde zich een gesloten bos, met allerlei planten die op de bomen begonnen te groeien. Rond 1980 bevolkten al zo’n vierhonderd plantensoorten Krakatau, sommige aangevoerd via de zee, andere door de wind en weer andere verspreid door vogels en vleermuizen. De laatste nieuwe soort, een boom met zware zaden, werd vijf jaar geleden voor het eerst gevonden.”
De regeneratie van de eilanden gaat dus onverminderd voort. Wie er tegenwoordig naar toe gaat, vindt een ecosysteem dat in eerste instantie een gewoon regenwoud lijkt. “Toch is de soortenrijkdom kleiner dan die van de oorspronkelijke vegetatie”, vervolgt Van Dijk. “Uit ons onderzoek bleek echter wel dat de genetische variatie binnen vijf soorten bomen die we hadden onderzocht, net zo groot was als die op Java en Sumatra. En dat was geheel tegen de verwachting van alle wetenschappers in. Op zichzelf was die bevinding wel een goed teken, want een grote genetische variatie binnen een soort betekent dat die soort beter bestand is tegen parasieten.”
Vergelijken we de terugkeer van het leven op Krakatau met terravorming van Mars, dan zijn er eigenlijk onvergelijkbare verschillen. Krakatau is niet meer dan een klein onderdeel van een grote wereldwijde biosfeer, die als geheel niet is aangetast door de vulkaanuitbarsting. Bovendien liggen de eilandjes zo dicht bij rijke, bestaande ecosystemen dat de zee, de wind en de vogels het leven moeiteloos weer op Krakatau deponeerden. Voeg daarbij de maagdelijke gestolde lava, vol met voedingsstoffen die noodzakelijk zijn voor leven, en het is duidelijk dat de voorwaarden ideaal waren voor een terugkeer van het leven, al is het dan vooralsnog minder soortenrijk dan vóór de uitbarsting.
Bioloog Edward Wilson schreef dat een gehavend ecosysteem zich op kleine schaal vrij makkelijk kan herstellen onder twee voorwaarden. Mensen moeten de plek met rust laten en daarnaast moeten zich dichtbij andere ecosystemen bevinden, die niet zijn aangetast. Dan springt het leven wel weer makkelijk over. Op Krakatau waren alle randvoorwaarden voor nieuw leven perfect. Mars kent daarentegen niet eens de noodzakelijke basisvoorwaarden in zijn huidige atmosfeer.
Een ander fascinerend voorbeeld van terravorming op aarde is het compleet nieuwe vulkaaneilandje Surtsey, dat tussen 1963 en 1968 voor de zuidkust van IJsland uit de oceaan oprees. In 1970, twee jaar na de laatste vulkanische activiteit, vond men in de nieuwe bodem al de eerste sporen van micro-organismen die stikstof uit de bodem vastleggen. Blauwalgen bleken de eerste kolonisatoren van het eilandje te zijn. Deze algen hebben genoeg aan water, zonlicht en stikstof in de bodem. Voor onderzoekers is Surtsey nog steeds een prachtige plek om het ontstaan van leven op een geheel nieuw stukje aarde te onderzoeken. Net als op Krakatau, ontstond er op Surtsey binnen de kortste keren leven dat van de directe omgeving oversprong.
Woestijn vruchtbaar maken
Woestijnen zijn verzengend heet en kurkdroog, maar op beperkte schaal is er wel degelijk leven. In die zin verschilt het van terravorming die op dode aarde ontstaat. Het menselijk ingrijpen in woestijnen heeft een wisselend succes gekend. Op relatief kleine schaal is het in de Israëlische Negev-woestijn gelukt om delen vruchtbaar te maken. Priem: “Daar zie je stukken aarde die eeuwenlang gortdroog waren en waar helemaal niets was, maar die er nu uitzien als groene oases. De Israëli ontzilten met zonne-energie zout water bij Eilat en voeren het vervolgens via ondergrondse buizen aan. Met een efficiënte druppelmethode wordt het water onder de grond in de bodem gedruppeld. Bovengronds sproeien zou tot veel te veel verdamping in die gloeiende hitte leiden. Als je vervolgens de geschikte gewassen zoekt, die in aanwezigheid van voldoende water wel die hitte kunnen verdragen, dan kun je woestijn inderdaad vruchtbaar maken. Maar uiteraard gaat het dan om kleine stukken, niet om de hele Negev-woestijn.”
