Klimaendringer i prekambrium: fra tropisk varme til snøballjord! (og tilbake igjen til tropisk varme!) Johan Petter Nystuen

Transkript

1 Klimaendringer i prekambrium: fra tropisk varme til snøballjord! (og tilbake igjen til tropisk varme!) Johan Petter Nystuen Institutt for geovitenskap, Universitetet i Oslo 17. oktober 2014

2 Klima Klima er et statistisk gjennomsnitt av temperatur, vind og nedbørsforhold over en viss periode, f.eks. 30 år Klima er et dynamisk system som varierer i tid og rom og drives av en rekke faktorer og prosesser i sammensatte fysiske, geokjemiske og biologiske systemer Jordas klima har endret seg i tidsperioder som varierer fra noen titalls til millioner av år

3 Faktorer som kontrollerer klimaet på jorda Innstråling fra sola Kosmisk stråling og støv Infrarød utstråling Platetektonikk Varme- og gasstrøm fra mantelen CO2-fordeling mellom hav og atmosfære Forvitring Fotosyntese og andre biogene prosesser

4 Faktorer som kontrollerer klimaet på jorda Variasjoner i solinnstråling milankovichsykler Eksentrisitet Syklus: ~ / år Helning av jordaksen Syklus: ~ år Presisjonen Syklus: ~ years Wikipedia

5 Faktorer som kontrollerer klimaet på jorda Syklisk variasjon i CO2 og temperatur fra iskjerne i Antarktis Toggweiler 2008) Tradisjonelt tolket til å være milanokovich-drevne sykler (Petit et al. 1999), men er også tolket på annet vis (Toggweiler 2008)

6 Faktorer som kontrollerer klimaet på jorda Fra jordas indre: H 2 O, CO 2, CH 4, NO X, etc + støv ved vulkanutbrudd Foto: Páll Eggert Ólafsson

7 Dannelse og destruksjon av CO2 i atmosfæren 1. CO2 + CaSiO3 CaCO3 + SiO2 2. CO2 + MgSiO3 MgCO3 + SiO2 3. CH2O + O2 CO2 + H20 Ligning 1 og 2 er forvitring av Ca- og Mg-silikatbergarter lest fra venstre mot høyre (flere mellomtrinn) Ligning 3 er forbrenning, oksidasjon, av organisk materiale lest fra venstre mot høyre, og fotosyntese lest fra høyre mot venstre (flere mellomtrinn) («Klassiske» kjemiske/biokjemiske reaksjoner fra Ebelmann 1845; Urey 1952; Holland 1978; Berner 1991)

8 Modifisert ettert Franck et al Solinnstråling Positive og negative tilbakevirkningsmekanismer i jord-systemet Gjennomsnittlig global temperatur Atmosfærisk CO2 Forvitring av silikatbergarter Biologisk produktivitet Spredningsrater Kontinentalt areal Varmestrøm til overflaten Kontinental vekst

9 Faktorer som kontrollerer klimaet på jorda Platetektonikk: spredningshastighet, posisjon og relieff av kontinentene Early Permian 270 Ma Illustration: Ron Blakey

10 Ishus- og drivhusperioder i fanerozoikum 400 ppm Ishusperioder: Modifisert fra Berner 1991, 2001, Nahle 2005 Senordovicium Karbon-perm Neogene-nåtid

11 Ishus- og drivhusperioder i fanerozoikum 400 ppm? Ishusperioder: Modifisert fra Berner 1991, 2001, Nahle 2005 Senordovicium Karbon-perm Neogene-nåtid

12 PETM Atmosfærisk CO2 og temperatur (i forhold til i dag) i kenozoikum Modifisert fra Beerling og Royer 2011

13 Istidsperioder i jordas historie Hoffman & Schrag 2002 Neoproterozoicum Fanerozoicum Mesoproterozoicum Paleoproterozoicum Arkeikum Milliarder år

14 Ishusperioder i jordas historie Young 2013

15 Variasjoner i temperatur, solintensitet, O2, CO2 i prekambrium-fanerozoikum Young 2013

16 Huronistiden den eldste kjente istiden i jordas historie (Canada og Sør-Afrika) Young 2013

17 Lagrekken med istidssedimenter fra Huronsupergruppen i Canada Young 2013

18 Huronglasiasjonen 2200 millioner år gammel forsteinet morene (tillitt)

19 Snøballjordhypotesens grunnlag - Neoproterozoikum Kontinenter i neoproterozoikum som lå på lave breddegrader var dekket av innlandsis helt ned til havets nivå Istidsavsetninger fra samme neoproterozoiske tidsrom finnes på nesten alle nåværende kontinenter Istidsavsetninger kan ligge direkte på lag avsatt i varmt klima og være direkte dekket av tilsvarende lag («cap dolomite») Stratigrafi og C13-isotoptrenden tyder på meget raske klimaskifter

20 Snøballjord Alle kontinenter dekket av tykke isskjold Havene dekket av sjøis > 1km tykk Varme perioder ble avløst av ekstreme kuldeperioder som igjen ble etterfulgt av varme perioder Google images

