Onze maan staat op een afstand van ongeveer 400.000 km van de aarde. Voldoende ruimte om zelfs de gasreus Jupiter op de plaats van de maan te plaatsen. We weten uit waarnemingen van exoplaneten dat er gasreuzen in de bewoonbare zones van andere sterren dan de zon zwerven. Wat als de aarde een maan was geweest van een gasreus?
Door de enorme zwaartekracht van bijvoorbeeld Jupiter zou de aarde altijd dezelfde kant richting Jupiter richten. ‘Dagen’ op aarde zouden dus gelijk zijn aan de omlooptijd rond Jupiter, rond de 4 tot 5 dagen. Ook zou de aarde door het gebrek aan rotatie nauwelijks een magnetisch veld kennen en dus ingebed zijn in het magnetische veld van Jupiter. Alleen de atmosfeer zou dan de aarde beschermen tegen de dodelijke straling van Jupiters magnetosfeer.
Hoe zou het zijn om een reis naar de kern van de aarde te maken? Vergeet onzin als de speelfilm Core. De druk op grotere diepten is extreem hoog: gigapascals en meer, dus duizenden atmosfeer. [1] Het meest hittebestendige materiaal, hafniumcarbonitride, kan de temperatuur aan, zij het met moeite[2]. In het echt kunnen we dus nog niet een vaartuig bouwen, waarmee we door het gesmolten binnenste van onze planeet kunnen reizen. In onze fantasie kan dat gelukkig al wel.
Als voorproefje een snelle tear down van elk belangrijk hemellichaam in het zonnestelsel. Om te beginnen met het centrale punt van het zonnestelsel: de zon. Ook Mercurius en andere planeten komen aan de beurt.
Hoe zou de aarde er op honderd kilometer diepte uit zien? Op duizend kilometer? En in de gloeiendhete metalen bol, die de kern van de aarde vormt? In deze documentaire van National Geographic maken we een reis van anderhalf uur lang naar het binnenste deel van de aarde: de withete binnenkern.
Reis naar de kern van de aarde – belangrijker dan het lijkt
Langzamerhand stolt de binnenkern, waardoor de vloeibare buitenkern steeds dunner wordt. Dat is slecht nieuws. De stromingen in de buitenkern worden daardoor steeds zwakker, en hiermee het aardse magneetveld. Dit gaat een probleem worden ongeveer een miljard jaar na nu. Want zonder magneetveld maken zonnevlammen korte metten met onze lucht en water. Maar gelukkig is een miljard jaar een lange tijd. We hebben dus nog wel even de tijd om een oplossing te vinden voor dit probleem.
Lang geleden, toen er nog merkwaardige reptielen met grote kammen op hun rug rondscharrelden, was er maar één supercontinent. Pangea. Hoe zag Pangea er uit en zal er in de toekomst weer een supercontinent ontstaan?
Hoe zou de aarde er uit zien als plotseling alle continenten terug zouden keren naar Pangea?
Voor ons, inwoners van de Lage Landen, zou de wereld van Pangea er heel anders uitzien. We worden wakker en het is plotseling erg warm. Geen wonder, de Lage Landen liggen nu in de tropen. Wij komen er nog genadig vanaf. De Chinezen in het voormalige zuiden van dit land krijgen te maken met guur poolweer. Wil je als Marokkaan naar Usa? Geen probleem, pak je fiets of ga lopen. Het Amerikaanse continent is nu een buurland geworden. De rest van Afrika heeft meer pech. De enorme aaneengesloten landmassa vormt een grote woestijn. Waarschijnlijk zullen behalve de Chinezen, ook de Afrikanen willen verhuizen.
Naar Antarctica, bijvoorbeeld. Dit voormalige poolcontinent ligt nu op een gematigde breedtegraad. Eén groep zou erg blij zijn. De Tibetanen. Hun voormalige overheersers, de Chinezen, liggen nu plotseling aan de andere kant van de wereld. Ook de Iraniërs hebben nu een probleem. De twee helften van hun land liggen op verschillende halfronden.