Het veel grootschaligere plan van de Sovjets onder Stalin om de woestijn ten oosten van de Kaspische Zee (in het huidige Turkmenistan) vruchtbaar te maken voor de katoenteelt, is daarentegen op een totale mislukking uitgelopen. Rond 1954 groeven de Sovjets een 1150 kilometer lang kanaal om water van de rivier Amoe Darja af te tappen en de woestijn in het huidige Turkmenistan te bevloeien. Maar het water wilde niet stromen, er ontstonden moerassen in het eerste deel, water verdween in de zandige woestijngrond en onder het felle zonlicht woekerden allerlei algen en planten. Een ander monstrueus Russische megaplan, dat van de omkering van drie rivieren in Europees Rusland en twee in Siberië, is na decennialang intensief ingenieurswerk uiteindelijk in de jaren tachtig tot stilstand gekomen. Tijdens het presidentschap van Gorbatsjov concludeerde een onderzoekscommissie dat de milieurisico’s van de ombuiging ongekend groot waren.
Priem: “De Sovjets wilden het veel te groots aanpakken. Op kleine schaal kun je succes bereiken, zoals Israël in de Negev laat zien. Hoe groter je echter de schaal maakt, hoe slechter je kunt voorspellen wat er gaat gebeuren, en hoe drastischer de ingreep in het ecosysteem.”
Extreem leven
Terravorming onderzoeken betekent ook de mogelijkheid van leven op extreme locaties onderzoeken. NASA-wetenschapper Chris McKay, een van de specialisten op het gebied van terravorming, doet bijvoorbeeld dit soort studies. Aan de ene kant hebben wetenschappers nog geen buitenaards leven gevonden. Maar aan de andere kant blijkt juist de laatste jaren dat het leven binnen de aardse biosfeer veel wijder verbreid is dan altijd gedacht.
“We vinden levenssporen van hoog in de stratosfeer tot diep in de aardbodem”, zegt Priem. “Men heeft zelfs levenskrachtige sporen gevonden in de resten van insecten die veertig miljoen jaar geleden ingesloten werden door het hars van bomen, en vervolgens tot barnsteen zijn verhard. Nog maar tot enkele jaren geleden hadden we het bestaan van microbieel leven in graniet en basalt op kilometers diepte niet vermoed. We weten nu veel meer over extremofielen, organismen die juist leven in extreme omgevingen waar in eerste instantie geen leven mogelijk lijkt. Dan gaat het om kokendheet water in geisers, zwavelhoudende heetwaterbronnen, en de nabije omgeving van ‘black smokers’: opspuitende fonteinen van water met een temperatuur tussen drie- en vierhonderd graden Celsius, waar de druk driehonderd bar is. Maar wetenschappers vinden ook microbieel leven in omgevingen van met zout verzadigd water, Antarctisch ijs dat nooit warmer wordt dan min-dertig graden Celsius, en poriënwater onder hoge temperatuur en druk in diepe gesteenten.”
De oudst bekende sporen van microbieel leven zijn gevonden in een 3,8 miljard jaar oude sedimentformatie in West-Groenland. Daar is het destijds afgezet in een warme oceanische omgeving onder een koolstofdioxidedampkring zonder zuurstof, ook niet bepaald een omgeving die we snel associëren met leven.
“En er zijn ook bacteriën die onverwacht veel weerstand hebben tegen ultraviolette en radioactieve straling”, zegt Priem. “Het blijkt dat zij de opgelopen DNA-schade kunnen repareren en zo toch overleven. De bacterie Deinococcus radiodurans overleeft gammastraling die duizenden malen hoger is dan de voor de mens dodelijke hoeveelheid. Ook sommige eencellige kiezelwieren blijken te gedijen in een zwaar radioactieve omgeving. Laboratoriumproeven hebben bovendien aangetoond dat aardse archaebacteriën als Pseudomonas en Aerobacter zelfs de condities op Mars kunnen overleven en zich er kunnen vermenigvuldigen.” Maar met dit soort extreem leven is het consciëntieuze tweestappenplan voor de terravorming van de Rode Planeet bij lange na niet geholpen.
Martyn Fogg besluit zijn artikel Terraforming Mars: A review of Research met de woorden: “Behalve van haar mogelijke rol als een langetermijn-doel voor ruimte-exploratie, is dit werk [modellen voor de terravorming van Mars] nu al waardevol als een stimulerend, interdisciplinair gedachte-experiment dat van nut is in het onderwijs, de terrestriale planetologie en de entertainmentmedia.”
