Als je de film snel vooruit zou spoelen, zou je veel actie en veel verandering zien! Je zou zien dat onze planeet in de loop van miljarden jaren opmerkelijke veranderingen heeft ondergaan (figuur 12.3). Enorme bergen hebben zich gevormd, zijn vernietigd en vervangen door nieuwe bergen. De oceanen zijn opengegaan en hebben zich over de aardbol verplaatst. De continenten hebben zich verplaatst, zich van elkaar afgesplitst en zijn tegen elkaar gebotst, tot ze uiteindelijk op hun huidige plaats terechtkwamen. Het leven op aarde is ook enorm veranderd. In het begin was de aarde niet eens in staat om leven te ondersteunen. Er was geen zuurstof in de atmosfeer, en het aardoppervlak was extreem heet. Langzaam, gedurende miljoenen jaren, veranderde de Aarde zodat planten en dieren konden beginnen te groeien. Levende wezens veranderden de Aarde vervolgens nog meer.
Figuur 12.3: De aarde vanuit de ruimte. De aarde ziet er nu heel anders uit dan toen zij meer dan 4 miljard jaar geleden werd gevormd.
We vinden het vaak leuk om onze fantasie te gebruiken om na te denken over hoe de aarde eruit zag toen er dinosaurussen rondliepen (figuur 12.4). Welke beelden komen er bij je op als je aan de dinosauriërs denkt? Stel je nu een tijd op aarde voor die nog voor de dinosauriërs was. Stel je de tijd voor voordat er enig levend wezen op Aarde was. Welke beelden komen er nu bij je op? Hoe denk je dat de Aarde eruit zag toen ze voor het eerst gevormd werd? Deze les helpt je te begrijpen hoe de aarde is ontstaan, hoe de aarde er in haar vroegste jaren uitzag en hoe het leven zich voor het eerst op aarde ontwikkelde.
Figuur 12.4: De aarde en haar dominante levensvormen zijn in de loop van de lange geschiedenis van de aarde veranderd.
Evaluatie van voorkennis
De volgende vragen komen in andere hoofdstukken aan de orde en helpen je bij het doorwerken van deze les. Onderzoek deze voordat je verder gaat.
- Wat zijn chemische elementen?
- Welke omstandigheden hebben planten en dieren nodig om te leven?
- Wat is de atmosfeer en waar is die van gemaakt?
- Hoe beïnvloeden verwering en erosie de aarde?
Vorming van de aarde en ons zonnestelsel
We kunnen de ontstaansgeschiedenis van ons zonnestelsel reconstrueren door te kijken naar gebieden waar nu andere sterren worden gevormd. De stervorming begint wanneer een reusachtige wolk van gas en stof onder zijn eigen zwaartekracht ineenstort. Terwijl de wolk samentrekt, begint hij sneller te draaien en zet zich af in een schijfvormige structuur. We zien deze schijfvormige objecten (proplyds genoemd) in de Orionnevel (figuur 12.13), waar zich nu nieuwe sterren vormen. Het meeste materiaal van de stofschijf vloeit naar het centrum, waar de dichtheid geleidelijk toeneemt totdat de enorme centrale druk kernfusiereacties op gang brengt en de ster wordt geboren.
Echter blijft een relatief klein deel van het schijfmateriaal achter in de vorm van met ijs bedekte stofkorrels. De ijzige mantels van de korrels beginnen aan elkaar te kleven en groeien uiteindelijk uit tot metersgrote rotsblokken die planetesimalen worden genoemd. De planetesimalen botsen op elkaar en smelten samen tot grotere lichamen met een diameter van tientallen kilometers, protoplaneten genaamd. Zodra de protoplaneten een gat in de schijf hebben gedicht, worden ze echte planeten en beginnen hun banen zich te stabiliseren (figuur 12.6).
Figuur 12.6: Een tekening van een babyster die nog steeds wordt omgeven door een protoplanetaire schijf waarin zich planeten vormen.
