Cursus Ontstaan en evolutie van de sferen op aarde PDF

Ontstaan en evolutie van het systeem aarde De aarde is een onderdeel van het zonnestelsel. Ze is gevormd samen met de andere planeten. Toch is ze uniek door de aanwezigheid van de atmosfeer en de hydrosfeer. Vanwaar komt het water en de lucht rond de aarde. Hoe komt het dat er een aardkorst is? En h...

Ontstaan en evolutie van het systeem aarde De aarde is een onderdeel van het zonnestelsel. Ze is gevormd samen met de andere planeten. Toch is ze uniek door de aanwezigheid van de atmosfeer en de hydrosfeer. Vanwaar komt het water en de lucht rond de aarde. Hoe komt het dat er een aardkorst is? En hoe is het leven ontstaan op aarde? Het systeem aarde Het systeem aarde heeft vier hoofdrolspelers.: de geosfeer, de atmosfeer, de hydrosfeer en de biosfeer. De hydrosfeer omvat al het water (het water in vaste vorm zoals sneeuw, ijs, permafrost wordt ook aangeduid als cryosfeer). Deze sferen zijn met elkaar verbonden via complexe relaties. Het volledige systeem aarde staat bovendien in relatie tot de zon: de zon levert de noodzakelijke energie voor het hele systeem. De koolstofcyclus komt voor in de vier sferen en is een mooi voorbeeld van hoe sferen met elkaar verbonden zijn. De geosfeer Inleiding De aardkorst is de buitenste laag van de aarde en is het meest bekende deel van het planeetoppervlak. Het is samengesteld uit een verscheidenheid aan gesteenten, mineralen en andere materialen, en is onderworpen aan een breed scala aan geologische processen die zijn evolutie gedurende miljarden jaren hebben bepaald. Het begrijpen van de oorsprong en evolutie van de aardkorst is een fundamenteel onderzoeksgebied in de geologie, omdat het inzicht geeft in de vorming en ontwikkeling van de planeet als geheel. 14 Er wordt aangenomen dat de aardkorst ongeveer 4,6 miljard jaar geleden is gevormd, toen de planeet vorm kreeg uit een wolk van gas en stof die de zonnenevel wordt genoemd. De korst is het product van een reeks geologische processen, waaronder vulkanische activiteit, erosie, verwering en tektonische activiteit. Deze processen hebben bijgedragen aan de vorming van bergen, valleien, oceaanbekkens en andere geologische kenmerken die het oppervlak van de planeet bepalen. De evolutie van de aardkorst is beïnvloed door een verscheidenheid aan factoren, waaronder veranderingen in het klimaat van de planeet, de bewegingen van tektonische platen en de aanwezigheid van leven op de planeet. De studie van de aardkorst is niet alleen belangrijk voor het begrijpen van de geologische geschiedenis van de planeet, maar ook voor het verschaffen van inzicht in de natuurlijke hulpbronnen en milieusystemen die het leven op aarde ondersteunen. Oorsprong van de aardkorst Er wordt aangenomen dat de aardkorst ongeveer 4,6 miljard jaar geleden is gevormd, tijdens de vroege stadia van de vorming van de planeet. De vorming van de korst maakte deel uit van een groter proces van planetaire aangroei, waarbij de aarde in de loop van de tijd werd opgebouwd uit een wolk van gas en stof die de zonnenevel wordt genoemd. Toen de vroege aarde vorm begon te krijgen, differentieerde deze zich in verschillende lagen, waarbij de zwaarste elementen naar de kern zonken en de lichtere elementen naar de oppervlakte stegen. De aardkorst bestaat uit een verscheidenheid aan gesteenten en mineralen, waaronder stollingsgesteenten, sedimentaire en metamorfe gesteenten. Deze rotsen zijn gevormd door een combinatie van vulkanische activiteit, erosie, verwering en andere geologische processen. Een van de belangrijkste oorzaken van de vorming van de aardkorst was vulkanische activiteit, die grote hoeveelheden magma