Terravorming van de Rode Planeet is niet langer de sciencefiction die het was in de eerste helft van de 20e eeuw, toen het idee voor het eerst in de sciencefictionliteratuur opdook. Maar het heeft zeker nog niet het gedegen wetenschappelijk karakter dat nodig is om het idee in praktische zin serieus te nemen. We weten nog veel te weinig van Mars en we begrijpen nog veel te weinig van alle relevante processen in een zelfregulerende biosfeer. Voorlopig kan de menselijke intelligentie bij lange na niet tippen aan de intelligentie van de zelfregulerende aardse biosfeer. Die laatste kan dode aarde wél makkelijk levend maken.
Informatie
www.astrobiology.com/terraforming.html Pagina met links naar een aantal belangrijke technische, wetenschappelijke en opinieartikelen over de terravorming van Mars, onder andere van vooraanstaande terravormingonderzoekers Robert Zubrin, Chris McKay en Martyn Fogg.
www.marssociety.nl/terrafor.php Nederlandstalige pagina van de Mars Society Nederland met een introductie over terravorming. Met veel links naar meer specialistische Engelstalige artikelen.
www.marssociety.nl/rogro.html Online-debat tussen voor- en tegenstanders van de terravorming van Mars, op de site van de Mars Society Nederland
www.users.globalnet.co.uk/~mfogg/simul.htm Simulatieprogramma waarmee je een aantal karakteristieken van Mars kunt veranderen. Het programma berekent hoe diverse andere karakteristieken van Mars vervolgens wijzigen, in ieder geval volgens Martyn Foggs model. Helaas nog niet uitgerust met een mooie Marskaart die de veranderingen ook visueel weergeeft.
www.geocities.com/fra_nl/ Toekomstige landkaart van een door terravorming veranderend Mars
www.open2.net/diyscience/ecosphere/ Schep een virtueel ecosysteem
www.vulkaner.no/n/surtsey/esurtmenu.html Het ontstaan van leven op het IJslandse vulkaaneilandje Surtsey dat in 1963 plotseling uit de oceaan oprees.
Literatuur
Systeem aarde, Cahiers Bio-wetenschappen en maatschappij, 2003, ISBN 9073196345
Sunday, March 23, 2008
Wanneer begint de volgende ijstijd?
Dit artikel is gepubliceerd in Trouw, 10 maart 2008
Geologisch gezien zijn ijstijden de afgelopen half miljoen jaar de norm geweest en is de huidige warme periode een uitzondering. Al 11,5 duizend jaar heeft de mens het geluk in een interglaciaal te leven, een relatief warme periode tussen ijstijden in. IJstijden duren ruwweg 90.000 jaar en worden afgewisseld met kortere warme perioden. De warme perioden duren tussen enkele duizenden jaren tot meer dan tienduizend jaar bij de huidige piek. Maar er komt onherroepelijk een einde aan. Dan breekt een lange ijstijd aan en groeien de aardse ijskappen flink. De noordpoolkap verovert dan Scandinavië, Canada en soms zelfs Noord-Nederland. De Utrechtse heuvelrug en de Veluwe zijn er het gevolg van. In ijstijden ligt de wereldgemiddelde temperatuur tussen de twee en acht graden lager dan die van de huidige warme periode.
Voorspellen wanneer de volgende ijstijd begint, is buitengewoon moeilijk. Drie factoren spelen zeker een rol. De licht ellipsvormige baan van de aarde om de zon is soms iets ronder en soms iets minder rond. Dat maakt uit voor hoe dicht de aarde gemiddeld bij de zon staat en dus hoeveel zonne-energie de aarde ontvangt. Die vorm varieert in een cyclus van ongeveer 100.000 jaar. Ten tweede doet de stand van de aardas een duit in het zakje. Omdat deze schuin staat, kent de aarde seizoenen. Met een cyclustijd van zo’n 41.00 jaar verandert de hoek een klein beetje. Is de hoek iets kleiner, dan zijn de zomers iets koeler. De derde belangrijke invloed ontstaat doordat de aardas niet alleen een beetje van hoek verandert, maar ook heel langzaam wiebelt rond de verticaal, net zoals een tol doet wanneer hij niet meer op zijn hardst ronddraait. Dat wiebelen gebeurt met een cyclus van ongeveer 23.000 jaar.
