thumb|325px|Klimaatverandering tijdens de laatste 65 miljoen jaar (tot 1950). Het PETM is te zien als een smalle piek in de grafiek. In deze dataset is de piek waarschijnlijk ongeveer tweemaal zo klein als in het echt vanwege het middelen van gegevens.
Het Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM, Engels voor: temperatuursmaximum op de overgang Paleoceen-Eoceen), ook wel Eocene Thermal Maximum 1 (ETM1) is een grote, snelle en kortstondige wereldwijde klimaatverandering die 55,8 miljoen jaar geleden plaatsvond. De gemiddelde temperatuur op Aarde was tijdens de laatste miljoenen jaren van het Paleoceen gestegen en lag zo al hoger dan nu. Nadat de temperatuur een bepaalde drempelwaarde bereikt had, werden de gashydraten op de zeebodem instabiel, zodat grote hoeveelheden van het broeikasgas methaan in de atmosfeer terechtkwamen. Tijdens de PETM steeg daarom de gemiddelde temperatuur in 20.000 jaar nog eens met ongeveer zes graden.
De PETM wordt in verband gebracht met veranderingen in de atmosferische circulatie, het uitsterven van vele benthische foraminiferen in de diepzee en een belangrijke verandering in populaties zoogdieren op het land, die samen gaat met de opkomst van veel van de huidige ordes binnen de zoogdieren. Als gevolg van de opwarming van de oceanen steeg ook het eustatisch zeeniveau.Kennett & Scott 1991
Omstandigheden Het PETM duurde ongeveer 20.000 jaar, en viel tijdens een ongeveer 6 miljoen jaar lange periode van opwarmingZachos 2008. Deze warme periode zou later in het Eoceen haar hoogtepunt bereiken en wordt het Eocene Climatic Optimum (ECO) genoemd. In de loop van het ECO zou er een aantal keer een snelle, kortstondige opwarming plaatsvinden, het PETM is de belangrijkste van die gebeurtenissen. Een andere klimatologische uitschieter is het Elmo event (EMT2), dat later plaatsvond.
Tijdens het Eoceen verschilde de ligging van de continenten van de huidige situatie. De Landengte van Panama bestond nog niet, zodat er stroming mogelijk was tussen de Atlantische en de Grote Oceaan. In het zuiden was Straat Drake tussen Antarctica en Zuid-Amerika nog niet geopend zodat de Circum-Antarctische zeestroming, die nu zorgt voor het koude klimaat op Antarctica, nog niet bestond. Bovendien lag de concentratie kooldioxide in de atmosfeer veel hoger dan tegenwoordig, zodat het broeikaseffect veel sterker werkte. Er lagen tijdens het Eoceen dan ook geen grote ijskappen op Antarctica.Zachos et al 2008
Tijdens het PETM kwam in korte tijd (1000 jaar) tussen 1500 en 2000 miljard ton koolstof in de oceanen en atmosfeer vrij. Dat is een snelheid die overeenkomt met de huidige snelheid waarmee de mens door verbranding van fossiele brandstoffen koolstofdioxide de atmosfeer in pompt.