Niet iedereen is het overigens eens met deze indeling. Toch geeft het een aardige indruk, maar vooral ruwe indruk. In werkelijkheid was Pangea grotendeels onbewoonbare woestijn. Geen wonder dus, dat amfibieën zich onder deze barre omstandigheden ontwikkelden tot reptielen. Deze konden met hun waterdichte eieren makkelijker overleven in het droge klimaat.
Volgens onderstaande, meer recente data zouden landen als Turkije, Iran en Tibet, alsmede het grootste deel van het Arabisch schiereiland onder water hebben gelegen. De Lage Landen lagen onder water, of aan de oostkust. Ook zou Zuid-China juist in de tropen hebben gelegen.
Ook in de verre toekomst zal er, mogelijk, weer een supercontinent ontstaan, door geologen alvast Pangea Ultima gedoopt.
Door nog onopgehelderde oorzaak wordt de aarde elke 26 tot 27 miljoen jaar bezocht door een doodsengel: getroffen door een natuurramp die een groot deel van de soorten wegvaagt. Nemesis, de veronderstelde donkere begeleider van de zon die om de zoveel tijd met een tocht door de komeetrijke Oortgordel dood en verderf zou zaaien, komt met de laatste onderzoeksgegevens echter steeds verder uit beeld als mogelijke verklaring. Er is ook goed nieuws: de laatste massaextinctie vond elf miljoen jaar geleden plaats. Het duurt dus nog wel even voor de volgende vernietigende ramp, althans uit die hoek, toeslaat.
Verder is er waarschijnlijk de reusachtig grote Oortgordel, die zich tot meer dan een lichtjaar afstand van de zon uitstrekt: de grens van de zwaartekrachtswerking van de zon. Er is nog geen direct experimenteel bewijs van het bestaan van de Oortgordel, maar de meeste kometen hebben een aphelion (punt in hun omloopbaan dat het verst verwijderd is van de zon) van 20.000 maal de afstand aarde-zon, het centrum van de Oortgordel.
Neptunus, Jupiter en Mars kennen trojanen, dat zijn ruimterotsen die zich op ongeveer een zesde omloopbaan afstand voor of achter de planeet in de omloopbaan van de planeet bevinden en daar rond de Lagrangepunten draaien: het punt waar de zon en de planeet evenveel aantrekkingskracht uitoefenen.
De samenstelling van meteorieten uit deze gordels wijst erop dat er veel waardevolle grondstoffen te vinden zijn. Vanzelfsprekend hebben diverse landen daarom grote interesse in deze gordels. Wat daar aan zeldzame metalen en dergelijke te vinden is, stelt de aarde totaal in de schaduw.
Komt Nemesis elke 27 miljoen jaar langs?
De Nemesishypothese (Nemesis is de Griekse godin van het noodlot die hoogmoedigen straft) gaat er van uit dat de zon een donkere, onzichtbare begeleider kent: Nemesis.
Objecten die in aanmerking komen als boosdoener zijn bruine dwergen (sterren die te klein zijn voor kernfusie), zwerfplaneten ter grootte van een reusachtige Jupiter of kleine zwarte gaten. Alle drie zijn namelijk nagenoeg onzichtbaar van grote afstand.
Nemesis volgt een elliptische baan om de zon. Als Nemesis de zon dicht nadert, verstoort de zwaartekracht van het hemellichaam de banen van kometen en andere brokken puin in de Oortgordel, de ijzig koude puinring aan de uiterste buitengrens van het zonnestelsel.
Het gevolg: de aarde wordt getroffen door een vernietigend bombardement dat een groot deel van alle soorten wegvaagt. Enkele zeer taaie soorten overleven het en worden de stamvaders voor een nieuwe fase van evolutionaire uitwaaiering, zoals bijvoorbeeld ook na de allesverwoestende Krijt-Tertair massaextinctie, 250 miljoen jaar geleden (de oerdino was een van de overlevenden) en de Chicxulub-ramp (die bijna alle dino’s wegvaagde en de weg vrijmaakte voor de zoogdieren zoals de mens, en vogels) gebeurde.
Het Pluto-achtige object Sedna bevindt zich op een plaats die volgens sommige astronomen alleen is te verklaren door het zwaartekrachtsveld van een Nemesis-achtig hemellichaam.