21 Issørpejord Alle kontinenter dekket av tykke isskjold Havene dekket av issørpe («slush ice») Varme perioder ble avløst av ekstreme kuldeperioder som igjen ble etterfulgt av varme perioder Google images

22 Sen-neoproteroziske istidsavsetninger Late Neoproterozoic Glacial Deposits (LNGDs) Hovedistidssperioder: GASKIERS ca Ma MARINOAN Ma STURT Ma Halverson et al. 2009

23 Late Neoproterozoic Glacial Deposits (LNGDs) Hovedistider: GASKIERS ca Ma MARINOAN ca. 635 Ma STURT Ma Halverson et al. 2009

24 Plateposisjoner i neoproterozoikum Posisjon av cryogene istidsavsetninger Sturt glasiale avsetninger Baltica Marinoan glasiale avsetninger (Lee et al. 2008) Baltica

25 Platerekonstruksjon for overgangen cryogen-edicara 60 N 30 N 30 S 60 S Neoproterosiske glasiale avsetninger i Scotland-Irland, Skandinavia, Øst- Grønland og Svalbard Modifisert fra Lee et al. 2008

26 Neoproterozoiske lagrekker med glasiale formasjoner i den nord-øst atlantiske regionen Modifisert fra Nystuen et al. 2008

27 Neoproterozoiske lagrekker med glasiale formasjoner i den nord-øst atlantiske regionen Øst-nordøst Grønland Svalbard Sentrale Øst- Grønland Sør-Norge Härjedalen Sverige Nordre Jämtland Sverige Tanafj- Varangerfj regionen Finnmark Barentshavsregionen Finnmark Nystuen et al. 2008

28 Neoproterozoiske lagrekker med glasiale formasjoner i den nord-øst atlantiske regionen Øst-nordøst Grønland Svalbard Sentrale Øst- Grønland Sør-Norge Härjedalen Sverige Nordre Jämtland Sverige Tanafj- Varangerfj regionen Finnmark Barentshavsregionen Finnmark Nystuen et al. 2008

29 Moelvformasjonen, Bruvollhagan, Moelv

30 Moelvformasjonen, Bruvollhagan, Moelv

31 Biriformasjonen, Kremmerodden, Biri

32 Smalfjordformasjonen, Bigganjargga, Varanger

33 Smalfjordformasjonen, Bigganjargga, Varanger

34 Mortensnesformasjonen, Mortensnes, Varanger

35 Porsangerformasjonen, Laksefjord

36 Stromatolitter, Porsangerformasjonen, Laksefjord

37 Neoproterozoisk stratigrafi Adelaide Basin South Australia (Williams 2008) Elatina Formation: typeforekomsten for Marinoan Den opprinnelige definisjoen av Marinoan omfatter både cryogen- og Ediacara-avsetninger Sturt glasiale formasjoner

38 Kappe-dolomittstein på topen av den glasiale Ghauformasjonen (635 Ma) i Namibia Google images

39 Snowball Earth Hypothesis Cap carbonates and δ 18 O and δ 13 C signatures The Ghaub Formation in Namibia Carbonate platform Ghaub glacial surface ca. 635 Ma Carbonate platform Hoffman & Schrag 2002

40 Neoproterozoic composite δ 13 C record GASKIERS Ma MARINOAN ca. 635 Ma STURTIAN Ma δ 13 C trends shift towards negative values when approaching a glacial epoch and shift towards positive values after a glacial epoch Modified from Halverson et al. 2009

41 Snowballjord-hypotese Båbegynnelse av ny syklus pga fall i CO 2 og temperatur Iskollaps ved oppnådd kritisk temperatur; kappe-dolomitter dannes Maksimum isdekke på land og i hav; stigende temperatur pga økende CO 2 Minimum temperatur og havnivå. Utslipp av CO 2 ved vulkanisme Stadium der albedo løper løpsk (runaway) (A~0.5) Hoffman & Schrag 2002 Begynnende glasiasjon på høye breddegrader ved fall i CO 2

42 Alternativ forklaring til snøballjordhypotesen: High Obliquity, Low-latitude Ice, STrong seasonality(holist) hypothesis (George E. Williams 1975) a) Fra ediacara til nåtid: Helning av jordaksen ~ 23.5 b) Fra 4.5 Ga til ediacar: Aksehelning > 54 Williams 2008

43 Alternativ forklaring til snøballjordhypotesen: Galaktisk stråling (Svensmark 2007) Maruyama 2008

44 Biologisk evolusjon som følge av prekambriske klimaendringer

45 Konklusjon Den første dramatiske klimaendring i prekambrium skjedde i paleozoikum for 2200 millioner år siden: Den første snøballjordistiden Cyanobakterier begynte med fotosyntese og atmosfærens innhold av O2 begynte å øke, mens CO2- innholdet begynte å minske. Første masseutdøing. Neoproterozoikum har to store snøballjordistider, Sturtistidene ( må) og Marinoanistidene ( må). Ny masseutdøing. Flercellete dyr, metazoa, begynte å utvikle seg raskt etter istidene i ediacara Årsakene til de dramatiske klimaskiftene er ikke helt ut forstått

46 så, takket være de dramatiske klimaskiftene i prekambrium (og mange senere), er vi her i dag!