Ooit was de hele aarde bedekt met ijs. Hoe kon dat? En hoe kon het weer verdwijnen?

Zoom ver uit op Google Earth. Enorme blauwe oceanen, grote stukken groen, bruinig land en zandvlaktes (de wolken zijn weggepoetst). Zo ziet de aarde er nu uit. Maar er zijn sterke aanwijzingen dat de wereld ooit een gigantische, witte ijsbol was. Ieder stukje, of bíjna ieder stukje, was bedekt met een kilometers dikke deken van sneeuw en ijs. Ergens tussen de 2,4 miljard en 635 miljoen jaar geleden. Anders dan bij ‘gewone’ ijstijden, waarbij ongeveer een derde van de planeet bevroor, was de aarde toen van pool tot pool wit. Tientallen miljoenen jaren lang.

Op de evenaar was het gemiddeld net zo koud als op Antarctica nu. Op de polen vroor het mogelijk 150 graden. Enorme ijsvlotten bewogen als continenten richting de evenaar, waar het ijs dunner was dan op de polen. Een krakend koude wind waaide over het bevroren landschap. Het meeste leven – toen nog primitief – stierf.

Sneeuwbal aarde. Zo noemen wetenschappers deze koudst denkbare versie van de aardbol – een fenomeen dat omgeven is met tal van onopgeloste wetenschappelijke raadsels. Maar in Utrecht ligt een belangrijke aanwijzing.

Vanuit de verte torenen gebouwen van de universiteit ver uit boven de weilanden. Binnen in een van die gebouwen – een paar trappen omhoog, door een grijze poort waar je alleen met een pas naar binnen mag, langs landkaarten aan de muur en grote stenen op witte sokkels – staat een witte kast. Daarin ligt een zwarte gereedschapskist. Geoloog Paul Mason opent de gereedschapskist en haalt er een staafvorming, zwart stuk steen uit, ongeveer zo lang als een onderarm.

Dit is ongeveer 2,4 miljard jaar geleden gevormd, zegt Mason, en is bij toeval gevonden in Zuid-Afrika tijdens het delven van mangaan. In het monster zijn kleine grijze vlekken te zien – opgedroogde modder – en doorsneden van grotere hoekige en ronde keien door elkaar.

Dat dit monster „een zooitje” is met verschillende maten, vormen en soorten stenen, is een aanwijzing dat er ooit een gletsjer lag boven de vindplaats, zegt de geoloog. „Terwijl een dikke ijsschots over de grond schuift, maakt de schots modder en schuurt hij stenen rond. Die modder en die ronde stenen blijven aan de onderkant plakken. Hoger in het ijs reizen stenen mee die juist ruw blijven omdat ze nergens tegen aanschuren. Zodra het ijs smelt, valt alles in één keer – door elkaar – naar beneden in de sedimenten.”

Uitbarstingen van supervulkanen

Terug naar sneeuwbal aarde. Wat er gebeurde waardoor de aarde zó drastisch afkoelde, weet niemand. Geologen, klimatologen en biologen hebben wel ideeën: schuivende continenten en uitbarstende supervulkanen. Het zijn manieren waarop er óf minder zonlicht op aarde viel óf CO₂ uit de lucht werd verwijderd (het gas dat normaal als een deken de aarde warm houdt). En nu opperde een groep wetenschappers in het blad Science Advances een andere mogelijke verklaring: een gigantische asteroïde-inslag. Decennialang zoeken wetenschappers al naar sporen van triggers van sneeuwbalperiodes. Alleen, misschien zijn die na honderden miljoenen jaren allang weggevaagd.

Lees ook Vergeleken met de supervulkaan was de zwaarste uitbarsting van dit millennium slechts kinderspel

Duidelijk is wel dat wat maakt dat de aarde nú snel opwarmt en waarbij het ijs op de polen verdwijnt, tóén juist een belangrijke rol speelde in het bevriezen van de wereld.

Wetenschappers hebben steeds meer vragen en discussies over sneeuwbal aarde. Was de aarde helemaal bedekt met ijs? Of was er nog een band met vloeibaar water rondom de evenaar? En speelde de sneeuwbal-aardeperiode zo lang geleden een rol in de ontwikkeling van complex, meercellig leven?

