Verwering van gesteenten kan een belangrijke bron van kooldioxide zijn, die kan concurreren met vulkanische emissies, suggereert een studie van de Universiteit van Oxford. Dit inzicht is van cruciaal belang voor toekomstige voorspellingen van het koolstofbudget. Nieuw onderzoek ontkracht de conventionele wijsheid dat natuurlijke verwering van gesteenten fungeert als een koolstofdioxideput die koolstofdioxide uit de atmosfeer verwijdert. Omgekeerd is natuurlijke verwering van gesteenten ook een enorme bron van koolstofdioxide, vergelijkbaar met die van vulkanen.

Sedimentgesteenten langs de oevers van de Canadese Mackenzie-rivier, een groot stroomgebied waar verwering van rotsen een bron van kooldioxide is. Fotocredit: Robert Hilton

Deze resultaten hebben belangrijke implicaties voor het modelleren van scenario's voor klimaatverandering, maar klimaatmodellering houdt momenteel niet rekening met de uitstoot van koolstofdioxide door verwering van rotsen. Toekomstig werk zal zich richten op de vraag of menselijke activiteit de uitstoot van kooldioxide door verwering van gesteenten verhoogt en hoe dit kan worden gecontroleerd.

Een paradigmaverschuiving in het begrijpen van de koolstofcyclus

Een nieuwe studie onder leiding van de Universiteit van Oxford ontkracht het idee dat natuurlijke verwering van gesteenten fungeert als koolstofdioxideput, en laat zien dat natuurlijke verwering van gesteenten ook kan fungeren als een enorme bron van kooldioxide, met een rol die vergelijkbaar is met die van vulkanen. De onderzoeksresultaten zijn op 4 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Nature en zijn van groot belang voor het simuleren van scenario's van klimaatverandering.

Schalie hoog in de afgelegen Mackenzie Mountains in Canada bevat grote hoeveelheden organische koolstof in de rotsen en is een hotspot voor de uitstoot van kooldioxide. Bron: Robert Hilton

Rotsen en de koolstofcyclus

Gesteenten bevatten enorme hoeveelheden koolstof en zijn de oude overblijfselen van planten en dieren van miljoenen jaren geleden. Dit betekent dat de ‘geologische koolstofcyclus’ werkt als een thermostaat en helpt de temperatuur op aarde te reguleren. Tijdens chemische verwering, wanneer bepaalde mineralen worden geërodeerd door zwakke zuren in regenwater, absorberen rotsen bijvoorbeeld koolstofdioxide. Dit proces helpt de constante uitstoot van kooldioxide door vulkanen over de hele wereld te compenseren en maakt deel uit van de natuurlijke koolstofcyclus van de aarde, waardoor het oppervlak van de planeet een miljard jaar of langer bewoonbaar blijft.

Nieuw mechanisme voor de afgifte van koolstofdioxide ontdekt

De nieuwe studie is echter de eerste die een ander natuurlijk proces meet waarbij rotsen koolstofdioxide in de atmosfeer afgeven, waarbij wordt vastgesteld dat dit net zo belangrijk is als het proces dat door vulkanen over de hele wereld vrijkomt. Momenteel omvatten de meeste natuurlijke koolstofcyclusmodellen dit proces niet.

Door aardverschuivingen in de hooglanden van de Peruaanse Andes verweren rotsen vol organisch materiaal, waardoor koolstofdioxide vrijkomt. Bron: Robert Hilton

Dit proces vindt plaats wanneer gesteenten gevormd op oude zeebodems (waarin planten en dieren in sedimenten werden begraven) worden teruggeduwd naar het aardoppervlak, bijvoorbeeld wanneer bergketens zoals de Himalaya of de Andes werden gevormd. Hierdoor kan de organische koolstof in het gesteente in contact komen met zuurstof in de lucht en het water, waardoor het reageert en koolstofdioxide vrijkomt. Dit betekent dat verweerde rotsen een bron van kooldioxide kunnen zijn, in plaats van een put, zoals algemeen wordt gedacht.