Deze drie effecten spelen door elkaar heen. Maar in de getallen zitten flinke onzekerheden, en geen wetenschapper zal beweren dat hij het geologisch grillige temperatuurverloop precies kan reconstrueren, laat staan voorspellen. Op een tijdschaal van honderdduizenden jaren zit er een regelmatig patroon in, maar de details op een schaal van honderden jaren begrijpen we (nog) niet. Er lijkt een chaotisch effect in te zitten. Bij het voorspellen van de volgende ijstijd moeten we dus een stevige slag om de arm houden. “Op grond van alleen deze drie factoren zou het waarschijnlijk nog zo’n 50.000 jaar duren voor de volgende ijstijd begint”, denkt Hans Renssen, universitair hoofddocent paleoklimatologie – het klimaat in het verre verleden – van de Vrije Universiteit Amsterdam.
Inmiddels is de menselijke bemoeienis erbij gekomen. Het verstoken van fossiele brandstoffen heeft meer broeikasgas in de atmosfeer gebracht dan er de afgelopen honderdduizenden jaren van nature in zat. Renssen: “Het extra broeikasgas zou het aanbreken van de volgende ijstijd kunnen uitstellen. Verschillende modellen doen echter sterk uiteenlopende voorspellingen. Volgens het meest extreme model breekt de volgende ijstijd pas over 500.000 jaar aan. Andere modellen houden op 100.000 jaar. Ik denk dat dat realistischer is.” Hoe het ook zij, na opwarming komt afkoeling, en niet zo’n beetje ook. Dat is een geologische waarheid als een koe.
Geologisch gezien zijn ijstijden de afgelopen half miljoen jaar de norm geweest en is de huidige warme periode een uitzondering. Al 11,5 duizend jaar heeft de mens het geluk in een interglaciaal te leven, een relatief warme periode tussen ijstijden in. IJstijden duren ruwweg 90.000 jaar en worden afgewisseld met kortere warme perioden. De warme perioden duren tussen enkele duizenden jaren tot meer dan tienduizend jaar bij de huidige piek. Maar er komt onherroepelijk een einde aan. Dan breekt een lange ijstijd aan en groeien de aardse ijskappen flink. De noordpoolkap verovert dan Scandinavië, Canada en soms zelfs Noord-Nederland. De Utrechtse heuvelrug en de Veluwe zijn er het gevolg van. In ijstijden ligt de wereldgemiddelde temperatuur tussen de twee en acht graden lager dan die van de huidige warme periode.
Voorspellen wanneer de volgende ijstijd begint, is buitengewoon moeilijk. Drie factoren spelen zeker een rol. De licht ellipsvormige baan van de aarde om de zon is soms iets ronder en soms iets minder rond. Dat maakt uit voor hoe dicht de aarde gemiddeld bij de zon staat en dus hoeveel zonne-energie de aarde ontvangt. Die vorm varieert in een cyclus van ongeveer 100.000 jaar. Ten tweede doet de stand van de aardas een duit in het zakje. Omdat deze schuin staat, kent de aarde seizoenen. Met een cyclustijd van zo’n 41.00 jaar verandert de hoek een klein beetje. Is de hoek iets kleiner, dan zijn de zomers iets koeler. De derde belangrijke invloed ontstaat doordat de aardas niet alleen een beetje van hoek verandert, maar ook heel langzaam wiebelt rond de verticaal, net zoals een tol doet wanneer hij niet meer op zijn hardst ronddraait. Dat wiebelen gebeurt met een cyclus van ongeveer 23.000 jaar.
Deze drie effecten spelen door elkaar heen. Maar in de getallen zitten flinke onzekerheden, en geen wetenschapper zal beweren dat hij het geologisch grillige temperatuurverloop precies kan reconstrueren, laat staan voorspellen. Op een tijdschaal van honderdduizenden jaren zit er een regelmatig patroon in, maar de details op een schaal van honderden jaren begrijpen we (nog) niet. Er lijkt een chaotisch effect in te zitten. Bij het voorspellen van de volgende ijstijd moeten we dus een stevige slag om de arm houden. “Op grond van alleen deze drie factoren zou het waarschijnlijk nog zo’n 50.000 jaar duren voor de volgende ijstijd begint”, denkt Hans Renssen, universitair hoofddocent paleoklimatologie – het klimaat in het verre verleden – van de Vrije Universiteit Amsterdam.
Inmiddels is de menselijke bemoeienis erbij gekomen. Het verstoken van fossiele brandstoffen heeft meer broeikasgas in de atmosfeer gebracht dan er de afgelopen honderdduizenden jaren van nature in zat. Renssen: “Het extra broeikasgas zou het aanbreken van de volgende ijstijd kunnen uitstellen. Verschillende modellen doen echter sterk uiteenlopende voorspellingen. Volgens het meest extreme model breekt de volgende ijstijd pas over 500.000 jaar aan. Andere modellen houden op 100.000 jaar. Ik denk dat dat realistischer is.” Hoe het ook zij, na opwarming komt afkoeling, en niet zo’n beetje ook. Dat is een geologische waarheid als een koe.