Hoewel raadselachtig en complex, is het merendeel van de paleoklimatologen en geologen ervan overtuigd dat de aarde in ieder geval twee maar misschien zelfs vier keer een sneeuwbal is geweest. En dat is wellicht te bewijzen met dat stuk Zuid-Afrikaans gesteente in Utrecht.

Geologen als Mason lezen veel af aan stenen. Met een analyse aan de isotopen kunnen ze iets zeggen over hoe oud een steen is. De magnetische oriëntatie van de mineralen onthult iets over de plek waar het gevormd werd. „De gletsjer-steen in Utrecht werd gevormd rondom de tropen: een aanwijzing dat gletsjers ooit vlak bij de evenaar waren”, zegt Mason.

Al in de jaren tachtig vonden geologen veel van dit soort stenen op zeeniveau op plekken rondom de evenaar, maar ze geloofden hun eigen resultaten niet. Niemand die zich kon voorstellen dat de benauwde tropen ooit vol ijs lagen.

Een aantal jaar eerder kregen ook natuurkundigen die aan de eerste klimaatmodellen bouwden resultaten die erop wezen dat het (in theorie) mogelijk was dat de aarde helemaal bevriest. Wit ijs reflecteert zonlicht terug de ruimte in dat anders de aarde zou hebben verwarmd. Dus hoe meer ijs, hoe kouder het wordt, en hoe kouder, hoe meer ijs kan groeien. Dat is het zichzelf versterkende ijs-albedo-effect. Tegenwoordig zorgt datzelfde effect, maar dan omgekeerd, ervoor dat de polen snel opwarmen. Door een toename van broeikasgassen in de lucht verdwijnt ijs op de polen. Daarvoor in de plaats komt donkere grond, die juist warmte opneemt, waardoor de polen verder opwarmen en nog meer ijs verdwijnt. De modellen lieten in de jaren zestig al zien dat, zodra ijs door een onbekende oorzaak ver genoeg richting de evenaar groeit, het ijs-albedo-effect op hol slaat, waarbij uiteindelijk heel de aarde bevriest. Een runaway effect.

Voor altijd bevroren

Onmógelijk, dachten die natuurkundigen toen – net als de geologen – over hun eigen resultaten. Want als het zichzelf almaar versterkende ijs albedo-effect ervoor zorgde dat de aarde steeds verder dichtvroor en afkoelde, dan zou de wereld nóóit kunnen ontsnappen aan de kou. De aarde zou voor altijd een sneeuwbal zijn gebleven.

Drie wetenschappers durfden die wetenschappelijke consensus in twijfel te trekken. Onder leiding van de Amerikaanse atmosfeerwetenschapper James Walker opperden ze in 1981 een manier waarop zo’n bevroren aarde langzaam wel degelijk zou kunnen ontdooien. Een combinatie van boven het ijs uitstekende vulkaantoppen die CO₂ in de lucht spuwen én het afremmen van een manier waarop dat CO₂ weer uit de lucht verdwijnt: de verwering van gesteente.

Lees ook De verwering van gesteente verloopt nog langzamer dan tot nog toe gedacht

In de lucht lost CO₂ op in regenwater. Het zure regenwater valt op de grond en lost stenen op. Dat heet verwering. Het CO₂ wordt hierbij omgezet en vastgelegd in kalk (calciumcarbonaat). Verwering heeft dus een verkoelend effect: het haalt CO₂ uit de lucht. „Maar op sneeuwbal aarde kon nauwelijks nog CO₂ uit de lucht worden gehaald”, licht Bas van de Schootbrugge, paleo-oceanograaf aan de Universiteit Utrecht, de ontdekking van de drie wetenschappers telefonisch toe. Hoe kouder de aarde, hoe minder verwering. Tegelijkertijd spuwden vulkanen nog wel CO₂ in de lucht.

Dat CO₂ hoopte zich op in de lucht. Terwijl de deken van broeikasgassen steeds dikker werd, verdween het ijs en het zichzelf versterkende ijs-albedo-effect werkte andersom. De wereld warmde weer op. Sneeuwbal aarde smolt.