Het proces van planeetvorming is een rommelig proces. Niet alle planetesimalen worden tot planeten geaccreteerd. Miljoenen planetesimalen blijven over als overgebleven puin en vormen nu de asteroïden en met ijs bedekte kometen in ons zonnestelsel. In de eerste honderd miljoen jaar na de vorming van de zon kwamen botsingen tussen de overgebleven planetesimalen en de planeten veel voor. Op het oppervlak van de maan en Mercurius zien we bewijzen voor zware beschietingen door planetesimalen (figuur 12.7 en figuur 12.8).
Figuur 12.7: Het oppervlak van de maan is getekend door botsingen met brokstukken die meters tot kilometers in doorsnee waren. De meeste planetesimalen zijn aaneengesmolten tot planeten of manen, maar sommige van deze objecten blijven als meteoren, asteroïden en kometen in ons zonnestelsel achter.
Figuur 12.8: Het oppervlak van Mercurius vertoont soortgelijke botsingskraters. De meeste planetesimalen zijn aaneengesmolten tot planeten of manen, maar sommige van deze objecten blijven als meteoren, asteroïden en kometen in ons zonnestelsel achter.
Hetzelfde soort botsingen zou ook op het oppervlak van de Aarde hebben plaatsgevonden, maar erosieve processen hebben alle botsingen uitgewist, behalve de meest recente. Afgebeeld in figuur 12.9 is een meteoorkrater in Arizona.
Figuur 12.9: Meteoorkrater in Arizona werd ongeveer 40.000 jaar geleden gevormd door de inslag van een meteoriet die ongeveer 50 meter in diameter was. Dergelijke botsingen zijn tegenwoordig zeldzaam.
Zo’n 100 miljoen jaar na de vorming van de zon had de zwaartekracht van de planeten en manen in ons zonnestelsel de meeste planetesimalen opgeveegd. Miljoenen van deze objecten bevinden zich echter nog steeds in gravitatiestabiele banen in de hoofdasteroïdengordel van het zonnestelsel, in de Trojaanse asteroïdengordel, of voorbij Neptunus en Pluto in de Kuipergordel. De onderstaande schets toont de locatie van het grootste reservoir van asteroïden in ons huidige zonnestelsel (figuur 12.10).
Figuur 12.10: Deze schets toont het grootste reservoir van asteroïden in ons huidige zonnestelsel.
De aarde is het enige object in ons zonnestelsel waarvan bekend is dat er leven voorkomt (figuur 12.11). Vandaag de dag zijn er meer dan 1 miljoen planten- en diersoorten op aarde bekend.
Figuur 12.11: De aarde is ongeveer 4 1⁄2 miljard jaar geleden gevormd op hetzelfde moment als de andere planeten in ons zonnestelsel.
De materialen die samenkwamen om de aarde te vormen, bestonden uit een aantal verschillende chemische elementen. Elk element heeft een andere dichtheid, gedefinieerd als massa per volume. De dichtheid beschrijft hoe zwaar een voorwerp is in vergelijking met hoeveel ruimte het voorwerp inneemt. Na de vroege vorming van de aarde zonken de dichtere elementen naar het centrum. De lichtere elementen stegen naar de oppervlakte. Je hebt waarschijnlijk wel eens zoiets zien gebeuren als je ooit olie en water in een fles hebt gemengd. Het water heeft een grotere dichtheid dan de olie. Als je beide in een fles doet, even schudt en dan een tijdje laat staan, zakt het water naar de bodem en stijgt de olie boven het water uit.
Heden ten dage bestaat de aarde uit lagen die verschillende dichtheden vertegenwoordigen (figuur 12.12). Het centrum van de aarde wordt de kern genoemd. De kern bestaat uit zeer dichte metaalelementen, die ijzer en nikkel worden genoemd. De buitenste laag van de aarde is de korst. De korst bestaat voornamelijk uit lichte elementen zoals silicium, zuurstof en aluminium. Meer informatie over de verschillende lagen van de aarde wordt gegeven in de les over platentektoniek.
Figuur 12.12: De aarde is opgebouwd uit verschillende lagen die in dichtheid variëren. Het centrum van de aarde is de kern, die de grootste dichtheid heeft. De buitenste laag is de korst, die de minste dichtheid heeft. De middelste lagen vormen de mantel.
