Cosmos (9) de rusteloze aarde en massa uitstervingen

In de 9e uitzending van Cosmos (11 mei 2014) zien we de rusteloze en steeds veranderende aarde en de atmosfeer, met een aantal bijbehorende massa uitstervingen van het leven op aarde. We maken kennis met een aantal onorthodoxe wetenschappers die een revolutie teweeg brachten in de kennis van onze aarde.

Tyson bij een fossiele boom

Gedurende het Carboon was er twee maal zoveel zuurstof in de atmosfeer dan nu [1]. Er zijn fossielen gevonden van reuzen insecten, waaronder de beroemde reuze libellen.
Waar komt al die zuurstof vandaan? Waarom was de zuurstofconcentratie toen zo hoog? Die zuurstof was afkomstig van bomen. Bomen werden mogelijk gemaakt door lignine dat de nodige stevigheid gaf om groot en hoog te worden. Tot dan toe waren er voornamelijk kruidachtige planten (?). Het 'nadeel' van lignine is dat het moeilijk verteerbaar is! [2]
Bacterien en schimmels konden lignine niet verteren, en termieten zouden pas over 100 miljoen jaar evolueren.
Dode onverteerbare bomen hoopten zich op in de grond, er ontstaan wereldwijd 'begraven bossen'.
 Bomen (net als alle planten) bestaan dankzij fotosynthese:

fotosynthese: zonlicht + water + CO2 ➞ glucose + zuurstof
verbranding: glucose + zuurstof ➞ water + CO2 + chemische energie

 

Verbranding is in feite fotosynthese in de omgekeerde richting: zuurstof wordt verbruikt en CO2 komt weer in de lucht. Het vergaan van dood plantmateriaal is verbinden met zuurstof. Maar, als bomen begraven worden zonder dat ze afgebroken worden (vergaan), dan verdwijnen de koolstofverbindingen (bijv. lignine, cellulose) in de bodem. En omdat er daarbij géén zuurstof verbruikt wordt, hoopt zuurstof zich op in de atmosfeer. Dat is volgens Tyson de verklaring dat 300 miljoen jaar geleden het zuurstofgehalte in de atmosfeer steeg. Zo had ik er nog niet tegenaan gekeken.

 

Deze berg is ontstaan door het leven dat floreerde in het Perm

 

Na het Carboon kwam het  Perm. In Siberië vonden lava erupties plaats gedurende honderden miljoenen jaren; de grootste en langdurigste vulkaan uitbarstingen aller tijden. Dat stootte enorme hoeveelheden van het broeikasgas CO2 uit met als gevolg klimaat opwarming (zie gastbijdrage serie van Nand Braam over Herman Philipse!).
Bomen waren ondertussen verandert in steenkoolafzettingen. De lava die vrijkwam bij de vulkaan erupties in Siberië verhitte de steenkool en dreef methaan en zwavelgas de grond uit. Er ontstond smog. Zwavelgas blokkeerde het zonlicht en verduisterde de planeet. Ongunstig voor plant en dier. Perioden van koude werden afgewisseld met hete jaren (broeikas). Dit waren té sterke klimaat schommelingen voor veel soorten. Bovendien begon methaanrijk ijs op de bodem van de oceaan te smelten. Het methaangas kwam vrij en kwam in de atmosfeer terecht. Het methaangehalte in atmosfeer begon te stijgen. Methaangas is een veel sterker broeikasgas dan CO2. Het klimaat werd nog warmer. Bovendien tastte methaan de ozonlaag  aan waardoor meer voor het leven schadelijk UV licht de aarde bereikte.
Er ontstond zuurstofgebrek in de zee, bijna alle soorten vissen stierven uit. Bacteriën floreerden en produceerden dodelijk waterstofsulfide (rotte eieren lucht!). Dit doodde bijna alle land- planten en dieren! Dit was de 'Great Dying' (Permian–Triassic extinction event). Het scheelde niet veel of al het leven op aarde was uitgestorven [3]. Het duurde lang voordat het leven zich hersteld had. In die tijd was de aarde de Planet of the Death.