Voor de Amerikaanse geoloog Joseph Kirschvink werd het langzaam allemaal logisch. De vreemde geologische vondsten van gletsjerstenen rondom de evenaar, het op hol geslagen ijs-albedo-effect in de klimaatmodellen van natuurkundigen en verwering. De wereld koelde door een onbekende oorzaak af, het ijs-albedo-effect sloeg op hol en uiteindelijk ontsnapte de wereld aan de kou door het uitblijven van verwering: dát kon de raadselachtige vondsten in één klap verklaren. Doordat verwering extreem traag op gang komt, kreeg de wereld veel tijd om op te warmen. Op een sneeuwbalperiode volgde volgens Kirschvink een extreem heet klimaat.

Kirschvink bedacht in 1992 de term ‘sneeuwbal aarde’ en schreef zijn hypothese ook op. Maar het was in een publicatie van slechts zeven alinea’s ergens verstopt in een dik boek.

Het idee werd pas opgepikt toen de Canadese Harvard-geoloog Paul Hoffman eind vorige eeuw in Namibië sterke aanwijzingen vond dat de aarde extreem opwarmde na een sneeuwbalperiode, zoals voorspeld door Kirschvink. Direct op de stenen die door gletsjers zijn afgezet, liggen metersdikke lagen carbonaatgesteente. Daarvan wisten Hoffman en zijn collega’s dat die door scheikundige reacties konden ontstaan door de langzame opbouw van CO₂, vertelt hij via Zoom vanuit Canada.

In eerste instantie vonden zijn collega’s het „genant” dat Hoffman tijd besteedde aan de hypothese van Kirschvink, zegt hij. „Maar terwijl de geologische bewijzen zich bleven opstapelen, namen steeds meer wetenschappers de hypothese aan voor waarheid.”

De grootste vraag die, decennia later, nog onbeantwoord is: hoe kan het dat de wereld veranderde in een gigantische sneeuwbal? Waardoor begon het ijs snel zó hard te groeien dat het ijs-albedo-effect op hol sloeg?

Meer land rondom de tropen

Het antwoord schuilt mogelijk in de ligging van continenten. Nu liggen de continenten relatief dicht bij de polen en een groot deel van het gesteente ligt onder ijs, waardoor relatief weinig CO₂ uit de lucht verdwijnt door verwering. Maar er zijn aanwijzingen dat continenten vroeger veel meer rondom de tropen lagen. Het was warm en veel land lag bloot, waardoor verwering juist veel CO₂ uit de lucht haalde.

Volgens Hoffman is een oude theorie de meest logische verklaring voor een van de sneeuwbalperiodes: een grote vulkaan die zo’n 723 miljoen jaar geleden uitbarstte in Canada – nu in arctisch gebied, maar toen nog dicht bij de evenaar. Door de uitbarsting ontstond veel basalt, een gesteente dat snel verweert.

Sommige geologen denken dat niet een vermindering in het broeikasgas CO₂ de oorzaak van de afkoeling is, maar een vermindering van binnenkomend zonlicht. Bij vulkaanuitbarstingen komen zwaveldeeltjes in de lucht terecht. Die zwaveldeeltjes weerkaatsen zonlicht waardoor het op aarde afkoelt. Dat gebeurde ook toen de Filippijnse vulkaan Pinatubo uitbarstte in 1991. Dat zorgde ervoor dat het zo’n kwart graad kouder werd. Dat zwavel de aarde effectief kan afkoelen, blijkt ook uit de ideeën die ingenieurs hebben om de aarde kunstmatig kouder te maken door zelf vanuit vliegtuigen zwavel in de lucht te spuiten.

. Er is nog een alternatieve verklaring: net als vulkanisme kan de inslag van een grote asteroïde op aarde ook enorme zwavelwolken ontketenen. Een groep onderzoekers berekende vorige maand met een computermodel dat een grote asteroïde, vergelijkbaar met de Chicxulub die 66 miljoen jaar geleden de dinosauriërs deed uitsterven, genoeg zwavel in de lucht zou kunnen brengen om een sneeuwbal aarde te veroorzaken.

