Wolken, kristallen, klimaat en het ontstaan van leven

Gebroken oppervlakken van kristallen zijn plaatsen waar chemische reacties optreden. Kristaloppervlakken zijn niet enkel katalysatoren bij de vorming van wolken of het ontstaan van leven, maar tegenwoordig ook bij nieuwe inzichten om de klimaatcrisis aan te pakken.

Door Kathelijne Bonne. Steun GondwanaTalks via een eenmalige of terugkerende donatie. 

Een bijzondere flard kennis is dat regendruppels niet zomaar uit het niets ontstaan. Elke individuele druppel heeft een 'kiem' nodig, een stofje waarrond waterdamp zich concentreert en een waterdruppel of ijskristal vormt. Die kennisflard heeft immense gevolgen want uit die druppels ontstaan wolken. 

De witte wolkenmassa's die van onze planeet een gemarmerde blauwe bol maken, weerkaatsen zonlicht. Hoe meer zonnestraling terugkaatst naar de ruimte, hoe minder de planeet opwarmt. Op die manier zijn wolken deel van het natuurlijke klimaatregelingssysteem dat al vier miljard jaar ononderbroken leven toelaat op onze planeet, door het aardoppervlak te beschermen en te isoleren.

De atmosfeer wemelt van de stofdeeltjes die we samen met zuurstof en stikstof in- en uitademen. Het fijnstof zweeft rond in aerosolen en heel onze leefomgeving is ervan doordrongen. Een deel van dat stof kan optreden als condensatiekern (condensation nuclei in het Engels). Als de temperatuur van vochtige lucht onder het dauwpunt zakt, zullen losse watermoleculen samenklonteren en accumuleren op die stofdeeltjes. Zo ontstaan waterdruppels en uiteindelijk wolken en regen.

Er is van nature heel veel stof dat als kiem kan fungeren voor wolken, maar ook de mens doet stof opwaaien in vele betekenissen, vooral in die van vervuiling zoals bij rook en roetdeeltjes – en door bodemerosie te verergeren zoals bij de Dust Bowl. Maar op een gecontroleerde manier stof produceren – in de vorm van aerosolen om de klimaatimpact te beteugelen – is een doel waar wetenschappers al lang mee in de weer zijn. 

De aardopwarming kan deels afgeremd worden door aerosolen de lucht in te spuiten, en op sommige plaatsen heeft dat al een verschil gemaakt, hoewel het nooit een ideale of enige oplossing is. 

Natuurlijke aerosolen

Het stof waaruit natuurlijke aerosolen bestaan is grotendeels sediment dat door erosie van de aardkorst is losgekomen zoals zand, silt en klei, allemaal stukjes van mineralen. Het komt dus uit de bodem, de tussenlaag tussen gesteente, water, leven en lucht. Ook vulkanen leveren een grote bijdrage aan het atmosferisch stofbestand. Soms zoveel dat één vulkaan het klimaat beïnvloedt. Nog meer stof is afkomstig van pollen, zaadjes, virussen, organisch materiaal, ijskristallen en zeezout. Al deze deeltjes worden meegevoerd op wind en hoge luchtstromen, en kunnen jaren- tot eeuwenlang om de aarde cirkelen.

De meest vanzelfsprekende bronnen van stof zijn de woestijnen. Zo zorgt de Sahara voor immense hoeveelheden mineraalstof dat de Atlantische Oceaan overwaait. Het is een ongelooflijk feit dat de op het eerste zicht levenloze Sahara zowel de oceaan als het Amazonewoud (of wat ervan overblijft) bevrucht met natuurlijke meststoffen zoals ijzer. 

Schuimkoppen op zee waar wind en storm door blazen, zijn bronnen van zeespray vol zout en algen. In de Lage Landen en aan kusten worden de wolken grotendeels gevormd op zoutdeeltjes uit de zee, wat leuk is om aan te denken als de hemel nog eens loodgrijs is.

Wat is cloud seeding?

Van al deze windgedragen deeltjes gaat vooral het fijnstof tewerk als condensatiekern, namelijk de deeltjes die kleiner zijn dan 2 micron, de dikte van een schub van een vlindervleugel.

