DANNET FOR 2,4 MILLIARDER ÅR SIDEN: Verdens største jernforekomster, såkalte banded iron formations, ble dannet da oksygen produsert av cyanobakterier oksiderte jern i havet slik at jernoksider ble avsatt på havbunnen. Oksygenet påvirket atmosfæren og ledet også verden inn i flere istider. Bildet viser forekomsten ved Syd-Varanger Gruve, der tektoniske bevegelser over milliarder av år har foldet og forkastet den lagdelte jernmalmen. Foto: Aivo Lepland.
Vi har begrenset med informasjon om hvordan fremtidens klima vil se ut, både på kort og lang sikt, men sporene etter fortidens klima – paleoklimaet – ligger arkivert i iskjerner, sedimenter og fast fjell. Derfor kan geologer fortelle mye om hvilke hendelser som står bak de største endringene i klimaet for tusener, millioner og milliarder av år tilbake i tid. Ny viten om fortidens klima kan også hjelpe forskerne å utvikle mer presise spådommer om fremtiden.
Det som kjennetegner jordas klima, er kontinuerlige variasjoner på flere skalaer. Mens det i sen ordovicium og sen karbon var veldig kaldt, er tidlig karbon og sen kritt kjent som svært varme perioder. Også nærmere nåtid og lengre tilbake i tid, kjenner vi til slike skifter mellom istid- og drivhusklimaer.
I denne artikkelserien tar vi en reise bakover i tid for å se på noen av de mest dramatiske geologiske begivenhetene som har påvirket det globale klimaet på planeten vår, hvor norske forskere har innsikt og kompetanse å dele.
Vi startet nær nåtid, og vil nå ende opp kort tid etter jordas fødsel.
Illustrasjon: Modifisert fra Glen Fergus / Wikimedia Commons.
Fundamental endring ga de første istidene
– Vi vet at atmosfæren har gjennomgått flere, fundamentale endringer gjennom jordas historie. Selve grunnlaget for klimaet er atmosfæren vår. Uten en atmosfære, finnes det hverken drivhuseffekt eller et klima, forteller UiB-professor Jostein Bakke.
Den oksygenholdige atmosfæren vi kjenner i dag ble i all hovedsak dannet som følge av en hendelse mange forskere kaller oksygenkatastrofen.
– For ca. 2,4 – 2,3 milliarder år siden steg oksygenkonsentrasjonen i atmosfæren plutselig. Vi tror konsentrasjonen kan ha nådd opptil en tiendedel av dagens nivå som er 21 prosent, forteller Aivo Lepland, forsker ved Norges geologiske undersøkelse (NGU) og Senter for arktisk gasshydrat, miljø og klima (CAGE) ved UiT Norges arktiske universitet.
Produksjonen av oksygen på jorda kan imidlertid ha startet mye tidligere.
– Vi ser indikasjoner på at cyanobakterier begynte med fotosyntese så tidlig som for 3 milliarder år siden. Men minimale mengder av dette oksygenet ble akkumulert i atmosfæren.
Forklaringen er at jordas første oksygen i gassform inngikk i ulike kjemiske reaksjoner. For eksempel var havene på denne tiden svært jernrike. Tilgangen på oksygen førte til at jernet oksiderte og la seg på havbunnen som jernoksider.
Denne prosessen har dannet mange av de største jernforekomstene vi kjenner til på jorda i dag (såkalte banded iron formations, BIF), inkludert Sydvaranger gruves Bjørnevatn-forekomst i Finnmark.
De fleste og største BIF-forekomster er eldre enn oksygenkatastrofen
– Økningen av mengden oksygen i atmosfæren førte til omfattende endringer på jorda. Foruten at havene ble «renset» for jern, var dette også innledningen på de første istidene.
Den nye atmosfæriske gassen kan ha ledet verden inn i hele fire snowball earth-hendelser i perioden 2,4 – 2,2 milliarder år siden.