Monday, February 11, 2008
Stenenchemie keert planeten binnenstebuiten
Hoe zien planeten er van binnen uit? Erin kijken lukt niet, en gesteente uit het inwendige plukken, gaat ook al niet. Stenen onder hoge druk en temperatuur samenpersen biedt uitkomst. De crux zit in de chemie van lava’s en mineralen.
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, 18 augustus 2007
“Hou je van koken? is een van de eerste vragen die we aan onze sollicitanten stellen”, zegt petroloog – zeg maar stenenkundige – Wim van Westrenen. Aan de Vrije Universiteit van Amsterdam bestudeert hij de chemie van gesteenten diep in de aarde, de maan, maar ook in andere planeten. De grote vraag is hoe ze er van binnen uitzien. Om dat te onderzoeken, mengt hij gesteentepoeder met een keur aan chemische elementen, stopt het mengsel in een hogedrukpers, en perst het bij een hoge temperatuur en druk samen. Moderne alchemie, lijkt het wel. “Vandaar misschien dat de meeste collega’s in dit vak inderdaad van koken houden”, zegt van Westrenen.
We weten verrassend weinig van hoe de aarde er binnenin uitziet, en nog minder van de maan. Wat we wel weten is dat we de aarde kunnen onderverdelen in de korst (tot vijftig kilometer diepte), de mantel (van vijftig tot 2900 kilometer) en de kern (van 2900 tot 6371 kilometer). De aardkorst is vast, terwijl de mantel daar net onder stroperig is. Daarop bewegen de aardschollen die, als ze tegen elkaar aan botsen, aardbevingen veroorzaken. Maar het grootste deel van de mantel, onder de stroperige laag, is vast.
Zowel de aardkorst als de mantel bestaan voor het merendeel uit silicaten. Silicaten worden gevormd uit SiO4-tetraëders die in verschillende mineralen op een verschillende manier met elkaar zijn verbonden. Olivijn ((Mg,Fe)2SiO4), granaat (algemene formule A3B2(SiO4)3) en pyroxeen (algemene formule XY(Si,Al)2O6) zijn verreweg de meeste voorkomende mantelgesteenten.
“Silicaten zijn zo belangrijk in de korst en de mantel”, zegt van Westrenen, “omdat silicium en zuurstof twee van de meest voorkomende elementen in de aarde zijn, en omdat de silicium-zuurstof-binding een van de sterkste bindingen is tussen een kation en zuurstof.” Geologen kunnen 98,59% van alle gesteenten op aarde verklaren met acht hoofdelementen: zuurstof, silicium, ijzer, magnesium, calcium, kalium, natrium en aluminium. Alle andere natuurlijke elementen zijn voor geologen ‘sporenelementen’, omdat ze in kleinere hoeveelheden voorkomen.
Waar geologen van de korst en het bovenste deel van de mantel gesteentemonsters hebben, ontbreekt enig materiaal van de kern. Toch hebben ze afgeleid dat de buitenkern vloeibaar moet zijn, vanwege de hoge temperatuur, en de binnenkern vast. Dat de binnenkern vast is, komt omdat als je vanuit de buitenkern naar binnen gaat, de druk het wint van de temperatuur. Weliswaar neemt de temperatuur toe, maar het smeltpunt van ijzerverbindingen neemt nog sneller toe met de toenemende druk.
Van Westrenen: “Ongeveer vijfentachtig procent van de kern bestaat uit ijzer. Op grond van de samenstelling van meteorieten, denken we dat er vijf procent nikkel in zit. De overige tien procent moet bestaan uit lichtere elementen dan ijzer. Dat weten we uit metingen aan seismologische golven die dwars door de aarde heen gaan. Daaruit concluderen we dat de dichtheid van de kern lager is dan die van ijzer-nikkelverbindingen.”
Lava invriezen
Maar van Westrenen en zijn collega’s willen meer details weten over de stenenchemie in de mantel en de kern. Om daar achter te komen, staan ze voor een terugrekenprobleem. “We vinden allerlei lavasoorten aan het aardoppervlak. Die kunnen we chemisch analyseren. Nu is de grote vraag op welke diepte, en bij welke temperatuur en druk die lava is gevormd, en welke chemische samenstelling het op die diepte had. Idealiter willen we bij elke druk en bij elke temperatuur bepalen wat de chemische en fysische eigenschappen zijn.”