220 miljoen jaar geleden bestond er een supercontinent, er was geen Atlantische oceaan die Amerika en Europa-Afrika scheiden [4]. Het ontstaan van de Atlantische oceaan was een ingrijpende verandering voor de aarde en het leven. Grappig is de opmerking dat de mensheid duizenden jaren niets geweten heeft van dat hele verhaal, omdat de sporen diep op de bodem van de oceaan verborgen lagen. Onwetende mensheid! 

In 1570 maakte de Vlaming Abraham Ortelius
de eerste moderne wereldatlas

In 1570 maakte de Vlaming Abraham Ortelius de eerste moderne wereldatlas. Het viel hem op dat de continenten aan beide kanten van de Atlantische oceaan in elkaar pasten, en suggereerde dat de continenten door aardbevingen en overstromingen uit elkaar zijn gedreven. Dat werd vergeten.

Alfred Wegener pakte de draad weer op.

Alfred Wegener had de overeenkomst van fossiele planten aan beide kanten van de Atlantische oceaan opgemerkt in de literatuur:

Het verbaase Wegener dat fossielen van een fossiele varen
aan beide kanten van de Atlantische Oceaan gevonden waren.

 

Nog opvallender was de vondst van identieke dinosauriërs aan beide kanten. Dit soort informatie werd door geologen verklaard door het aannemen van landbruggen waar de dieren over heen trokken (kennelijk in twee richtingen):

Begin 20e eeuw legden geologen de oversteek over
de oceanen uit door landbruggen

 

en die daarna weer verdwenen! Maar, dacht Wegener, waarom zou een bergketen doorlopen op een ander continent? En waarom zou je dezelfde aardlagen terugvinden in Brazilië en Zuid-Afrika? En: hoe konden tropische planten gebloeid hebben op de bevroren vlakten in het Noordpoolgebied? Wegener's verklaring was dat er ooit één supercontinent was geweest: Pangea. De meeste geologen maakten zijn theorie belachelijk. Hoe konden continenten door de soliede bodem van de oceaanbodem bewegen? Daar had Wegener geen antwoord op. Hij werd een excentriekeling (eccentric person, oddball, crackpot) op wetenschappelijke congressen. Hij verdween tijdens een Noordpool expeditie (zie het boeiende wikipedia verhaal). Hij heeft nooit geweten dat hij erkend zou worden als de grootste geoloog in de geschiedenis. 

"Wetenschappers zijn mensen met blinde vlekken en vooroordelen"

Marie Tharp, een vrouwelijke geologe werkte geduldig aan het in kaart brengen van de bodem van de Atlantische oceaan, maar werd niet voor vol aangezien door haar collega's. Zij ontdekte de Mid-Atlantic Ridge. Later bleek dat de locaties van aardbevingen op de oceaanbodem samen te vallen met de MA-ridge. De smoking gun van Wegener's continental drift. Een nieuwe wereld atlas kon gemaakt worden, nu inclusief de oceaanbodem. 

Dit is een boeiende en belangrijke uitzending, boordevol belangrijke inzichten die overduidelijk alles met evolutie te maken hebben. Maar ik ben nog maar op de helft! Morgen verder!
 

Noten

1. "The atmospheric content of oxygen also reached their highest levels in history during the period, 35% compared with 21% today." (wikipedia) dat is dus minder dan 2x zo hoog.
2. de vraag is: nadelig voor wie? kennelijk niet voor de bomen zelf! Als er een stof is die in het milieu terecht komt en niet verteerd kan worden door bv micro-organismen, dan is dat per definitie milieuverontreiniging! Lignine is dus het plastic van die tijd! Gisteren verscheen er een nieuwsbericht: The old adage in the pulp industry has been that one can make anything from lignin except money.". Dus: de industrie heeft nog steeds moeite met lignine! [27 mei 2014]
3. Dit weinig bekende gegeven weerlegt het idee van Gaia (Lovelock), dat het systeem aarde zichzelf in leven houdt en het klimaat binnen levensvriendelijke grenzen zou houden. En het is in strijd met creationisme, Intelligent Design en Theïstische Evolutie.
4. Zie deze animatie van het uiteengaan van N-Z-Amerika en Europa-Afrika. 