produceerde die afkoelde en stolde om nieuwe rotsen te vormen. In de loop van de tijd werden deze rotsen onderworpen aan aanvullende 15 geologische processen, zoals erosie en metamorfose, die hun eigenschappen veranderden en bijdroegen aan de vorming van nieuwe gesteentetypen. De vorming van de aardkorst was een geleidelijk en voortdurend proces dat zich over miljarden jaren afspeelde. Het werd beïnvloed door een verscheidenheid aan factoren, waaronder de afstand van de planeet tot de zon, de samenstelling van de zonnenevel en de aanwezigheid van andere hemellichamen in het vroege zonnestelsel. De studie van de oorsprong van de aardkorst is een belangrijk onderzoeksgebied in de geologie en heeft implicaties voor een breed scala aan gebieden, waaronder de exploratie van mineralen en het beheer van natuurlijke hulpbronnen. Evolutie van de aardkorst De evolutie van de aardkorst is gevormd door een verscheidenheid aan geologische processen die gedurende miljarden jaren hebben plaatsgevonden. Deze processen hebben een breed scala aan kenmerken opgeleverd, waaronder bergen, valleien, continenten en oceaanbekkens. Een van de belangrijkste drijvende krachten achter de evolutie van de aardkorst is de platentektoniek, die verwijst naar de beweging van de tektonische platen van de aarde over het aardoppervlak. Terwijl de platen bewegen, hebben ze op verschillende manieren interactie met elkaar, waaronder botsing, subductie en verspreiding. Deze interacties hebben bijgedragen aan de vorming van bergketens, vulkanische activiteit en de creatie en vernietiging van oceaanbekkens. Een ander belangrijk proces dat de evolutie van de aardkorst heeft beïnvloed, is erosie en verwering. In de loop van de tijd is het aardoppervlak gevormd door de werking van wind, water en andere natuurlijke krachten, die bergen hebben afgesleten, valleien hebben uitgesleten en hebben bijgedragen aan de vorming van afzettingsgesteenten. De evolutie van de aardkorst is ook beïnvloed door veranderingen in het klimaat op de planeet in de loop van de tijd. De vorming en terugtrekking van gletsjers tijdens de ijstijden hebben 16 bijvoorbeeld bijgedragen aan de vorming van veel landschappen in de wereld, waaronder de Grote Meren en de fjorden van Noorwegen. Ten slotte is de evolutie van de aardkorst gevormd door de aanwezigheid van leven op de planeet. Planten en dieren hebben een sleutelrol gespeeld bij het vormgeven van de landschappen en ecosystemen van de aarde, en hun acties hebben bijgedragen aan de vorming van vele soorten sedimentair gesteente, waaronder kalksteen en steenkool. De atmosfeer Primaire atmosfeer (van 4,5 tot ca. 3,8 miljard jaar geleden) De atmosfeer zoals ze nu is, verschilt sterk van de eerste gaslaag rond de aarde. In een eerste fase bestond de atmosfeer van de aarde louter uit de in het heelal meest voorkomende chemische elementen: waterstof en helium. De redelijke kleine aarde kon – in tegenstelling tot grotere planeten zoals bijvoorbeeld Jupiter – de lichte gassen waterstof en helium niet lang vasthouden, waardoor ze weglekten naar de ruimte. Secundaire atmosfeer (van 3,8 tot ca. 2,5 miljard jaar geleden) De vulkanische activiteit van een nog steeds jonge aarde zorgde voor een tweede, veel densere atmosfeer. Aan het jonge aardoppervlak ontstonden vulkanen, waardoor heet gesmolten gesteente en gassen uit het binnenste van de aarde vrijkwamen. Dit vrijkomen van gassen uit het binnenste van de aarde heet outgassing of ontgassing en is vandaag nog steeds aan de gang. De secundaire atmosfeer bestond o.a. uit waterdamp, een klein beetje stikstofgas en veel koolstofdioxide. Dit laatste in véél grotere hoeveelheden dan nu, met een sterk