Methoden en bevindingen

Tot nu toe was het moeilijk om de hoeveelheid kooldioxide te meten die vrijkomt bij het verweren van organische koolstof in gesteenten. In de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers een tracerelement (rhenium) dat vrijkomt in water wanneer organische koolstof in rotsen reageert met zuurstof. De uitstoot van kooldioxide kan worden gekwantificeerd door het reniumgehalte in rivierwater te meten. Het bemonsteren van alle rivierwateren over de hele wereld om een ​​globale schatting te verkrijgen zou echter een grote uitdaging zijn.

Om de omvang van het aardoppervlak uit te breiden, deden onderzoekers twee dingen. Eerst berekenden ze de hoeveelheid organische koolstof in gesteenten dichtbij het oppervlak. Ten tweede berekenden ze waar deze organische koolstof het snelst zou worden blootgesteld, namelijk in steile bergachtige gebieden waar het onderhevig is aan erosie.

Door de ernstige erosie in Zuid-Frankrijk zijn deze sedimentaire gesteenten blootgesteld aan verweringsprocessen, waarbij koolstofdioxide vrijkomt bij de afbraak van oude organische koolstof. Bron: Robert Hilton

Dr. Jesse Zondervan, een onderzoeker aan de afdeling Aardwetenschappen van de Universiteit van Oxford die het onderzoek leidde, zei: "De uitdaging was om deze wereldkaarten te combineren met riviergegevens, rekening houdend met onzekerheden. We hebben alle gegevens in een supercomputer aan de Universiteit van Oxford ingevoerd, waarmee het complexe samenspel van fysische, chemische en hydrologische processen werd gesimuleerd. Door deze gigantische planetaire puzzel in elkaar te zetten, kunnen we uiteindelijk een schatting maken van de totale hoeveelheid koolstofdioxide die vrijkomt als deze rotsen verweren en hun oude koolstof in de lucht uitstoten.

We kunnen dit cijfer vervolgens vergelijken met de hoeveelheid kooldioxide die kan worden geabsorbeerd door natuurlijke gesteenteverwering van silicaatmineralen. Uit de bevindingen blijkt dat verwering in veel grote gebieden een bron van koolstofdioxide is, wat de huidige ideeën over de manier waarop verwering de koolstofcyclus beïnvloedt in twijfel trekt. Hotspots van de uitstoot van kooldioxide zijn geconcentreerd in bergketens met hoge opstijgingssnelheden en blootgestelde sedimentaire gesteenten, zoals de oostelijke Himalaya, de Rocky Mountains en de Andes. Uit de studie bleek dat de wereldwijde uitstoot van kooldioxide door de verwering van organische koolstof in de rotsen 68 megaton koolstof per jaar bedraagt. "

Professor Robert Hilton (Departement Aardwetenschappen, Universiteit van Oxford) is directeur van het ROC-CO2-onderzoeksproject, dat het onderzoek financierde: "Dit is ongeveer 100 keer minder CO2 dan mensen vandaag de dag uitstoten door de verbranding van fossiele brandstoffen, maar is vergelijkbaar met de hoeveelheid die vrijkomt door vulkanen over de hele wereld, wat betekent dat het een belangrijke speler is in de natuurlijke koolstofcyclus van de aarde."

Impact en toekomstige richtingen

Deze fluxen zijn mogelijk veranderd in het verleden van de aarde. Tijdens perioden van gebergtevorming, toen veel gesteenten met organisch materiaal omhoog werden gebracht, kan de uitstoot van koolstofdioxide bijvoorbeeld hoger zijn geweest, wat van invloed was op het mondiale klimaat in het verleden.

Huidig ​​en toekomstig werk onderzoekt hoe veranderingen in erosie veroorzaakt door menselijke activiteiten, evenals opwarmende rotsen als gevolg van antropogene klimaatverandering, deze natuurlijke koolstoflekkage kunnen vergroten. Eén vraag die het team nu stelt, is of deze natuurlijke uitstoot van koolstofdioxide de komende eeuw zal toenemen. “We weten het nog niet – onze aanpak stelt ons in staat een betrouwbare mondiale schatting te geven, maar nog niet in te schatten hoe deze zal veranderen”, aldus Hilton.

"Hoewel de kooldioxide die vrijkomt door verwering van gesteenten onbeduidend is vergeleken met de huidige menselijke uitstoot, zal een beter begrip van deze natuurlijke fluxen ons helpen het koolstofbudget beter te voorspellen", concludeert Dr. Zondervan.