Koninklijk Royal Netherlands Nederlands Institute Instituut for voor Sea Research Zeeonderzoek
Oerbacteriën voorspellen het klimaat Jaap Sinninghe Damsté
NIOZ Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee Faculteit Geowetenschappen, Universiteit Utrecht
NIOZ is part of the Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO)
1
Versimpeld klimaatscenario zoals samengevat door IPCC Stijging CO2 (en andere broeikasgassen) in de atmosfeer Stijging temperatuur op Aarde Klimaatverandering Zeespiegelstijging Tropische stormen/ Zware regenbuien Overstromingen Effecten op natuur Etc.
Invloed van de mens op klimaat: Koolstofdioxide uitstoot In 2100: tussen de 650 en380 970 ppm !
Begin industriële revolutie (ca. 1850)
310 1955
In het midden Krijt: waarden tussen de 1000 en 2500 ppm
2005
Het klimaat van het midden Krijt: heel warm!
Maar hoe warm precies????
http://www.scotese.com
Steenkool
evaporieten (zout, gips)
Tropische bodem (bauxite/laterite)
Calcrete (hard carbonate crust in soil)
Klassieke fossielen
Gorgosaurus libratus
Biomarkers (chemische fossielen, moleculaire fossielen) Specifieke organische verbindingen die voorkomen in sedimenten en fossiele brandstoffen en gerelateerd kunnen worden aan specifieke organismen en informatie geven over fysische, chemische of biologische processen ten tijde van afzetting. HO
O OH
OH
HO OH
O
OH
Archaea Bacteriën
Eukaryoten
Emiliania huxleyi (Haptophyta)
Picture: Jörg Bollman
http://www.soes.soton.ac.uk/staff/tt/eh/
Chemisch fossielen: alkenonen 1
8
15
22
C37:3 C37:2
29
37
O O
Unsaturated Ketone paleotemperatuur index UK’37=
E. huxleyii 10°C Culture
37:3
C37:2 C37:2 + C37:3
37:2
Emiliania huxleyii
38:2 Et 38:3 Me
0.8
Alkenone r atio
38:3 Et 37:4
0.6
*
*
37:2 0.4
5
10
15
20
Temperature (°C)
25
39:3 39:2
E. huxleyii 25°C Culture
Cultuur experimenten: UK’37 = 0.033 T + 0.043 r2 = 0.997
0.2
38:2 Me
38:2 Et
30
37:3
38:2 Me 38:3 Et
*
*
39:2
Prahl & Wakeham 1987, Nature 330:367-369
Huidige verdeling van de zeewatertemperaturen aan het oppervlakte
http://www.nodc.noaa.gov
Alkenoon zeewater temperatuur
Zeewatertemperaturen in de Westelijke Middellandse Zee
20
15
10
5
0
50 100 150 200 250 300 350 400 Ouderdom sediment (in duizenden jaren)
Martrat et al. (2007)
Onze oerthermometer marine Crenarchaeota
HO O
O
O
0
O
(<1 mm)
OH
HO O O O
1
O OH
HO O O
O O OH
HO
2
bacteria
O O
O
O
HO O
OH
O
3 Fluorescence in situ hybridisation (FISH; St. Barbara Channel, 80 m depth, photo by E.F. DeLong)
O
O OH
4
Onze oerthermometer: de observatie 4
Arabische Zee
HO O
O
O
SST: ~27°C
0
O OH
HO
0
O O O
1
O OH
1
HO
2
4’
3
O O
O O OH
HO
2
0
Noordzee SST: ~12°C
O O
O
4
O
HO O
OH
O
3
O
1
O
Crenarchaeol
OH
4 Retentietijd
TEX86 =
[2]+[3]+[4’] [1]+[2]+[3]+[4’]
TetraEther indeX van lipiden met 86 koolstofatomen
Texel
Onze oerthermometer: de ijkgrafiek 90 60 30 0 -30 -60
Core top locations
-90 -150
-100
-50
0
50
0.8 0.7
T E X 86
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
5
10
15
20
25
Gemiddelde zeewater temperatuur ( ° C )
30
100
150
Sedimentval data (500 m) van de Arabische Zee
NEM
SWM
30
28 0.70 26
0.65
24 100
200 Tijd (dagen)
300
(° C )
Satellite TEX86
T EX 86
FI NEM
Zeewater temperatuur
0.75
SI
Broeikasgasperiode I: het midden Krijt
(ca. 90 miljoen jaar geleden)
ODP 1276 DSDP 367 ODP 1260
DSDP 530
studied cores, Deep Sea or Ocean Drilling Program (DSDP or ODP)
Temperatuurgegevens uit het Cenomaan (93.5 Mjr) 4
Arabische Zee Sample 207-1258A-47R-CC (Cenomanian)
4
OZT: ~27°C
TEX86 ~ 0.9 0
1 0
2
4’
3
Noordzee OZT: ~12°C
0 1 8
10
12
14
2
4’
3 16
18
20
4
22
24
1
Retentietijd (min)
Retentietijd
Calibratie van de TEX86 palaeothermometer voor de warme zeewatertemperaturen van het Krijt Nitrososphaera gargensis: A moderately thermophilic ammonia-oxidizing crenarchaeote from a hot spring
TEX86 = 1.00 N. gargensis
Pitcher et al. ISME J. (2010)
Crenarchaeol
1.0
0.8
Crenarchaeol regio-isomer
TEX
86
0.6
0.4
Kim et al. 2008 Core top calibration
0.2
Cretaceous range 0.0 0
10
20
30
Zeewatertemperatuur (°C)
40
50
Overzicht van “temperaturen” van het Krijt 65.5 Ma Maastrichtian
Upper
Campanian Santonian
Coniacian Turonian
36°C
Krijt
Laat Cenomaan Cenomanian Lower
