~~ scroll naar beneden voor Nederlands ~~ for Dutch scroll down ~~

Drilling platform of the DeepCHALLA project on Lake Chala in East Africa, with the peaks of Mount Kilimanjaro in the background. Photo: Dirk Verschuren.

The team has found a pre-historic climate tipping point that helps explain the disparity between these model predictions and the intensifying drought conditions in the Horn of Africa. “Chemical fossils can tell us a lot about past climates,” says molecular paleontologist Jaap Sinninghe Damsté. The team used sediments of Lake Chala, located on the Kenya/Tanzania border near Mount Kilimanjaro. “Sediments at the bottom of the lake are layered – lower layers are older than the higher ones. These layers contain tiny fossils of membranes, the skin of microbes. Properties of these skin-molecules suggest what temperature the water was at the time the microbe lived.”

Lake sediment cores

“We studied sediment cores taken from the bottom of the lake dating back to 75,000 years ago,” says lead co-author Allix Baxter (Utrecht University). After five years of preparation, it took the team three months of fieldwork involving over a hundred people to install the drilling barge and recover the sediment cores. “From these sediments we were able to figure out how the lake depth and regional temperature changed through time.” How deep the lake was reflecting changes in moisture balance; the amount of rainfall minus the amount of evaporation.

Climate tipping point

“We found that, during the last ice age between 75,000 and 11,700 years ago, higher temperatures in the Horn of Africa did indeed produce a wetter climate,” second lead co-author Dirk Verschuren (Ghent University) explains. “But around 11,700 years ago, when the region’s temperature naturally rose by a few degrees, we saw a tipping point in which higher temperatures led to increased drought, and lower temperatures meant wetter conditions.” This fundamental change in the relationship between temperature and moisture in the Horn of Africa, has since locked this region into a dry tropical climate regime, which the researchers expect to continue as temperatures keep rising in the future.

“This finding matches with the increasing number and severity of droughts we now see happening in the Horn of Africa,” Baxter illustrates. Quite importantly for this region where most people depend on rain-fed agriculture, the new research suggests that the Horn of Africa is likely to become even drier, not wetter in the future as predicted by most climate models. “Though it’s still debated what the cause is of these recent droughts, our research provides the clue to an underlying mechanism. Our data has revealed certain processes that we hope are better incorporated in the climate models to predict long-term future climate change more accurately in this and other tropical regions.”

 

How do researchers know how deep and warm a lake was thousands of years ago?

The team used organic molecules that make up part of the membrane of microbes living in the lake. These microbes make slightly different molecules to change the properties of their membranes to better survive in warm or cold environments. This means the types of such membrane molecules found in ancient sediments can be used to reconstruct past changes in temperature.

In-depth studies of modern-day Lake Chala showed when and where in the water column these microbes live. Certain microbes live only in the oxygen-rich uppermost water layer, whereas others prefer the oxygen-poor deeper layers. Because this oxygen-poor layer of the lake becomes larger when the lake is deeper and the climate is wetter, the proportion of membrane molecules formed by each group and preserved in the sediments reveals how wet the environment used to be.

 

Meersedimenten suggereren dat de Hoorn van Afrika 11.700 jaar geleden een droogtekantelpunt passeerde

‘Nat wordt natter, droog wordt droger’. Dat mantra wordt al decennia gebruikt om te voorspellen hoe de opwarming van de aarde de hydrologische cyclus beïnvloedt. Klimaatmodellen voorspellen dat een groot deel van tropisch Afrika een toekomst met natter weer tegemoetgaat. Maar waarom wordt het dan steeds droger in bepaalde delen van de Afrikaanse tropen, zoals de Hoorn van Afrika? Een internationaal team van onderzoekers, waaronder Jaap Sinninghe Damsté van het NIOZ en de Universiteit Utrecht, heeft een mogelijke oorzaak gevonden en deze op 10 augustus gepubliceerd in Nature.