Een aanvullende aanwijzing voor het bestaan van Nemesis is de scherpe begrenzing van de Oortgordel (berekend uit de omloopbanen van kometen). Van andere sterren met begeleiders is bekend dat ook hun puinringen scherp begrensd zijn. Eenzame sterren hebben een diffuse buitenring. Nemesis vinden wordt lastig. Op dit moment is het hypothetische object op zijn aphelion – het verste punt van de zon – en is dus vrijwel onzichtbaar. Niettemin wordt er nu grof astronomisch geschut gelanceerd – denk aan de geplande Pan-STARRS, LSST en de in 2013 voltooide WISE missies, waardoor Nemesis – als deze bestaat – ons haast niet meer kan ontgaan. In 2020 hebben we nog steeds geen spoor van Nemesis ontdekt.
Maar bestaat Nemesis wel? En wat is dan wél de verklaring?
Uit een recente Arxiv-publicatie blijkt dat er enkele stevige argumenten tegen de Nemesishypothese pleiten. Zo is het patroon van uitstervingen met 99% te regelmatig om door de hypothetische Nemesis te worden veroorzaakt. Zwaartekrachtsvelden van naburige sterren zouden de baan van Nemesis namelijk zo verstoren dat het hemellichaam een onregelmatige baan zou krijgen – en hiermee de periodiciteit in de war schoppen.
Er zijn op dit moment weinig andere verklaringen die in de buurt komen van een zinnig werkingsmechanisme. De zon draait in omstreeks tweehonderd miljoen jaar rond rond de kern van de melkweg – zes keer zo lang als de periodiciteit van de uitstervingen. Onze stellaire buren zijn te chaotisch om deze bijna volmaakte regelmaat te leveren. Wat de verklaring ook is, we hebben nog vijftien miljoen jaar om de dader te ontmaskeren. Dus we hebben nog wel even de tijd…
Update: publicatie in Nature, uitsterfpatroon elke 27 miljoen jaar bevestigd
Sinds 2011 is het onderzoek voortgezet, deze keer met behulp van kunstmatige intelligentie. De onderzoekers onderzochten de verspreiding in de tijd van 1 273 254 fossielen uit het Fanerozoïcum (m.a.w. de laatste 541 miljoen jaar), die toebehoorden aan 171 231 soorten. Hieruit kwamen enkele opvallende uitkomsten. Het patroon van uitstervingen elke 27 miljoen jaar (of een veelvoud hiervan) werd opnieuw bevestigd. We weten nog steeds niet welk proces deze uitstervingen in gang heeft gezet. Wel dat alle vijf massa-uitstervingen en zeven kleinere uitstervingsgolven het patroon van de 27 miljoen jaar volgen [1].
Nog steeds is niet bekend welk proces dit veroorzaakt, maar een onzichtbare begeleider van de zon of een andere kosmologisch proces dat de omloopbanen van Kuiperbelt-objecten destabiliseert, lijkt m.i. aannemelijk. Deze periode van 27 miljoen jaar komt overeen met een aphelion van honderdduizenden astronomische eenheden, m.a.w. enkele lichtjaren. Een dergelijk object is nauwelijks meer gebonden aan de zon en wordt al snel op sleeptouw genomen door andere passerende sterren. Toch wijst de ijzeren periodiciteit op een relatief sterke gravitationele binding met de zon en een stabiele baan. Een resonantie-effect met het galactische zwaartekrachtsveld? Kortom: een uitdagende puzzel.
Er blijkt geen verband te zijn tussen uitsterving en het daarna ontstaan van nieuwe soorten. Speciatie-events, waarbij veel nieuwe soorten ontstaan, komen willekeurig voor. De eerdere theorie dat uitsterfgolven automatisch leiden tot het ontstaan van veel nieuwe soorten die de plaatsen van eerdere soorten opvullen, blijkt dus niet te kloppen. Sterker nog: speciatie lijkt juist nieuwe uitstervingen te veroorzaken, door de onderzoekers “destruction by creation” genoemd. Een mooi voorbeeld is natuurlijk onze eigen soort. Wij hebben heel wat uitstervingen van andere soorten, van de mammoet tot de dodo, op ons geweten.