Cloud seeders zijn de 'zaadjes' waarrond zich druppels en dus wolken vormen. (Als vertaler zoek ik graag naar een Nederlandstalige variant maar die lijkt niet te bestaan dus doe ik hier een voorstel: wolkenzaad). Cloud seeders zijn al gebruikt in geo-engineeringsprojecten of klimaatinterventies, welke naam we ook willen geven aan deze vorm van goedbedoelde planetaire ingrepen. Verschillende soorten stof komen in aanmerking, en elke soort stof beïnvloedt de atmosfeer anders.

Voor zeer hoge, ijskoude wolken is zilverjodide en droogijs (onderkoeld CO2) gebruikt, terwijl bij minder hoge wolken zoutkristallen beter werken. De kurkdroge zuidwestelijke VS zou hier al baat bij gehad hebben, er wordt al sinds de jaren zestig onderzoek gedaan naar het stimuleren van sneeuw- en regenval in de Sierra Nevada, om meer smeltwater naar landbouwgebieden te voeren, met gematigd succes. De techniek is zeker geen wondermiddel; en bovendien moeten waterdamp en de juiste soort wolken reeds aanwezig zijn.

Veldspaat als kiem

Een intrigerende recente ontdekking met betrekking tot cloud seeding betreft veldspaat. Dat is een groep mineralen die overal op aarde aanwezig is. Veldspaat is alomtegenwoordig in magmatisch en metamorf gesteente, en via erosie ook in sedimentair gesteente. Maar in tegenstelling tot kwarts, dat vrij inert is, verweert veldspaat snel tot klei, vooral in warme en vochtige klimaten. 

De chemische transformaties die bij verwering plaatsvinden, waarbij atomen en moleculen worden uitgewisseld en nieuwe mineralen, zouten en gassen zoals koolstofdioxide ontstaan, maken van veldspaat een stof die een rol speelt in de evenwichten en kringlopen die het klimaat stabiel houden. 

Zo wordt bij verwering van veldspaat koolstofdioxide uit de atmosfeer gehaald, vastgelegd en tegelijkertijd worden er bodems gevormd. Episodes van grootschalige erosie van bergketens, bijvoorbeeld zoals bij de opheffing van de Himalaya, droegen zelfs bij aan klimaatafkoeling. En nu blijken veldspaatmineralen ook een kandidaat te zijn als 'cloud seeder' om meer wolken te vormen.

Microklien

Een bepaald soort veldspaat, microklien, is een uitzonderlijk goede cloud seeder. Over de vraag waarom juist dit mineraal zo goed werkt, is lang gepeinsd. Een studie uitgevoerd in Wenen in 2023 heeft aan het licht gebracht dat het te maken heeft met hoe de oppervlakte van dat mineraal eruitziet en hoe het zich gedraagd.

Onder een atoomkrachtmicroscoop (die toelaat een stof op atomair niveau te verkennen) ontdekten onderzoekster Giada Franceschi en haar team dat, wanneer veldspaatmoleculen breken, hydroxylgroepen aan de oppervlakte ontstaan. Deze hydroxylgroepen fungeren als 'haakjes' of ankerpunten die elk uit een waterstof- en een zuurstofatoom bestaan (of chemische geschreven: -OH). Deze haakjes zijn polair en hygroscopisch: dat wil zeggen, ze trekken water aan. 'Soort zoekt soort' klopt in dit geval want watermoleculen zijn zelf polair en zoeken graag verbinding met andere polaire deeltjes. Zo is microklien-veldspaat een magneet voor waterdamp en een belangrijke condensatiekern voor wolken.

Microklien vliegt ons al om de oren omdat het een abundant en bekend stofdeeltje is in aerosolen. Weten hoe de verschillende stoffen in aerosolen werken draagt bij als incrementeel kennisflardje aan het grote bouwwerk der kennis (paleontoloog Richard Fortey sprak ook graag over dat bouwwerk) waar we hopelijk uit zullen putten om klimaatknelpunten te ontzenuwen.