Vorige blogs over Cosmos

1. 14 april 2014 Cosmos: A Spacetime Odyssey (1) Neil deGrasse Tyson
2. 22 april 2014 Cosmos: A Spacetime Odyssey (2) Evolutie
3. 29 april 2014 Cosmos (3): Newton en Halley. De opkomst van de natuurwetenschap
4. 30 april 2014 Cosmos (4) De ontdekking van het licht (Mozi, Ibn al-Haytham, Herschel, Fraunhofer)
5. 1 mei 2014 Cosmos (5) een telescoop is een tijdmachine (Michell, Herschel, Faraday, Maxwell, Einstein)
6. 2 mei 2014 Cosmos (6) The planet of the tardigrades
7. 20 mei 2014 Cosmos (7) Clair Patterson's zoektocht naar de leeftijd van de aarde en lood in ons milieu
8. 21 mei 2014 Cosmos (8) het classificeren van de sterren: Annie Jump Cannon, Henrietta Swan Leavitt, Cecilia Payne

De data zijn blog datums, de titels van de afleveringen zijn van mij.

Cosmos (8) het classificeren van de sterren: Annie Jump Cannon, Henrietta Swan Leavitt, Cecilia Payne

Deel 8 van de serie Cosmos op National Geographic uitgezonden op zondag 4 mei. 

Het sterrenbeeld de Plejaden of Zevengesternte was al in de Oudheid bekend en er ontstonden mythen om hun ontstaan en betekenis te verklaren.
Pas een paar duizend jaar later ontdekten drie briljante wetenschappers de ware aard van de sterren.

Zij verlichtten het pad naar de moderne astrofysica

Astronoom Edward Charles Pickering huurde een groep vrouwen (in die tijd uniek) in om het arbeidsintensieve werk van het classifiseren van sterren uit te voeren. Het hoofd van het team was Annie Jump Cannon (ze was doof geworden door roodvonk [1] in haar jeugd), ze classifiseerde een kwart miljoen sterren! Een andere vrouw in het team Henrietta Swan Leavitt (ook doof) ontdekte een wet die nog steeds geldt in de astronomie. Sterren werden geclassifiseerd op basis van spectraallijnen. De Britse Cecilia Payne [2] voegde zich bij het team. Later legde ze het verband tussen het spectrum van een ster en hun temperatuur. Ze ontdekten dat sterren een miljoen keer meer waterstof en helium dan metalen bevatten. Dit revolutionaire resultaat werd niet geaccepteerd door het astronomie establishment. Haar proefschrift wordt achteraf beschouwd als het meest briljantste ooit in de astronomie.

Onze eigen zon

Over 4 - 5 miljard jaar is de kern van de zon zo heet
dat Helium gaat fuseren tot Koolstof en Zuurstof.

Over een miljard jaar is onze zon 10% feller dan nu. Met grote gevolgen voor de aarde. Op het einde van haar levensloop fuseert Helium in de kern van de zon tot Koolstof en Zuurstof [3]. De zon wordt een 'rode reus'. Het leven op aarde wordt dan onmogelijk. Hopelijk is het (intelligent) leven dan gemigreerd naar andere planeten (!) zegt Tyson. Uiteindelijk wordt de zon een 'witte dwerg'. Niets is er over gebleven van de aarde en het leven op die planeet.

Het lot van andere sterren is zeer divers en afhankelijk van hun eigenschappen.

Aboriginals in Australië (met zijn heldere nachten) zagen een emu in de donkere plekken tussen de sterren van het melkwegstelsel:

Aboriginals zagen een emoe in de melkweg

Carinanevel: 'een machine die sterren maakt'. Eta Carinae heeft de maximale omvang die een ster kan bereiken. Hypernova.