Bronnen 1. Impacts of speciation and extinction measured by an evolutionary decay clock†by Jennifer F. Hoyal Cuthill, Nicholas Guttenberg and Graham E. Budd, 9 December 2020, Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-3003-4
De aarde ligt niet in het midden, maar aan de rand van de bewoonbare zone in het zonnestelsel. De zon hoeft maar tien procent in lichtkracht toe te nemen en de aarde wordt een tweede Venus, een helse wereld waar de zeer hete en dichte atmosfeer zelfs metalen als lood laat smelten. Volgens astrofysische voorspellingen is het over een miljard jaar al zo ver. Hoe kunnen we onze knusse aardkloot reden van een wrede hittedood?
Net niet te heet
Anders dan de meeste mensen denken, ligt de aarde niet op de optimale plaats voor leven. In feite ligt (volgens de meeste studies) de aarde dicht tegen de binnenrand van de ‘goudlokjeszone’, de radius waarbinnen water-gebaseerd leven zoals we dat kennen kan bestaan[1]. De aarde is op dit moment gemiddeld zo’n vijftien graden aan de oppervlakte. Veel lagere temperaturen zouden de aarde in een ijsbal veranderen, maar de geothermische warmte zou eenvoudige levensvormen in de diepzee, zoals chemotrofe (van chemicaliën levende) bacteriën en kokerwormen, in leven houden. Aan de andere kant is er minder speling. Dit komt omdat waterdamp een broeikasgas is. Bij hogere temperaturen begint de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer sterk te stijgen, waardoor het effect zichzelf versterkt. Op een gegeven moment kookt de aarde droog en lopen de temperaturen tijdelijk op tot boven de 1100 graden. Er zijn geen levensvormen bekend die het bij deze temperaturen volhouden, laat staan de mens. Watermoleculen vallen door de hitte uiteen in waterstof en zuurstof, waterstof lekt weg en de aarde verandert uiteindelijk in een tweede Venus.
Een op lange termijn vervelende ontwikkeling is dat de zon steeds heter wordt[2]. Paradoxaal genoeg komt dit omdat de zon steeds minder waterstof, de grondstof voor kernfusie, bevat. Deze wordt langzaam opgebruikt en helium hoopt zich op. Hierdoor trekt de kern van de zon samen, waardoor zich een nieuw evenwicht vormt. In de kern neemt door de hogere dichtheid de fusiesnelheid toe, waardoor de zon meer energie gaat produceren. Wij merken dat door een fellere zon. En door het verschuiven van de bewoonbare schil naar buiten. Over naar schatting iets minder dan een miljard jaar, valt de aarde buiten de bewoonbare schil en zullen waarschijnlijk de gebeurtenissen zoals hier geschetst, plaatsvinden.
Hoe kunnen we de aarde redden?
De eenvoudigste oplossing is het aanbrengen van een barrière tegen de straling, zoals bijvoorbeeld spiegels of zonnepanelen. Deze energie moet vanzelfsprekend dan naar elders in het zonnestelsel af worden gevoerd. Een ambitieuzer plan is de aarde in een baan die verder van de zon af ligt, te brengen. Dit kan met behulp van gravity flyby’s. Hierbij zou een zware asteroïde energie kunnen aftappen van Jupiter en deze overdragen op de aarde. Jupiter zou zo dichter bij de zon komen te staan, waar de aarde verder van de zon af komt te staan.. Als dit miljoenen malen wordt herhaald, zou het effect voldoende groot zijn om de aarde bewoonbaar te houden.
Er zijn ook andere oplossingen. Denk bijvoorbeeld aan starlifting, een ‘afslankkuur’ voor de zon waardoor deze langer mee gaat.
In de verre toekomst, rond de 2 miljard jaar na nu, zal de convectie in de aardkern tot stilstand komen en het aardmagnetisch veld verdwijnen. Met de aarde zal dan gebeuren wat eerder met Mars gebeurde: een genadeloos bombardement van zonnewind zal de atmosfeer langzaam maar zeker uitputten en de aarde uitdrogen. Kan een kunstmatig magnetisch veld de aarde redden? Hoe sterk zou dit moeten zijn?
Hoe ontstaan magnetische velden?