broeikaseffect tot gevolg. Deze atmosfeer was bijgevolg goed in staat om de energie van de zon vast te houden, waardoor de secundaire atmosfeer heel heet was. In die atmosfeer kwam bovendien nog geen vrije zuurstof voor. Het leven op het land was op dat moment niet mogelijk (de atmosfeer was giftig en heet) 17  Tertiaire atmosfeer (van 2,5 miljard jaar geleden tot nu) Aanvankelijk was er geen vrije zuurstof in de atmosfeer aanwezig, maar door de fotosynthese van eencellige organismen in de oceaan werd koolstofdioxide opgenomen en zuurstof geproduceerd. Die eerste geproduceerde zuurstof (3,5 miljard jaar geleden) werd meteen vastgelegd in gesteenten. Opgelost ijzer in de oceanen reageerde met zuurstof, waardoor er ijzeroxiden ontstonden. Die sloegen neer op de bodem van de oceanen en vormden ijzerhoudende gesteentelagen (banded iron formations). Toen het opgeloste ijzer in de oceanen volledig was opgebruikt, kon de beschikbare zuurstof toenemen in de atmosfeer (2,5 miljard jaar geleden). De daling van het koolstofdioxidegehalte in de atmosfeer had tot gevolg dat de temperatuur op aarde drastisch daalde: de aarde kwam in een wereldomvattende ijstijd terecht. Bijna de hele aarde werd bedekt door een ijslaag: de cryosfeer. Wetenschappers spreken soms van een sneeuwbalaarde. De crysosfeer wordt gezien als een onderdeel van de hydrosfeer. De gemiddelde temperatuur op aarde bedroeg -20°C. De uitgebreide cryosfeer zorgde voor een positieve terugkoppeling in het klimaat. De grote oppervlakten ijs weerkaatsten veel zonlicht, waardoor de aarde nog sterker afkoelde. De huidige atmosfeer Miljoenen jaren lang bouwde zich door fotosynthese van het leven in de oceanen een zuurstofconcentratie op in de aardse atmosfeer. Onder invloed van de uv-stralen van de zon kwam er ook een dunne ozonlaag (2 miljard jaar geleden) tot ontwikkeling. Ozon houdt de schadelijke uv-stralen van de zon tegen. Ongeveer 600 miljoen jaar geleden wad de ozonlaag voldoende dik om het leven op het land te beschermen. Sinsdien kon het leven zich ten volle ontwikkelen. 18  De hydrofeer De hydrosfeer omvat al het water op aarde: oceanen en zeeën, sneeuw en ijs, rivieren, meren en grondwater. De massale aanwezigheid van water op aarde maakt haar als planeet uniek. Daaraan dankt zen gezien vanuit de ruimte, haar blauwe kleur. Waterdamp Al heel vroeg in het bestaan van de aarde was er water aanwezig. Een deel van het water ontstond door vulkanisme: gassen, waaronder waterdamp, ontsnapten uit het vloeibare magma (ontgassing). Bij het afkoelen van de planeet condenseerden die gassen. Er vormden zich wolken en er viel neerslag. Het water verzamelde zich op de laagste plaatsen op het aardopppervlak en vormde zo de oceanen. Wellicht waren er 4,4 miljard jaar geleden al oceanen. Elke druppel in de oceanen is dus miljarden jaren oud. Al het water dat de geosfeer bedekt, vormt de hydrosfeer. Zo’n vier miljard jaar geleden waren de oceanen al voor 90% gevormd: de temperatuur van het oceaanwater lag toen tussen de 50°C en 90 °C. Buitenaards water Een kosmische bombardement op de jonge aarde zorgde voor inslagen van kometen en meteorieten die water bevatten. De oorsprong van het water op aarde is dus ten dele buitenaards. In de vroege oceanen werd koolstofdioxide opgenomen waaronder de koolstofdioxideconcentratie in de atmosfeer geleidelijk begon af te nemen. De samenstelling van de atmosfeer veranderde (tertiaire atmosfeer). 