De mens en zijn artefacten bestaan uit sterrenstof (stardust):

• silicium in het gesteente
• zuurstof in de lucht
• koolstof in ons DNA
• ijzer in onze wolkenkrabbers
• zilver in onze sieraden

Deze aflevering vertelt de geschiedenis van de astronomie door middel van de personen die belangrijke ontdekkingen deden, vaak onder moeilijke omstandigheden. Een belangrijk bestanddeel van het verhaal zijn de animaties die historische figuren tot leven wekken. Zodoende is de uitzending geen droge opsomming van feiten. Verder ook computersimulaties van astronomische verschijnselen.

Ik zie nog 5 wetenschappelijke adviseurs op de aftiteling van deze aflevering.

Noten

1. Roodvonk (scarlet fever) is tegenwoordig te bestrijden met antibiotica. Door haar doofheid kon ze moeilijk sociale contacten leggen en is ze nooit getrouwd en had geen kinderen (dit is een voorbeeld van natuurlijke selectie in actie: geen kinderen. Tenminste, als er variatie in erfelijke weerstand tegen roodvonk is. Ook seelctie via gevaren en risico's die doofheid anderszin kan opleveren)
2. In Engeland mochten vrouwen in 1923 geen wetenschappelijke graad behalen, daarom kwam ze naar Amerika. 
3. De zuurstof en koolstof die wij op aarde hebben is niet afkomstig van onze zon. Die ontstaan pas over 4 -5 miljard jaar op het einde van de levensloop van de zon. Helium heeft zich in de kern opgehoopt; de kern stort in totdat deze heet genoeg is om Hleium tot Zuurstof en Koolstof te laten fuseren. De kern is dan heter dan ooit. Daarna wordt de zon een rode reus. etc. Dit is het verhaal van Tyson. [22 mei nav vraag Cor]
   

Vorige blogs over dit onderwerp:

1. 14 april 2014 Cosmos: A Spacetime Odyssey (1) Neil deGrasse Tyson
2. 22 april 2014 Cosmos: A Spacetime Odyssey (2) Evolutie
3. 29 april 2014 Cosmos (3): Newton en Halley. De opkomst van de natuurwetenschap
4. 30 april 2014 Cosmos (4) De ontdekking van het licht (Mozi, Ibn al-Haytham, Herschel, Fraunhofer)
5. 1 mei 2014 Cosmos (5) een telescoop is een tijdmachine (Michell, Herschel, Faraday, Maxwell, Einstein)
6. 2 mei 2014 Cosmos (6) The planet of the tardigrades
7. 20 mei 2014 Cosmos (7) Clair Patterson's zoektocht naar de leeftijd van de aarde en lood in ons milieu

Cosmos (7) Clair Patterson's zoektocht naar de leeftijd van de aarde en lood in ons milieu

Thema: The True Age of the Earth.

James Usscher

Hoe oud is de aarde?  James Usscher baseerde zich op stambomen in de Bijbel en berekende dat de wereld begon op zaterdag (!) 22 okt 4004 voor Christus, 6 uur 's avonds! [1].
Pas later werpt de wetenschap zich op de ouderdom van de aarde op basis van constant radioactief verval van uranium tot stabiel lood. Om de uitgangsconcenraties te achterhalen worden intacte ijzer-asteroïde fragmenten van de krater in Arizona gebruikt. Die fragmenten bevatten het loodgehalte toen de aarde gevormd werd. 

Het loodgehalte in deze meteoriet is
hetzelfde als toen de aarde ontstond

De opgave is dus om de uranium en loodgehaltes nauwkeurig te bepalen. Uraniumconcentraties waren consistent. Maar loodconcentraties liepen ver uiteen.

Geoloog Harrison Brown (1947): liet zijn promovendus Clair Patterson het loodgehalte in zirkonen (Zircon) uitzoeken. Het zou geen probleem moeten zijn. 
Maar Patterson was 6 jaar bezig loodverontreinigingen in de omgeving te elimineren om zuivere metingen te kunnen krijgen. Uiteindelijk lukte het: de aarde is 4,5 miljard jaar oud!