Vorming van de Atmosfeer van de Aarde
De vroege Aarde was heel anders dan onze Aarde vandaag. De vroege aarde werd vaak getroffen door inslagen van asteroïden en meteorieten en kende veel vaker vulkaanuitbarstingen. De eerste miljarden jaren was er geen leven op aarde omdat de atmosfeer niet geschikt was voor leven. De eerste atmosfeer op aarde had veel waterdamp maar bijna geen zuurstof. Later kwamen er door regelmatige vulkaanuitbarstingen verschillende gassen in de lucht (figuur 12.13). Deze gassen creëerden een nieuw soort atmosfeer voor de Aarde. De vulkaanuitbarstingen spuwden gassen als stikstof, kooldioxide, waterstof en waterdamp in de atmosfeer, maar geen vrije zuurstof. Zonder zuurstof was er nog maar weinig dat op Aarde kon leven.
Figuur 12.13: Vulkaanuitbarstingen kwamen bijna voortdurend voor op de vroege Aarde. Door de uitbarstingen kwamen waterdamp, kooldioxide en andere gassen in de lucht terecht, waardoor de vroege dampkring van de aarde ontstond.
Geleidelijk veranderden twee processen de dampkring van de aarde in een dampkring die rijker is aan zuurstof, zoals de dampkring die we vandaag kennen. Ten eerste zorgde straling van de zon ervoor dat waterdampmoleculen uit elkaar vielen. Vergeet niet dat een watermolecuul bestaat uit de elementen waterstof en zuurstof, of H2O. Straling van de zon splitste een deel van de watermoleculen in waterstof en zuurstof. De waterstof ontsnapte terug naar de ruimte. De zuurstof verzamelde zich in de atmosfeer. Het tweede proces dat de vroege atmosfeer van de aarde veranderde, was fotosynthese (figuur 12.14). Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden ontwikkelde zich op de vroege aarde een soort organisme dat cyanobacteriën werd genoemd en begon met de fotosynthese. Fotosynthese gebruikt kooldioxide en energie van de zon om suiker en zuurstof te produceren. De cyanobacteriën waren zeer eenvoudige organismen, maar speelden een belangrijke rol bij het veranderen van de vroege atmosfeer van de aarde. Ze deden aan fotosynthese om de materialen te produceren die ze nodig hadden om te groeien. Daarbij gaven ze zuurstof af aan de atmosfeer.
Figuur 12.14: Bacteriën die in staat zijn tot fotosynthese verschenen ongeveer 2,4 miljard jaar geleden voor het eerst op aarde. Fotosynthese maakt gebruik van zonlicht, kooldioxide en water en produceert suiker en zuurstof. Fotosynthese droeg zuurstof bij aan de vroege atmosfeer van de aarde en hielp deze te veranderen van een atmosfeer rijk aan kooldioxide in een atmosfeer rijk aan zuurstof.
Zuurstof in de atmosfeer is om twee belangrijke redenen belangrijk voor het leven. Ten eerste vormt zuurstof de ozonlaag. De ozonlaag bevindt zich in het bovenste deel van de atmosfeer en bestaat uit O3-moleculen – een bepaald type zuurstofmolecuul. Het houdt schadelijke straling van de zon tegen en voorkomt dat deze het aardoppervlak bereikt. Zonder ozonlaag bereikte de intense straling van de zon het oppervlak van de vroege aarde, waardoor leven bijna onmogelijk werd. Ten tweede is zuurstof in de atmosfeer noodzakelijk voor dieren, waaronder mensen, om te kunnen ademen. In de vroege atmosfeer van de aarde zouden geen dieren hebben kunnen ademen. Wel leefden er in die begintijd waarschijnlijk verschillende soorten bacteriën op aarde. Zij zouden anaeroob zijn geweest, wat betekent dat zij geen zuurstof nodig hadden om te leven.
Zeer eenvoudige cellen leefden op aarde gedurende de eerste paar miljard jaar van de geschiedenis van de aarde. Enkele van de oudste fossielen van complexere organismen zijn van ongeveer 2 miljard jaar geleden. Ze zijn gevonden in Australië.