Magnetisme bestaat alleen omdat de speciale relativiteit bestaat. Sterker nog: de speciale relativiteitstheorie is rechtstreeks af te leiden uit de vier fundamentele vergelijkingen van Maxwell die alle elektromagnetisme beschrijven. Een elektrische lading die beweegt, wekt een magnetisch veld op. Ook bestaan er elementaire magneetjes in de vorm van ijzeratomen of microstructuren, zoals in keramische magneten van neodymium en samarium. Deze wekken ook een magnetisch veld op: de reden waarom permanente magneten bestaan.
Op deze schaal zijn permanente magneten niet praktisch. We richten ons daarom op elektromagneten.
Hoe sterk is het aardmagnetisch veld?
Het aardmagnetisch veld heeft op de aardoppervlakte een sterkte van 25 tot 65 microtesla’s. Dit is op het eerste gezicht niet erg sterk: het veld van een sterke neodymiummagneet is tienduizenden malen sterker. Echter: dit veld omvat de gehele aarde. Om de zonnewind af te weren, moet een veld worden geconstrueerd dat minimaal dezelfde grootte en sterkte heeft.
Hoe vervangen we dit aardmagnetisch veld?
De eenvoudigste oplossing is een elektrisch supergeleidende spoel die om de aarde zweeft. Denk bijvoorbeeld aan een locatie op tienduizend kilometer van de aardkern, dus rond de 3 500 km boven de aardoppervlakte. Dit betekent een totale lengte per winding van rond de 62 800 km. Deze ring is in principe instabiel, dus moet voortdurend worden bijgestuurd en in de juiste baan worden gehouden.
Hier moet vervolgens een sterke stroom doorheen worden gestuurd. Voor een te bereiken veldsterkte van 50 microtesla en tienduizend windingen is dan in principe een stroom van 50 000 ampère toereikend om dit veld op te wekken. Japanse wetenschappers zijn er in 2014 in geslaagd om 100 000 ampère op te wekken en door een supergeleidend circuit te laten vloeien.
In theorie is deze oplossing dus zeker mogelijk. Echter: de bouw van 620 miljoen kilometer supergeleidende kabel die nooit mag haperen, zal zeer veel grondstoffen vergen. Wellicht is het dan slimmer om ionkanalen te openen – in de ruimte heerst vacuüm – die door richtringen worden gestuurd. Zeg maar een soort deeltjesversneller rond de aarde.
Oplossing voor Mars en Venus?
Deze techniek kan nu al worden gebruikt om een toekomstig geterraformeerd Mars te beschermen tegen de zonnewind. Omdat Mars veel kleiner is dan de aarde en de flux van de zonnewind maar de helft is, zou dit systeem kleiner kunnen.
Voor Venus zal een twee keer zo sterke veldsterkte, en hiermee stroomsterkte, nodig zijn om hetzelfde effect te bereiken.
Venus zal grondiger aangepakt moeten worden: zo moet de planeet weer in rotatie worden gebracht en verlost van de verstikkende deken koolstofdioxide. De hoeveelheden energie die hier voor nodig zijn, vereisen een Kardashev-II beschaving en liggen nog ver buiten ons bereik.
Pak je zuurstofmasker en zorg voor een goede bescherming tegen UV-straling. Zuurstof en dus een ozonlaag, is er namelijk vier miljard jaar geleden op Aarde nog niet. Wil je levende organismen zien? Vergeet dan de microscoop niet…
Ondertussen was Mars, nu een koude woestenij, 4,3 miljard jaar geleden veel gastvrijer dan nu. De ondiepe oceanen waren nog niet weggeërodeerd door de zonnestraling. Erg warm was het nooit op Mars, maar met een gemiddelde temperatuur van 5 graden boven nul leefbaar. Nu zijn temperaturen onder de -120 graden geen uitzondering op de planeet.
Onze andere buurplaneet, Venus, is op dit moment de meest dodelijke plek in het zonnestelsel. De Venera 13, een door de Sovjets ontworpen zeer solide ruimtevaartuig, hield het niet langer dan twee uur uit op de oppervlakte met een luchtdruk van 90 maal de aardse en een verschroeiende 450 graden Celsius.
De aarde wordt erger dan Venus in de toekomst. Is er nog redding?