Op grond van deze chemische analyse maakt van Westrenen een gesteentemonster dat niet groter is dan een kubieke millimeter. Met de nieuwe hogedrukpers, die in juni op de VU arriveert, kan hij het monster fijn persen bij een druk van maximaal 250.000 atmosfeer. Voor de aarde komt deze druk overeen met zevenhonderd kilometer diepte, net in het onderste deel van de aardmantel. De druk in het centrum van de maan – 50.000 atmosfeer – haalt de pers zelfs met gemak. De temperatuur van het gesteente kan de stenenonderzoeker opkrikken tot 2370 graden Celsius.
Afhankelijk van bij welke temperatuur het persexperiment plaatsvindt, varieert de snelheid van de chemische reacties. Experimenten variëren in tijdsduur van tien minuten bij snelle reacties, tot een maand bij langzame reacties. Na afloop van het experiment koelt het gesteentemonster binnen twee seconden af tot beneden de honderd graden Celsius. Voor sommige mineralen en reacties is dat snel genoeg om als het ware een ingevroren toestand te krijgen van de samenstelling van het gesteente bij hoge druk en temperatuur. Het vloeibare deel verandert dan in een glasvormige toestand.
Na het experiment wordt het gesteentemonster doormidden gezaagd, gepolijst en onder de microscoop bekeken. Van Westrenen: “Aan de kleurcontrasten kunnen we dan zien welke stukjes glas zijn – die waren in de pers vloeibaar, zeg maar lava – en welke stukjes mineraal zijn – die waren in de pers ook al vast. Met een elektronenmicroscoop bepalen we vervolgens hoeveel van elk hoofdelement er in zat in het vloeibare deel en hoeveel in het vaste deel. Om de concentraties van sporenelementen te meten, schieten we ofwel met een laser, ofwel met snelle ionen stukjes van het monster af. De brokstukken analyseren we met een massaspectrometer.”
Voor mineralen en reacties die niet door de snelle afkoeling worden ‘ingevroren’, is een geavanceerdere methode nodig. Daarvoor kijken de onderzoekers met röntgenstraling tijdens het persexperiment door het gesteentemonster heen. Zo achterhalen ze hoeveel lava er is, dat wil zeggen gesmolten materiaal, en hoeveel vast mineraal.
Onvindbaar perovskiet
Dit soort hogedrukexperimenten leert onderzoekers op welke diepte belangrijke faseovergangen optreden. Bij veel mineralen gaat bij toenemende druk en temperatuur de ene kristalstructuur over in een andere, dichtere structuur, terwijl de chemische structuurformule hetzelfde blijft.
Van Westrenen: “Zo heeft men uit hogedrukexperimenten bepaald dat olivijn op 410 kilometer diepte overgaat in spinel. En op 520 kilometer verandert die spinelstructuur in een derde ruimtelijke variant van olivijn. Op 660 kilometer diepte gebeurt er dan een echte chemische reactie. Dan gaat olivijn over in perovskiet en periklaas. Perovskiet is (Mg,Fe)SiO3, en periklaas is ((Mg,Fe)O). Het bijzondere van perovskiet is dat het het meest voorkomende silicaat in de aarde is, maar dat je het nergens in een museum vindt. Het is namelijk niet stabiel bij kamertemperatuur. Soms lukt het om perovskiet in ingevroren toestand uit het persexperiment te halen, maar het is zo instabiel dat als je een tikje geeft tegen het materiaal, het perovskiet uit elkaar valt.”
Al deze overgangen leveren dichtheidssprongen op die seismologen ook terugvinden in de manier waarop aardbevingsgolven door de aarde bewegen. Zo kunnen petrologen hun resultaten verifiëren met seismologische gegevens.
Met zijn nieuwe hogedrukpers wil van Westrenen de chemie van de aardmantel verder ontrafelen. Ook gaat hij maanlava samenpersen om een antwoord te vinden op de grote vragen over de samenstelling van de maan: “Hoe dik zijn de korst en de mantel? Is de mantel homogeen of gelaagd? We denken dat de maan een kleine kern heeft, maar is die kern vloeibaar of vast, en hoe klein is de kern precies?”