Tijdsduur Vrijwel al het bewijs voor de PETM komt uit het onderzoek van boorkernen van sedimentaire lagen van deze ouderdom. Overal ter wereld blijkt in deze kernen een synchrone afwijking in de verhouding tussen isotopen van koolstof gevonden. De δ13C-waarde is in de sedimentlaag die de overgang tussen het Paleoceen en het Eoceen vormt 2 tot 3 ‰ kleiner dan in de lagen er pal boven en onder. In terrestrische sedimenten, dus op het land, is de afwijking nog groter.Norris & Röhl 1999 De afwijking betekent, dat er gedurende korte periode grote hoeveelheden van de koolstof-isotoop 12C in de atmosfeer en oceaan belandden.Panchuk 2008
De tijdsduur van deze δ13C-anomalie is met twee methodes berekend. Ten eerste werd de tijdsduur bepaald door een enkele boorkern (690 van het Ocean Drilling Program) te dateren, waarbij werd aangenomen dat de snelheid van sedimentatie constant was.Röhl et al 2000 De andere methode steunt op de aanname dat de flux van 3He constant was. 3He is een isotoop van helium die over tijdschalen van duizenden jaren genomen met constante flux door de zonnewind wordt aangevoerd. Er zijn geen redenen om te veronderstellen dat er tijdens de PETM grote variaties in de zonnewind voorkwamen.Farley & Eltgroth 2003
Beide methoden hebben hun nadelen, maar de resultaten komen op een aantal punten overeen. Beide methoden laten zien dat er twee stappen waren in de daling van δ13C, die beide ongeveer 1000 jaar duurden. Tussen deze twee stappen zit 20.000 jaar. Het grootste verschil tussen de twee methoden is de tijdsduur van het herstel. De eerste methode geeft 150.000 jaar, de tweede 30.000 jaar. Ander bewijs laat zien dat de δ13C-anomalie ongeveer 3000 jaar na het begin van de opwarming ligt.Sluijs et al 2007
Mogelijke oorzaken en mechanismen
Het is niet zeker wat de PETM veroorzaakte. De temperatuur was aan het einde van het Paleoceen al wereldwijd aan het stijgen, wellicht is toen een bepaalde waarde overschreden. Daardoor werd een mechanisme in gang gezet waarmee de temperatuur opeens snel toenam. De belangrijkste aanwijzing over dit mechanisme komt van de δ13C-afwijking in de atmosfeer en oceanen. Door de samenstelling van koolstofisotopen van verschillende reservoirs te vergelijken kan bepaald worden waar de plotselinge toestroom van lichte koolstofisotopen in de oceanen en atmosfeer vandaan kwam. Daarvoor is de aanname nodig dat in het Paleoceen de reservoirs dezelfde samenstelling van koolstofisotopen vertoonden als nu, dit valt helaas moeilijk te bevestigen.
Na het PETM, later in het Eoceen, vonden vergelijkbare, hoewel kleinere en kortstondige opwarmingen plaats (zoals de Elmo event of ETM2). Het kan zijn dat deze klimaatsveranderingen zich met cyclische periode herhalen vanwege de Milanković-parameters (met name de cycli van 400.000 en 100.000 jaar). Door deze veranderingen in de excentriciteit van de aardbaan verandert de insolatie en dus de temperatuur van het aardoppervlak. Als de temperatuur hierdoor boven een bepaalde waarde komt, kan een mechanisme van positieve terugkoppeling geactiveerd worden.Lourens et al 2005
Bij het modelleren van de opwarming van de oceanen is een goed begrip van de oceanische stroming noodzakelijk. Helaas is over de manier waarop oceaanstromingen veranderen nog weinig bekend. De huidige modellen laten zien dat warmte snel naar de ondiepe delen van het continentaal plat wordt afgevoerd, als het reliëf van de zeebodem gunstig is. De modellen slagen er echter niet in om de plaatselijke verdeling van de opwarming te verklaren die in boorkernen teruggevonden wordt.Bice & Marotzke 2002
Vulkanisme Kooldioxide afkomstig van vulkanisme kan de oorzaak zijn geweest van de δ13C-anomalie, maar dan moet ten minste 1500 miljard ton uit het binnenste van de Aarde in de atmosfeer zijn terechtgekomen tijdens de twee stappen van elk 1000 jaar. Dit is ongeveer 200 keer zo veel als de normale hoeveelheid vulkanisme tijdens het Paleoceen. Er is geen bewijs gevonden voor een plotselinge stijging in vulkanische activiteit, niet alleen voor het Paleoceen, maar voor geen enkel moment in de geschiedenis van de Aarde. Er was echter tijdens het einde van het paleoceen wel verhoogde vulkanische activiteit in het oosten van Groenland, hoewel dit niet de snelle stijging van de δ13C-waarden kan verklaren. Zelfs als het grootste deel van de 1500 miljard ton koolstof in één enkele gebeurtenis vrijkwam, zou verdere positieve terugkoppeling nodig zijn om de isotopenafwijking te verklaren.