De aarde is een planeet met uitgestrekte oceanen. Onze buurplaneet Venus heeft ook een soort oceaan – een kooldioxide-atmosfeer die met bijna honderd maal de aardse luchtdruk aan de oppervlakte zo dicht is dat je er doorheen moet waden. Er is ook sneeuw op de toppen van de Venusiaanse bergen. Metaalsneeuw. Geen wonder, want de temperaturen op Venus liggen tussen de vier- en vijfhonderd graden Celsius. Kortom: geen plek waar je je vakantie wilt doorbrengen. Hier de video.
De zon wordt elke miljard jaar zo’n tien procent heter. De oceanen zullen verdampen. Kooldioxide hoopt zich op. Over een miljard jaar zal de aarde een grotere hel zijn dan Venus. De reden: ons magnetische veld houdt de waterdamp vast, waardoor dit krachtige broeikasgas, anders dan op Venus, behouden blijft. Volgens sommige schattingen zal de aarde zelfs boven de 2000 graden Celsius heet worden. Bij deze temperaturen zal de aardkorst wegsmelten. Kortom: de aarde wordt erger dan Venus wat dat betreft.
Aarde wordt erger dan Venus – hoe te voorkomen
Op het eerste gezicht lijken onze kansen klein. Deze processen gaan de menselijke schaal ver te boven. De zon is gigantisch groot. Leven wordt dan onmogelijk. Of is de aarde toch nog te redden?
Dat is mogelijk, maar gaat lastig worden, aldus deskundigen. Alleen als we op zeer grote schaal geoengineering toepassen. Of de grootste verhuisoperatie ooit, namelijk door de aarde in een baan verder van de zon te brengen. Het goede nieuws is dat we nog ruim de tijd hebben. Want een miljard jaar is best wel lang. Een miljard jaar geleden was het ingewikkeldste dier een eencellige. Als wij als mensheid een Kardashev-II beschaving weten op te bouwen, hebben we de totale energievoorziening van de zon onder ons beheer. De aarde redden en de zon op een wat lagere stand zetten, door starlifting, zal dan mogelijk zijn.
Hoe zou de wereld er uit zien als op de plaats van waar nu de oceanen liggen, land ligt en we de Amerikaanse, Afrikaanse en Euraziatische Oceanen hadden? De Zweedse kunstenares Sanna Dullaway ontwikkelde deze landkaart.
Zee tempert temperatuurschommelingen. Dat is de reden dat ijskappen veel groter zijn op land, dan in oceanen. Het Noordelijke IJsland zou daarmee veel weg hebben van Antarctica op onze aarde. Groenzee en de Baffinmeren zouden stijf bevroren zijn, vermoedelijk tot op de bodem. Dit geldt ook voor de Antarctische Zee. Het hoeft geen betoog dat het continent Pacifica, dat ongeveer de helft van de aarde beslaat, een blakerende woestijn zou zijn. De kustgebieden zouden comfortabeler zijn.
Het regenachtige Middellandse Schiereiland zou met Noordland en Oostland de kern van de bewoonde wereld vormen. Dit geldt in mindere mate ook voor het Caraïbische Schiereiland en het Hudson Schiereiland. De aarde zou veel droger zijn dan nu, met het oceaanwater opgesloten in enorme ijskappen (waardoor we niet hoeven aan te nemen dat de hoeveelheid water op aarde minder is). Wat denken jullie? Hoe zou de geschiedenis er op deze totaal andere aarde uit hebben gezien?
Het is verstandig om de mensheid te verspreiden over meerdere planeten, willen we niet uitsterven. Tegelijkertijd moeten we Mars niet zien als een opvolgers-wereld voor de aarde, aldus planetologe Lucianne Walkowicz.
Hier heeft ze denk ik ook groot gelijk in. We hebben al een planeet, die in veel opzichten een lot in de loterij is. Zo is onze maan waarschijnlijk de oorzaak dat de aarde niet het lot van Venus heeft ondergaan. De biosfeer van de aarde is heel erg rijk en bevat miljoenen soorten die we nog niet ontdekt hebben. Kortom: onze moederplaneet is een juweel dat we moeten blijven koesteren. Hoeveel planeten we ook met pijn en moeite zullen terraformeren: er is maar één aarde.