En samen met buitenlandse collega’s publiceerde hij onlangs (Science, 31 mei 2007) een artikel waarin ze met een hogedrukpers hebben aangetoond dat de kern van de planeet Mars vloeibaar moet zijn. “Wat ik doe, gaat over gedrag van gesteenten binnenin planeten en manen, maar eigenlijk is het vooral chemie, en dat vind ik het leukste.”
Internet
Homepage van Wim van Westrenen: http://www.geo.vu.nl/~wvwest/
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, 18 augustus 2007
“Hou je van koken? is een van de eerste vragen die we aan onze sollicitanten stellen”, zegt petroloog – zeg maar stenenkundige – Wim van Westrenen. Aan de Vrije Universiteit van Amsterdam bestudeert hij de chemie van gesteenten diep in de aarde, de maan, maar ook in andere planeten. De grote vraag is hoe ze er van binnen uitzien. Om dat te onderzoeken, mengt hij gesteentepoeder met een keur aan chemische elementen, stopt het mengsel in een hogedrukpers, en perst het bij een hoge temperatuur en druk samen. Moderne alchemie, lijkt het wel. “Vandaar misschien dat de meeste collega’s in dit vak inderdaad van koken houden”, zegt van Westrenen.
We weten verrassend weinig van hoe de aarde er binnenin uitziet, en nog minder van de maan. Wat we wel weten is dat we de aarde kunnen onderverdelen in de korst (tot vijftig kilometer diepte), de mantel (van vijftig tot 2900 kilometer) en de kern (van 2900 tot 6371 kilometer). De aardkorst is vast, terwijl de mantel daar net onder stroperig is. Daarop bewegen de aardschollen die, als ze tegen elkaar aan botsen, aardbevingen veroorzaken. Maar het grootste deel van de mantel, onder de stroperige laag, is vast.
Zowel de aardkorst als de mantel bestaan voor het merendeel uit silicaten. Silicaten worden gevormd uit SiO4-tetraëders die in verschillende mineralen op een verschillende manier met elkaar zijn verbonden. Olivijn ((Mg,Fe)2SiO4), granaat (algemene formule A3B2(SiO4)3) en pyroxeen (algemene formule XY(Si,Al)2O6) zijn verreweg de meeste voorkomende mantelgesteenten.
“Silicaten zijn zo belangrijk in de korst en de mantel”, zegt van Westrenen, “omdat silicium en zuurstof twee van de meest voorkomende elementen in de aarde zijn, en omdat de silicium-zuurstof-binding een van de sterkste bindingen is tussen een kation en zuurstof.” Geologen kunnen 98,59% van alle gesteenten op aarde verklaren met acht hoofdelementen: zuurstof, silicium, ijzer, magnesium, calcium, kalium, natrium en aluminium. Alle andere natuurlijke elementen zijn voor geologen ‘sporenelementen’, omdat ze in kleinere hoeveelheden voorkomen.
Waar geologen van de korst en het bovenste deel van de mantel gesteentemonsters hebben, ontbreekt enig materiaal van de kern. Toch hebben ze afgeleid dat de buitenkern vloeibaar moet zijn, vanwege de hoge temperatuur, en de binnenkern vast. Dat de binnenkern vast is, komt omdat als je vanuit de buitenkern naar binnen gaat, de druk het wint van de temperatuur. Weliswaar neemt de temperatuur toe, maar het smeltpunt van ijzerverbindingen neemt nog sneller toe met de toenemende druk.
Van Westrenen: “Ongeveer vijfentachtig procent van de kern bestaat uit ijzer. Op grond van de samenstelling van meteorieten, denken we dat er vijf procent nikkel in zit. De overige tien procent moet bestaan uit lichtere elementen dan ijzer. Dat weten we uit metingen aan seismologische golven die dwars door de aarde heen gaan. Daaruit concluderen we dat de dichtheid van de kern lager is dan die van ijzer-nikkelverbindingen.”
Lava invriezen
Maar van Westrenen en zijn collega’s willen meer details weten over de stenenchemie in de mantel en de kern. Om daar achter te komen, staan ze voor een terugrekenprobleem. “We vinden allerlei lavasoorten aan het aardoppervlak. Die kunnen we chemisch analyseren. Nu is de grote vraag op welke diepte, en bij welke temperatuur en druk die lava is gevormd, en welke chemische samenstelling het op die diepte had. Idealiter willen we bij elke druk en bij elke temperatuur bepalen wat de chemische en fysische eigenschappen zijn.”