Kristallen en leven

Het bestuderen van oppervlaktes van mineralen is allesbehalve futiel. Het heeft in de wetenschap al tot andere verbluffende bevindingen geleid, namelijk diepere inzichten in de oorsprong van het leven toen de Aarde jong was maar wel al tot rust gekomen na de botsing met dwergplaneet Theia. 

Niet alleen microklien maar ook andere mineralen hebben aan hun randen reactieve, gebroken kristaloppervlakken – stel je dat voor als een huis van Lego dat je in twee breekt, er zijn altijd uitsteeksels. De losse uiteindes of haakjes op kristaloppervlakken zoeken interactie met de omgeving. Zo vormen ze reageeroppervlakken. Ze trekken bepaalde stoffen aan en stoten andere af. Bovendien hebben mineraaloppervlakken een geometrisch, zich herhalend patroon.

De eerste bouwstenen van leven – in water – accumuleerden bij mineraaloppervlakken, ze ordenden en lijnden zich netjes op. Daarbij werkten de kristaloppervlakken als katalysator: ze maakten het makkelijker voor moleculen om verbindingen met elkaar aan te gaan en zo langere ketens (polymeren) te vormen. Zonder kristaloppervlakken zou dit misschien bijna onmogelijk zijn geweest. Uit die eerste structuren ontstonden uiteindelijk de allereerste organismen in het Precambrium.

Handigheid van leven

Kristallen zouden ook een fundamentele rol hebben gespeeld in iets dat mij al fascineert sinds ik aan de unief benul kreeg van het vak organische chemie: de 'handigheid' of de homochiraliteit van het leven. (Handigheid heeft in onze taal een andere betekenis maar hier heeft het te maken met de vorm van moleculen die spiegelbeelden van elkaar kunnen zijn. Ze lijken identiek maar zijn het niet).

Homochiraal betekent dat de bouwstenen van het leven – zoals aminozuren en suikers – altijd dezelfde ruimtelijke oriëntatie hebben. Je kunt het vergelijken met je twee handen: links en rechts zijn elkaars spiegelbeeld, maar ze zijn niet hetzelfde. Organische moleculen kunnen ook spiegelbeelden (enantiomeren) hebben, en elk spiegelbeeld heeft een andere functie. 

Het buitengewone is dat het leven uitsluitend de "linkshandige" aminozuren en de "rechtshandige" suikers gebruikt. De spiegelbeelden van deze moleculen worden door het leven zelfs niet herkend, het is er blind voor. Waarom dat zo is gegroeid, is nog een raadsel, maar er bestaan hypotheses over dit fundamentele mysterie van het leven. Kristaloppervlakken hadden er een hand in. 

En dat hebben kristallen ook bij wat in wolken en met het klimaat gebeurt. Cloud-seeding technieken zullen nooit alleen een oplossing zijn, enkel een klein schakeltje. Net zoals we geen leven kunnen maken uit niet-leven, kunnen we nog geen regen maken waar geen vocht is. 

------

Vul aan met het artikel over superuitbarstingen en hoe we die overleven, hoe men opkrabbelde na de Dust Bowl, of ontdek het supercontinent Gondwana en de Sneeuwbalaarde, en ook hoe trilobieten lang geleden de wereld inkeken. 

Kathelijne: Ik ben geboeid door hoe gesteente, bodem, oceaan, lucht en leven op elkaar inwerken op geologische en menselijke tijdschalen.

Waarom ik met GondwanaTalks begon.

Donatie? Heb jij iets aan GondwanaTalks? Jouw steun maakt een ultrapliniaans verschil. Laat wat slijk der aarde mijn richting uitstromen en steun mijn werk. Doe een (terugkerende) gift en word:

Stromboli Strateeg

(2€/maand)

Tambora Trailblazer

(4€/maand)

Vesuvius Visionair (7€/maand)

Doneer jij al? Je bent een schat! Bedankt!

------

Recente artikels:

Vind je dit goed leesvoer? Schrijf je in voor een korte nieuwsbrief bij elk nieuw artikel (stukje tekst met link, om de zoveel weken, zonder zware bestanden of vervelende gifs).