Het team heeft een prehistorisch kantelpunt in het klimaat gevonden dat het verschil tussen deze modelvoorspellingen en de toenemende droogte in de Hoorn van Afrika helpt verklaren. "Chemische fossielen kunnen ons veel vertellen over het klimaat van het verleden," zegt moleculair paleontoloog Jaap Sinninghe Damsté. Het team gebruikte sedimenten van Lake Chala, gelegen op de grens tussen Kenia en Tanzania in de buurt van de Kilimanjaro. "Sedimenten op de bodem van het meer zijn gelaagd - de onderste lagen zijn ouder dan de hogere. Deze lagen bevatten heel kleine fossielen van membranen, de huid van microben. Eigenschappen van deze huidmoleculen suggereren welke temperatuur het water had op het moment dat de microbe leefde."

Sedimentboorkernen uit het Chalameer

“We bestudeerden sedimentboorkernen uit het meer, die teruggaan tot 75.000 jaar geleden,” zegt co-hoofdauteur Allix Baxter (Universiteit Utrecht). Na vijf jaar voorbereiding kostte het drie maanden veldwerk, waarbij meer dan honderd mensen betrokken waren, om het boorschip te installeren en de sedimentboorkernen te verzamelen. “Op basis van deze sedimenten konden we achterhalen hoe de diepte van het meer en de regionale temperatuur in de loop van de tijd veranderden.” Hoe diep het meer was, weerspiegelt veranderingen in de vochtbalans; de hoeveelheid regenval minus de hoeveelheid verdamping.

Omslagpunt in het klimaat

“We ontdekten dat tijdens de laatste ijstijd, tussen 75.000 en 11.700 jaar geleden, hogere temperaturen in de Hoorn van Afrika inderdaad voor een natter klimaat zorgden,” legt de tweede co-hoofdauteur Dirk Verschuren (Universiteit Gent) uit. “Maar rond 11.700 jaar geleden, toen de temperatuur in de regio met een paar graden steeg, zagen we een omslagpunt waarbij hogere temperaturen tot meer droogte leidden, en lagere temperaturen tot een natter klimaat.” Deze verandering in de relatie tussen temperatuur en vochtbalans in de Hoorn van Afrika heeft deze regio sindsdien gemaakt tot een droog tropisch klimaatregime. De onderzoekers verwachten dat die droogte zal aanhouden wanneer temperaturen in de toekomst blijven stijgen.

“Deze bevinding komt overeen met de in aantal en ernst toenemende droogtes die we nu zien in de Hoorn van Afrika,” illustreert Baxter. Nog belangrijker voor deze regio, waar de meeste mensen afhankelijk zijn van regen voor landbouw, is dat het nieuwe onderzoek suggereert dat de Hoorn van Afrika in de toekomst waarschijnlijk nog droger zal worden, in plaats van natter zoals voorspeld door de meeste klimaatmodellen. “Hoewel het nog steeds ter discussie staat wat de oorzaak is van deze recente droogtes, geeft ons onderzoek een aanwijzing voor een onderliggend mechanisme. Onze gegevens brachten bepaalde processen aan het licht waarvan we hopen dat ze beter worden opgenomen in de klimaatmodellen om toekomstige klimaatveranderingen op lange termijn in deze en andere tropische gebieden nauwkeuriger te voorspellen.”

 

Hoe kun je aan de hand van sedimentmonsters zien hoe diep een meer vroeger was en hoe warm het was?

Het team gebruikte organische moleculen die deel uitmaken van het membraan van microben die in het meer leven. Deze microben maken net iets andere moleculen om de eigenschappen van hun membraan te veranderen, zodat ze beter kunnen overleven in een warme of koude omgeving. Dit betekent dat de soorten membraanmoleculen die in oude sedimenten zijn gevonden, gebruikt kunnen worden om temperatuurveranderingen in het verleden te reconstrueren.

Eerder onderzoek van het hedendaagse Lake Chala toonde aan wanneer en waar in de waterkolom deze microben leven. Bepaalde microben leven alleen in de zuurstofrijke bovenste waterlaag, terwijl andere een voorkeur hebben voor de zuurstofarme diepere lagen. Omdat deze zuurstofarme laag van het meer groter wordt als het meer dieper is en het klimaat natter, laat de verhouding van membraanmoleculen die door elke groep worden gevormd en in de sedimenten worden bewaard, zien hoe nat het milieu vroeger was.