„De aarde kent natuurlijke temperatuurschommelingen”, zegt meteorietinslagexpert Christian Koeberl van de universiteit van Wenen via Zoom. Hij is een van de auteurs van de studie. „In een warme wereld was volgens ons model een inslag niet genoeg om een sneeuwbal aarde te maken. In een aarde die al aan de koude kant zat wel.” Maar een krater of andere aanwijzingen voor zo’n inslag vlak voor een sneeuwbal aarde is nog niet gevonden.

Volgens Oxford-natuurkundige Raymond Pierrehumbert zijn de resultaten van de modelstudie niet logisch. „Tien jaar zonlicht reflecteren is veel te kort om de hele oceaan te laten bevriezen.” Maar geoloog Dorian Abbot van de Universiteit van Chicago en auteur van de studie, is een asteroïde-inslag heel effectief. Ons geavanceerde klimaatmodel laat duidelijk zien dat 10 à 15 jaar zonlicht wegkaatsen genoeg is, als de oceaan al koud genoeg was.”

Via Zoom vanuit Yale laat oceanograaf en klimaatmodelleur Alexey Fedorov iets anders zien. Hij speelt een animatie van een klimaatmodel af die toont hoe ijs vanuit de polen helemaal naar de evenaar kroop, tot álles bedekt was. „Het is lastig om een op hol geslagen, zichzelf almaar versterkend ijs-albedo-effect plots te laten stoppen wanneer het ijs al dicht bij de evenaar is.”

Maar daar ontstaat een probleem. Er zijn sterke aanwijzingen dat kleine organismen in zee een sneeuwbalperiode overleefd hebben, terwijl zij zuurstof en zonlicht nodig hebben. Vorig jaar vonden onderzoekers van de China University of Geosciences in Wuhan misschien zelfs concreet bewijs: in de Nantuo-formatie in Zuid-China vonden ze fossielen van algen die mogelijk aan fotosynthese deden tijdens een sneeuwbalperiode. „Dat had nooit gekund als de hele oceaan bedekt was met een dik deksel van ijs”, zegt Van de Schootbrugge.

„Het is lastig om je voor te stellen dat de aarde helemaal dichtgevroren was”, gaat hij verder. „De aarde is heel dynamisch, er is plaattektoniek en water kan uit scheuren in het ijs komen.” Misschien is sneeuwbal wel niet de juiste bewoording, denkt hij, „maar is slushpuppie aarde” een betere term.

Stukken land zonder ijs

Hoffman in Canada denkt dat de oceanen wél helemaal bedekt waren, maar dat juist stukken land ijsvrij waren. „Sterke winden bliezen stof vanaf het land op het ijs. Het donkere stof nam zonlicht op, waardoor ijs boven op de ijsplaat smolt.” Hier ontstonden kleine meertjes waarin leven kon opbloeien, denkt hij, zoals biologen ook zien in meren op Antarctica.

Fascinerend, vindt Hoffman, „dat wij afstammen van leven dat de sneeuwbal aarde heeft overleefd.” Sterker nog, enkele tientallen miljoenen jaren later was er de periode waarin complex leven ontstond: de Cambrische explosie. „Het kan zijn dat de extreme veranderingen in het klimaat leven dwong om zich aan te passen, waardoor meer genetische variatie ontstond”, zegt geoloog Mark van Zuilen van Naturalis. Maar dat is nog allemaal speculatie.

In Utrecht stopt Mason het gesteentemonster weer terug in de zwarte gereedschapskist. Dit soort stenen maakt in ieder geval duidelijk hoe drastisch de aarde kan veranderen.

Kan de aarde nog een keer in een sneeuwbal veranderen? Ja, zegt Hoffman, „vooral omdat de diepe oceaan relatief koud is sinds de afgelopen vijftien miljoen jaar, waardoor het water relatief makkelijk kan bevriezen.” Maar geen van de gesproken experts maakt zich daar echt druk om. Zorgwekkender is juist de opwarming van de aarde door de uitstoot van broeikasgassen.

De aarde lijkt nu eerder een ‘vuurbal’ te worden dan een sneeuwbal.