Albian Aptian Barremian Hauterivian Valanginian Berriasian
36°C
142 Ma 36°C
Paleogeografie: ~93.5 Ma
29°C
Het midden Krijt klimaat - was heel warm
“Atlantic Jacuzzi”
Het midden Krijt werd gekenmerkt door een zeewaterspiegel die 250 m hoger was
- hoge T door hoge CO2 concentratie - onderwater vulkanisme
Oceanische anoxische “event” 2: Een enorme verstoring van de globale koolstofcyclus
Een eenvoudige koolstofcyclus CO2
fotosynthese biomassa
opgelost CO2
Bicarbonaat
afbraak
organisch koolstof
carbonaat
Een eenvoudige koolstofcyclus CO2
biomassa
opgelost CO2
Bicarbonaat
afbraak
organisch koolstof
carbonaat
Zuurstofloze Oceaan
fotosynthese
Een temperatuurprofiel van de noordelijke Atlantisch Oceaan TEX86 -34 -33 -32 -31 ? 1074
0.71
0.76
0.81
0.86
0.91
0.96
4
1075 5
1076
6
1077 1078 1079
1
1080 1081
2 Py
31 3
4
1082
CO2 ~700 ppm
OAE 2
1083 1084
8ºC afkoeling
CO2 ~1300 ppm
1085 5
1086 6/ CC
1087 Key to symbols
0 2 4 6 8 10 12 14 16
coring gap dark claystone (black shales) mudstone / (siltstone) planar lamination (siltstone)/sandstone cross lamination marlstone Py pyrite layer barren interval
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
Zeewatertemperatuur (°C)
37
Vroegere Broeikasklimaten II PETM = Palaeoceen/Eoceen Thermische Maximum ~ 55 Mjr geleden PETM
Ouderdom (miljoenen jaren)
After Zachos et al., 2001; Science
ACEX - Arctic Coring EXpedition
Only 250 km from the North pole
ACEX –
Drilling in action
Icebreaker 1 Icebreaker 2
Drill ship
Aerial view from 3300 m
Zeewater en continentale temperaturen tijdens het PETM
~ 5°C
Palaeoceen / Eoceen Thermische Maximum ~ 55 Mjr geleden
~ 7°C
PETM mondiale opwarming (t.o.v. de toch al warme temperaturen!) +5
+7 +5 +8 +5 +5
+6-8
+6-8
Temperaturen in het Arctisch gebied in het Plioceen (koolstofdioxideconcentratie ~400 ppmv)
Fossiel veen
Schatting van de temperatuur m.b.v. drie verschillende methoden
Frequentie
Dat is ongeveer 19°C hoger dan vandaag de dag!
-2
0 Luchttemperatuur (°C)
2
Temperatuur (°C)
Overzicht temperatuurschattingen
Hoog CO2 Hoger CO2
Temperatuurverschil t.o.v. heden (°C)
Laag CO2
Breedtegraad (°)
IPCC schattingen voor verschillende scenario’s
CONCLUSIES (van ons werk) 1) Het was heel erg warm in tijden dat de koolstofdioxide concentratie tussen de 1000-2000 ppm was. 2) Onze huidige klimaatmodellen kunnen deze temperaturen van de broeikasgas Aarde niet simuleren. 3) In tijden dat de koolstofdioxideconcentratie afnam werd het koeler. Nam de concentratie toe dan werd het warmer. 4) Deze resultaten ondersteunen de gedachte dat koolstofdioxide een belangrijke rol speelt in de regulatie van de temperatuur op Aarde. 5) Resultaten uit het verleden zijn geen garantie voor de toekomst maar...............
Thanks to………………..
Biologische validatie van de TEX86 oerthermometer 0.90 0.80 0.70
TEX 86
0.60 0.50 0.40
TEX 86 = 0.017 * T + 0.064
0.30
R
2
= 0.86
0.20 North Sea water Indian Ocean water
0.10 0.00 5
10
15
20
25
30
Incubation temperature (°C)
35
40
45
Ons toekomstig klimaat? Opwarming zal door blijven gaan wanneer uitstoot van broeikasgassen zal continueren. CO2 Eq 3.4oC = 6.1oF
850
2.8oC = 5.0oF
600 1.8oC = 3.2oF 0.6oC = 1.0oF
Bron: IPCC
400
Ons toekomstig klimaat? “business as usual” (2090-2099) scenario: globale opwarming 2.8oC
Bron: IPCC
Het toekomstig klimaat in Nederland Waargenomen gemiddeld aantal zomerse dagen (>= 25°C) per jaar voor 19712000
Schagen
Zomertemperatuur (juni-augustus) in De Bilt tussen 1900 en 2005, en de vier klimaatscenario’s voor 2050 (gekleurde lijnen).
Bron: KNMI, de Bilt
Klimaatscenario’s voor 2050
Toekomstige zeespiegelstijging in Nederland
Nu: ~ 3 mm per jaar Schagen
Bron: KNMI, de Bilt
De Aarde is opgewarmd in de laatste eeuw
Globally averaged, the planet is about 0.75°C warmer than it was in 1860, based upon dozens of high-quality long records using thermometers worldwide, including land and ocean. Eleven of the last 12 years are among 12 warmest since 1850 in the global average. Bron: IPCC
De Aarde warmt op….
de zeespiegel stijgt ….
….en sneeuw smelt weg Bron: IPCC
Kooldioxide concentratie en temperatuur
Pre-industriële CO2 maximum
Pre-industriële CO2 minimum