Een mogelijkheid is, dat vulkanisme voor het vrijkomen van koolstof uit een ander reservoir zorgde. Als er magma binnendrong in koolstofrijke sedimentlagen, kan deze koolstof door ontgassing van methaan zijn vrijgekomen.Storey et al 2007
Komeetinslag Een andere mogelijkheid is dat een komeet op Aarde insloeg.Kent et al 2003 Zelfs als er uitgegaan wordt van veel positieve terugkoppeling, zou ten minste 100 miljard ton extraterrestrische koolstof uit de komeet vrijgekomen moeten zijn. Bovendien zou er een inslagkrater gevormd moeten zijn. Als bewijs werd een negen meter dikke laag sediment met vreemde magnetische eigenschappen gegeven. Nader onderzoek liet echter zien dat de laag te langzaam gevormd was om het gevolg van een inslag te kunnen zijn. Het magnetisme kwam waarschijnlijk door bacteriële activiteit.Kopp et al 2007 Een ander argument voor een komeetinslag was een iridiumanomalie in Spanje, maar die is veel te klein voor de benodigde inslag.
Verbranding van turf Een verouderde hypothese is dat het verbranden van enorme hoeveelheden veen en turf voor de extra koolstof zorgde. Om de δ13C-afwijking te verklaren zou echter 90% van alle biomassa op Aarde hebben moeten verbranden, wat onwaarschijnlijk is. In feite groeiden er juist meer planten tijdens het PETM vanwege het warmere en nattere klimaat.
Gashydraten Geen van al deze mogelijke oorzaken lijkt op zichzelf een goede verklaring te geven voor de negatieve δ13C-afwijking. Eén of meerdere kunnen er echter voor gezorgd hebben dat de temperatuur een waarde bereikte die hoog genoeg was om een ander mechanisme in gang te zetten: het oplossen van gashydraten. Gashydraten zijn complexen van methaanmoleculen met water. Methaan wordt in de diepzee gevormd door micro-organismen in het sediment op de zeebodem. De watermoleculen vormen door middel van waterstofbruggen een soort kooi om een methaanmolecuul heen, en dit soort gashydraten op de zeebodem zijn een belangrijk reservoir voor koolstof. Als de temperatuur van het water stijgt, neemt de druk waarbij deze complexen stabiel zijn af, en als een bepaalde temperatuur bereikt wordt komt de methaan vrij in de oceaan en stijgt op naar de atmosfeer. Omdat biogene gashydraten een δ13C-waarde van -60‰ hebben (anorganische gashydraten hebben -40‰, nog steeds erg laag) kunnen relatief kleine hoeveelheden al voor grote veranderingen in δ13C zorgen. Omdat methaan een sterk broeikasgas is zorgt het vrijkomen ervan voor opwarming van het klimaat, waardoor het zeewater nog warmer wordt en er nog meer gashydraten oplossen. Het vrijkomen van gashydraten is daarom de meest voor de hand liggende verklaring voor het PETM.
Modellen laten zien dat het ongeveer 2300 jaar duurt voor een temperatuursverhoging van het water in het sediment op de oceaanbodem doordringt.Katz et al 2001 Daarom moet in het geval de gashydraat-hypothese klopt de oceaan eerst iets zijn opgewarmd voor de δ13C-anomalie ontstond. Inderdaad is ontdekt dat de temperatuurstijging begon voor de afwijking in de koolstofisotopen.Thomas et al 2002 De temperatuurstijging komt in sommige kernen ongeveer 3000 jaar voor de afwijking van de koolstofisotopen, maar in andere kernen, vooral die uit de diepere zeeën, is dit verschil geheel niet terug te vinden.Tripati & Elderfield 2005
In de fossielen van planktonische foraminiferen (foraminiferen die aan de oppervlakte leven, in de fotische zone van de oceaan) valt de verandering naar lichtere koolstofisotopen eerder dan in benthische foraminiferen (die in de diepere delen van de oceaan leven). Als gashydraten geleidelijk zouden zijn opgelost zou verwacht worden dat dit andersom was, omdat de methaan dan op grotere diepte zou oxideren. Men verklaart dit door aan te nemen dat de gashydraten in korte tijd vrijkwamen. Als het vrijkomen van het methaan geleidelijk gebeurd was, zouden de benthische foraminiferen eerder een lichtere isotopensamenstelling krijgen. Omdat de planktonische foraminiferen eerder licht worden, betekent dit, dat het methaan zo snel vrijkwam dat onder in de waterkolom alle zuurstof opgebruikt werd voor oxidatie. Een gedeelte van het methaan moet de atmosfeer in ongeoxideerde staat bereikt hebben. Dit betekent dat alle methaan binnen 10.000 jaar moet zijn vrijgekomen.
Gevolgen Klimaat