Naast veranderingen in het leven en de atmosfeer hebben er ook andere veranderingen plaatsgevonden sinds de Aarde werd gevormd. Bij vroege vulkaanuitbarstingen op aarde kwamen grote hoeveelheden waterdamp vrij in de atmosfeer. De waterdamp condenseerde langzaam en keerde in de vorm van neerslag terug naar het aardoppervlak. Zo ontstonden de oceanen. Water begon te circuleren op aarde, en gebeurtenissen zoals regenval en stormen begonnen vervolgens het aardoppervlak te veranderen door verwering en erosie. Het hoofdstuk Zoet water op aarde geeft meer details over de kringloop van het water op aarde.
De continenten lagen op heel andere plaatsen dan nu. Wetenschappers weten niet hoe het land op aarde er precies uitzag na de eerste vorming van de planeet. Zij weten wel dat Noord-Amerika en Groenland ongeveer 1,8 miljard jaar geleden één reusachtige landmassa vormden, Laurentia genaamd. Ongeveer 1 miljard jaar geleden lag Antarctica mogelijk dicht bij de evenaar, ook al ligt het nu op de zuidpool van de aarde. Vandaag de dag blijven de continenten van de aarde langzaam over de aarde verschuiven.
Samenvatting van de les
- De aarde is meer dan 4 miljard jaar geleden gevormd, samen met de andere planeten in ons zonnestelsel.
- De vroege aarde had geen ozonlaag en was waarschijnlijk erg heet. De vroege Aarde had ook geen vrije zuurstof.
- Zonder een zuurstofatmosfeer konden maar weinig dingen op de vroege Aarde leven. Anaërobe bacteriën waren waarschijnlijk de eerste levende wezens op Aarde.
- De vroege Aarde had geen oceanen en werd vaak getroffen door meteorieten en asteroïden. Er waren ook regelmatig vulkaanuitbarstingen. Bij vulkaanuitbarstingen kwam waterdamp vrij die uiteindelijk afkoelde en de oceanen vormde.
- De atmosfeer werd langzaam zuurstofrijker doordat zonnestraling watermoleculen splitste en cyanobacteriën begonnen met het proces van fotosynthese. Uiteindelijk werd de atmosfeer zoals hij nu is en rijk aan zuurstof.
- De eerste complexe organismen op aarde ontwikkelden zich ongeveer 2 miljard jaar geleden.
Herzieningsvragen
- Beschrijf hoe de verschillende lagen van de aarde verschillen in dichtheid. Wanneer scheidden de materialen waaruit de Aarde is opgebouwd zich naar dichtheid?
- Leg twee redenen uit waarom het hebben van een zuurstofrijke atmosfeer belangrijk is voor het leven op Aarde.
- Wetenschappers denken dat de ozonlaag van de Aarde krimpt door menselijke activiteiten en luchtvervuiling. Welke invloed kan dit hebben op de levensvormen op aarde?
- Beschrijf de rol van cyanobacteriën bij het veranderen van de vroege atmosfeer van de aarde.
- Lijst drie manieren waarop de aarde nu anders was dan toen zij werd gevormd.
- Stel dat de aarde veel koeler was geweest toen zij werd gevormd. Hoe zou het inwendige van de Aarde dan anders zijn dan nu?
Woordenschat
atmosfeer Het mengsel van gassen dat de Aarde omgeeft en de lucht bevat die wij inademen. gecondenseerd Afgekoeld en veranderd van waterdamp in vloeibaar water. dichtheid Dichtheid betekent massa per oppervlakte-eenheid. moleculen De kleinst mogelijke hoeveelheden van een chemische stof. straling Energie die door de Zon wordt afgegeven. soort Een groep levende wezens met vergelijkbare kenmerken. water Damp water in gasvorm.
Punten om over na te denken
- Hoe ontwikkelde het leven op aarde zich van eenvoudige bacteriën tot meer complexe organismen?
- Wanneer verschenen complexe organismen zoals vissen, reptielen en zoogdieren op aarde?
- Wanneer ontstonden de belangrijkste kenmerken van de aarde die we nu kennen?