We zien een uitstapje naar de Romeinse tempel Forum Romanum, gewijd aan de God Saturnus. De Romeinen gebruikten overvloedig veel lood voor alles en nog wat, tegen beter weten in. De symptomen van loodvergiftiging komen overeen met de duistere kanten van de God Saturnus. 
Nu weten we dat lood giftig is omdat lood voor het lichaam lijkt op zink en ijzer en concurreert met die elementen. Lood blokkeert neurotransmitters.

Patterson krijgt onverwachts bezoek van de olieindustrie...

 

Maffia-achtig tafereel: bezoek van de olie- en loodindustrie uitgebeeld als een stel intimiderende heren die niet van plan waren een eerlijke wetenschappelijke discussie met Patterson aan te gaan. Eerst suggereerden ze om een ander onderwerp te kiezen, en toen Patterson dat weigerde dreigden ze hem met stopzetting van de financiering van zijn onderzoek. (tetra-ethyl-lood in benzine als antiklopmiddel).

De loodfabrikant huurde een wetenschapper in om te bewijzen dat lood ongevaarlijk was, en overal in het milieu voorkomt. Die probeerde twijfel te zaaien over de gevaren van lood. Niemand ging er decennia lang tegen in.
Maar Patterson was ondertussen een expert geworden in het meten van zeer lage concentraties lood. Hij ging de loodconcentraties van zeewater meten op verschillende dieptes. Hij vond dat aan de oppervlakte de concentraties honderd maal hoger waren dan op grote diepte. Patterson publiceerde zijn bevindingen in Nature. De financiering van Patterson's onderzoek werd onmiddellijk stopgezet. Hij had de pech dat hij door de olie industrie gefinancierd werd. Maar gelukkig werd hij door de overheid gesteund en kon zo hij loodverontreiniging in de verste uithoeken van de aarde onderzoeken. IJs van vóór de industriële revolutie! Loodgehalte van vroeger waren altijd lager. 'Mass lead poisoning on a unprecendented scale'...
Patterson vocht nog 20 jaar tegen de loodindustrie voordat lood eindelijk werd verboden in de USA. [2] 

Clair Patterson

Patterson, de man die de leeftijd van de aarde bepaalde, werd onbedoeld ook een strijder voor de volksgezondheid.

Dit verhaal was mij grotendeels onbekend. Een zeer geslaagde aflevering wat mij betreft. Door de zoektocht naar de ouderdom voor de aarde te combineren met de strijd tégen loodvergiftiging en vóór volksgezondheid (met Patterson als centrale figuur) wordt duidelijk dat zuiver wetenschappelijk onderzoek op een onverwachte manier van cruciaal belang kan zijn voor maatschappij, volksgezondheid en milieu. We zijn getuige van de strijd tussen 'de machten van het Kwaad' (de olie industrie) en 'het Goede' (de eenzame wetenschapper die ten koste van zijn eigen baan opkomt voor de gezondheid van duizenden en duizenden kinderen die het slachtoffer zijn van loodvergiftiging).

Noten

1. Die berekening en de waanzinnige precisie doet nu komisch aan, maar het was misschien wel de eerste systematische poging om de leeftijd van de aarde te berekenen. In feite was het een berekening van de tijdsduur dat  geschreven documenten terug gaan in de tijd van het volk dat die documenten naliet en natuurlijk niet van de ouderdom van de aarde.
2. Dit verhaal heeft grote overeenkomsten met het twijfel zaaien aan het verband tussen roken en kanker, en CO2 uitstoot en klimaatopwarming.

 

Vorige blogs over dit onderwerp

• 2 mei 2014 Cosmos (6) The planet of the tardigrades
• 1 mei 2014 Cosmos (5) een telescoop is een tijdmachine (Michell, Herschel, Faraday, Maxwell, Einstein)
• 30 april 2014 Cosmos (4) De ontdekking van het licht (Mozi, Ibn al-Haytham, Herschel, Fraunhofer)
• 29 april 2014 Cosmos (3): Newton en Halley. De opkomst van de natuurwetenschap
• 22 april 2014 Cosmos: A Spacetime Odyssey (2) Evolutie
• 14 april 2014 Cosmos: A Spacetime Odyssey (1) Neil deGrasse Tyson