19  De biosfeer Extremofielen wijzen de weg Een beerdiertje is een extremofiel, een organisme dat in extreme omstandigheden kan overleven. Een beerdiertje is amper 0,1 à 1,5 millimeter groot, maar kan de meest barre levensomstandigheden aan. Je treft het overal ter wereld aan: op de toppen van de hoogste bergen en op grote diepte in de oceanen, op de evenaar en op de polen. Het beerdiertje kan in schijndode toestand bijna tien jaar lang overleven. Beerdiertjes vind je ook bij ons in mosrijke omgevingen (als het mos verdroogt, gaan ze in schijndode toestand) of in plassen zoet water. Extremofielen leren ons iets over de eerste bewoners op aarde. De omstandigheden waar in extremofielen nu kunnen leven, lijken immers op de van de vroege aarde. Wetenschappers die speuren naar de eerste bewoners, onderzoeken plekken die gelijkenis vertonen met de vroege aarde. De kraamkamer van het leven Twee biologen, Nick Lane en Bill Martin, ontwikkelden als eersten een theorie over de oorsprong van het leven op de bodem van de oceaan. Volgens de onderzoekers begon het leven in een gebied met heetwaterbronnen, de zogenaamde black smokers (vulkanische schoorstenen die zwarte rook uitspuwen). Vandaag vind je een gelijkaardig gebied midden in de Atlantisch Oceaan. Rond grote zuilvormige structuren borrelt een warme vloeistof op met temperaturen tussen 40°C en 90°C. In de wetenschap wordt dat merkwaardige gebied ‘Lost City’, of de verloren stad genoemd. 20 De zuilen zijn opgebouwd uit microscopische poriën. In die gaatjes ontmoeten moleculen elkaar zodat ze met elkaar kunnen reageren. Zo worden er na een tijd cellen met een membraan gevormd. Op basis van wat wetenschappers daar hebben gevonden, werd een hypothese ontwikkeld voor het ontstaan van het eerste leven in de oceanen. Volgens de huidige stand van de wetenschap begon het leven dus in een mineralenholte waar in biochemische processen vrij spel hadden. 3,8 miljard jaar geleden ontstonden dus de eerste levensvormen in de oceanen. De eerste levensvormen waren eencelligen, prokaryoten (tegenwoordig bacteriën). Ze zweefden rond in het aanwezige water. Eerste organismen die zuurstofgas produceren We spoelen de tijd door naar 3,5 miljard jaar geleden. Er verschenen stromatolieten. Deze vreemde rotsjes werden gevormd door koloniën van eencelligen. Deze eencelligen of bacteriën leven in kolonies waar hun afscheiding een soort gesteente vormt. Het gesteente werden lagen en creëerden op die manier stromatolieten. Als he toevallig eens in Australië bent, ga dan eens naar Shark Bay. Daar kun je ze nog steeds vinden. Deze bacteriën: de blauwalgen of de cyanobacteriën deden aan fotosynthese. Ze zetten met zonlicht koolstof en water om in glucose. En dit proces gaf een handig bijproduct: zuurstof! Dat maakte de evolutie van de moderne levensvormen op aarde mogelijk. 1,5 miljard jaar geleden verschenen de eerste meercelligen. Omdat deze mitochondrië, hadden, konden ze meer energie uit zuurstof halen. Deze meercelligen werden eukaryoten genoemd. 21 22 23  Kennen en kunnen 1. Je kan het ontstaan van de aarde met de ontwikkeling van de atmosfeer, de hydrosfeern de geosfeer en de biosfeer beschrijven. 2. Je kan de ontwikkelingen in de vier sferen chronologisch plaatsen. 3. Je kan de rol van vulkanisme uitleggen bij het ontstaan van de atmosfeer, geosfeer en hydrosfeer. 4. Je kan het ontstaan van de biosfeer in verband brengen met de oceanen. 5. Je kan de onderlingen interacties tussen de vier sferen beschrijven. Bronnen Brouns L., et al., De Geologische tijdschaal, Telescoop 5/6 dubbele finaliteit, Wommelgem, 2023, pg. 115-116. Cox K., et al., Ontstaan van het ecosysteem Aarde, Kosmografie en atmosfeer, Kontich, 2017, pg 32-65. Hombroukx M., et al., Een sfeervolle aarde, Geogenie tso/kso, Wommelgem, 2017, pg. 26-34 Slegers L., Vandenhoute L. en Steegen A., Het ontstaan van het systeem Aarde, Zone 5-6 wetenschappen, Kalmthout, 2023, pg. 26-33. 24