Op grond van deze chemische analyse maakt van Westrenen een gesteentemonster dat niet groter is dan een kubieke millimeter. Met de nieuwe hogedrukpers, die in juni op de VU arriveert, kan hij het monster fijn persen bij een druk van maximaal 250.000 atmosfeer. Voor de aarde komt deze druk overeen met zevenhonderd kilometer diepte, net in het onderste deel van de aardmantel. De druk in het centrum van de maan – 50.000 atmosfeer – haalt de pers zelfs met gemak. De temperatuur van het gesteente kan de stenenonderzoeker opkrikken tot 2370 graden Celsius.
Afhankelijk van bij welke temperatuur het persexperiment plaatsvindt, varieert de snelheid van de chemische reacties. Experimenten variëren in tijdsduur van tien minuten bij snelle reacties, tot een maand bij langzame reacties. Na afloop van het experiment koelt het gesteentemonster binnen twee seconden af tot beneden de honderd graden Celsius. Voor sommige mineralen en reacties is dat snel genoeg om als het ware een ingevroren toestand te krijgen van de samenstelling van het gesteente bij hoge druk en temperatuur. Het vloeibare deel verandert dan in een glasvormige toestand.
Na het experiment wordt het gesteentemonster doormidden gezaagd, gepolijst en onder de microscoop bekeken. Van Westrenen: “Aan de kleurcontrasten kunnen we dan zien welke stukjes glas zijn – die waren in de pers vloeibaar, zeg maar lava – en welke stukjes mineraal zijn – die waren in de pers ook al vast. Met een elektronenmicroscoop bepalen we vervolgens hoeveel van elk hoofdelement er in zat in het vloeibare deel en hoeveel in het vaste deel. Om de concentraties van sporenelementen te meten, schieten we ofwel met een laser, ofwel met snelle ionen stukjes van het monster af. De brokstukken analyseren we met een massaspectrometer.”
Voor mineralen en reacties die niet door de snelle afkoeling worden ‘ingevroren’, is een geavanceerdere methode nodig. Daarvoor kijken de onderzoekers met röntgenstraling tijdens het persexperiment door het gesteentemonster heen. Zo achterhalen ze hoeveel lava er is, dat wil zeggen gesmolten materiaal, en hoeveel vast mineraal.
Onvindbaar perovskiet
Dit soort hogedrukexperimenten leert onderzoekers op welke diepte belangrijke faseovergangen optreden. Bij veel mineralen gaat bij toenemende druk en temperatuur de ene kristalstructuur over in een andere, dichtere structuur, terwijl de chemische structuurformule hetzelfde blijft.
Van Westrenen: “Zo heeft men uit hogedrukexperimenten bepaald dat olivijn op 410 kilometer diepte overgaat in spinel. En op 520 kilometer verandert die spinelstructuur in een derde ruimtelijke variant van olivijn. Op 660 kilometer diepte gebeurt er dan een echte chemische reactie. Dan gaat olivijn over in perovskiet en periklaas. Perovskiet is (Mg,Fe)SiO3, en periklaas is ((Mg,Fe)O). Het bijzondere van perovskiet is dat het het meest voorkomende silicaat in de aarde is, maar dat je het nergens in een museum vindt. Het is namelijk niet stabiel bij kamertemperatuur. Soms lukt het om perovskiet in ingevroren toestand uit het persexperiment te halen, maar het is zo instabiel dat als je een tikje geeft tegen het materiaal, het perovskiet uit elkaar valt.”
Al deze overgangen leveren dichtheidssprongen op die seismologen ook terugvinden in de manier waarop aardbevingsgolven door de aarde bewegen. Zo kunnen petrologen hun resultaten verifiëren met seismologische gegevens.
Met zijn nieuwe hogedrukpers wil van Westrenen de chemie van de aardmantel verder ontrafelen. Ook gaat hij maanlava samenpersen om een antwoord te vinden op de grote vragen over de samenstelling van de maan: “Hoe dik zijn de korst en de mantel? Is de mantel homogeen of gelaagd? We denken dat de maan een kleine kern heeft, maar is die kern vloeibaar of vast, en hoe klein is de kern precies?”
En samen met buitenlandse collega’s publiceerde hij onlangs (Science, 31 mei 2007) een artikel waarin ze met een hogedrukpers hebben aangetoond dat de kern van de planeet Mars vloeibaar moet zijn. “Wat ik doe, gaat over gedrag van gesteenten binnenin planeten en manen, maar eigenlijk is het vooral chemie, en dat vind ik het leukste.”
Internet
Homepage van Wim van Westrenen: http://www.geo.vu.nl/~wvwest/
Subscribe to:
Posts (Atom)