For 2,4 milliarder år siden var sola betydelig svakere målt i luminositet enn i dag (ca. 80 prosent av dagens nivå). Samtidig vet vi at jorda var relativt varm. Dette kan geologene si med stor grad av sikkerhet fordi vi ser sporene etter flytende vann.
Forklaringen på det varme klimaet under en «kald» sol er atmosfærens sammensetning. Før oksygenkatastrofen liknet vår planets atmosfære mer på de vi ser på våre naboplaneter Mars og Venus.
– Atmosfæren var sannsynligvis relativt rik på drivhusgassene metan (CH4) og CO2. Drivhuseffekten av disse veide opp for det svake sollyset, sier Lepland.
Da oksygen begynte å akkumuleres i atmosfæren, reagerte det med metanet og dannet CO2 og vann. CO2 er en mye svakere drivhusgass enn metan, og drivhuseffekten ble dermed betydelig redusert med det resultat at de globale temperaturene sank.
Snowball Earth-hendelsene fra denne perioden utgjør en del av huronistiden.
– Huronistiden regnes som den første perioden med istider på global skala. Hvor mange istider som fant sted, og nøyaktig når, er vanskelig å si fordi det ikke er en enkel oppgave å datere og kartlegge bergarter så langt tilbake i tid. Men forskere har altså funnet gode beviser etter isdekker flere steder i verden, blant annet i USA, Canada, India, Sør-Afrika og Australia, opplyser Nystuen.
Atmosfærens sammensetning før oksygenøkningen er et resultat av vulkansk aktivitet og gasser fra utallige asteroidenedslag. Foruten metan og CO2, inneholdt atmosfæren trolig nitrogen, vanndamp og edelgasser (ikke-reaktive gasser, eksempelvis argon som i dag utgjør én prosent).
4,4 milliarder år med flytende vann
Vi beveger oss så langt tilbake vi kan komme. Det geologiske eonet hadeikum starter med jordas fødsel for 4,54 milliarder år siden og varer frem til 4,0 milliarder år siden.
Kunnskapen om hvordan jorda så ut i denne perioden er mangelfull. Det er også de geologiske sporene.
De eldste og mest håndfaste sporene vi kjenner til i dag er zirkonkrystaller som er funnet i Jack Hills-regionen i Vest-Australia. Ved å undersøke og datere mineralene, har forskere påvist tilstedeværelsen av en fast kontinentalskorpe og flytende vann for minst 4,4 milliarder år siden (geoforskning.no: Bekrefter urgammel skorpedannelse).
– Zirkonkrystallene og dens isotoper fra Jack Hills fortjener nærmere og mer detaljerte undersøkelser ettersom de praktisk talt er de eneste sporene vi kjenner til fra denne turbulente tiden i jordas historie, sier Lepland.
Planeten vår ble dannet som følge av at støv i solsystemet begynte å klumpe seg sammen. Tyngdekraften drev prosessen videre, der stadig mer steinmateriale ble trukket inn mot et sentralt gravitasjonspunkt.
Gravitasjonseffekten fungerte også på gasspartiklene i den protoplanetariske skiven, og selv om vi vet lite om den første atmosfæren, er det grunn til å tro at den bestod av de samme gassene som også eksisterte i det unge solsystemet, primært hydrogen og kanskje vanndamp, metan og ammoniakk. Ikke ulikt hva vi ser på gassplanetene Jupiter og Saturn i dag.
De første 20 millioner år kan temperaturene ved jordoverflaten ha vært opptil 1 700 °C. Den bestod da i hovedsak av en masse av delvis smeltet magma.
I løpet av de neste 10 – 100 millioner år ble jordoverflaten avkjølt til ca. 230 °C, noe som la grunnlaget for dannelsen av fast kontinentalskorpe. På grunn av en CO2-rik atmosfære med høyt trykk, kunne kokhett vann eksistere i flytende form.
Artikkelen kan leses i sin helhet i GEO 2022.
Illustrasjon: NASA’s Goddard Space Flight Center / Francis Reddy.
