Obwohl die Sonneneinstrahlung relativ gering war, war die Temperatur auf der jungen Erde warm. Ein internationales Team von Geowissenschaftlern hat wichtige Hinweise darauf gefunden, dass hohe Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre für diese hohen Temperaturen verantwortlich sind. Kühler wurde es erst mit Beginn der Plattentektonik, als das CO2 nach und nach auf den entstehenden Kontinenten eingefangen und gespeichert wurde.
Sehr hohes atmosphärisches CO2 können die hohen Temperaturen auf der noch jungen Erde vor drei bis vier Milliarden Jahren erklären. Unsere Sonne schien damals nur mit 70 bis 80 Prozent ihrer heutigen Intensität. Trotzdem war das Klima auf der jungen Erde offenbar recht warm, weil es kaum Gletschereis gab. Dieses Phänomen ist als „Paradoxon der jungen schwachen Sonne“ bekannt. Ohne ein wirksames Treibhausgas wäre die junge Erde zu einem Eisklumpen gefroren. Ob CO2, Methan oder ein ganz anderes Treibhausgas den Planeten Erde aufheizt, ist unter Wissenschaftlern umstritten.
Neue Forschungsergebnisse von Dr. Daniel Herwartz von der Universität zu Köln, Professor Dr. Andreas Pack von der Universität Göttingen und Professor Dr. Thorsten Nagel von der Universität Aarhus (Dänemark) deuten nun darauf hin, dass ein hoher CO2 Ebenen sind eine plausible Erklärung. Damit wäre auch ein weiteres geowissenschaftliches Problem gelöst: scheinbar zu hohe Meerestemperaturen. Die Studie ist jetzt im erschienen Proceedings of the National Academy of Sciences.
Eine viel diskutierte Frage in der Geowissenschaft betrifft die Temperaturen der frühen Ozeane. Es gibt Hinweise darauf, dass sie sehr heiß waren. Messungen von Sauerstoffisotopen an sehr alten Kalkstein- oder Kieselgesteinen, die als Geothermometer dienen, weisen auf Meerwassertemperaturen über 70°C hin. Niedrigere Temperaturen wären nur möglich gewesen, wenn das Meerwasser seine Sauerstoffisotopenzusammensetzung verändert hätte. Dies galt jedoch lange Zeit als unwahrscheinlich.
Modelle aus der neuen Studie zeigen, dass ein hoher CO2 -Werte in der Atmosphäre könnten eine Erklärung liefern, da sie auch zu einer Veränderung der Zusammensetzung des Ozeans geführt hätten. „Hoher CO2 Pegel würden damit gleich zwei Phänomene erklären: erstens das warme Klima auf der Erde und zweitens, warum Geothermometer scheinbar heißes Meerwasser anzeigen. Unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Sauerstoffisotopenverhältnisses des Meerwassers würden wir auf Temperaturen näher an 40°C kommen“, sagt Daniel Herwartz von der Universität zu Köln.
Es ist denkbar, dass auch viel Methan in der Atmosphäre war. Aber das hätte keinen Einfluss auf die Zusammensetzung des Ozeans gehabt. Es würde also nicht erklären, warum das Sauerstoff-Geothermometer zu hohe Temperaturen anzeigt. „Beide Phänomene können nur durch hohe CO-Werte erklärt werden2“, fügt Herwartz hinzu. Die Autoren schätzen die Gesamtmenge an CO2 ungefähr einen Balken betragen haben. Das wäre so, als würde die heutige Atmosphäre komplett aus CO bestehen2.
„Heute, CO2 ist nur ein Spurengas in der Atmosphäre. Dagegen klingt ein Takt nach absurd viel. Betrachtet man jedoch unseren Schwesterplaneten Venus mit seinen rund 90 bar CO2 relativiert“, erklärt Andreas Pack von der Universität Göttingen.
Auf der Erde, CO2 wurde schließlich aus der Atmosphäre und dem Ozean entfernt und in Form von Kohle, Öl, Gas und schwarzem Schiefer sowie in Kalkstein gespeichert. Diese Kohlenstoffspeicher befinden sich hauptsächlich auf den Kontinenten. Allerdings war die junge Erde weitgehend von Ozeanen bedeckt und es gab kaum Kontinente, sodass die Speicherkapazität für Kohlenstoff begrenzt war.
„Das erklärt auch den enormen CO2 Ebenen der jungen Erde aus heutiger Sicht. Schließlich nahm vor etwa drei Milliarden Jahren die Plattentektonik und die Entwicklung von Landmassen, in denen Kohlenstoff über lange Zeiträume gespeichert werden konnte, gerade erst Fahrt auf“, erklärt Thorsten Nagel von Universität Aarhus.
Für den Kohlenstoffkreislauf änderte der Beginn der Plattentektonik alles. Große Landmassen mit Bergen sorgten für eine schnellere Silikatverwitterung, die CO umwandelte2 in Kalkstein. Darüber hinaus wurde Kohlenstoff effektiv im Erdmantel eingeschlossen, als ozeanische Platten subduziert wurden. Die Plattentektonik verursachte also das CO2 Inhalt der Atmosphäre stark abfallen. Wiederholte Eiszeiten zeigen, dass es auf der Erde deutlich kälter wurde.
„Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass der Kalkgehalt in alten Basalten auf einen starken Rückgang des atmosphärischen CO hinweist2 Ebenen. Dies passt gut zu einer gleichzeitigen Zunahme der Sauerstoffisotope. Alles deutet darauf hin, dass das atmosphärische CO2 Der Inhalt nahm nach Beginn der Plattentektonik rapide ab“, schloss Daniel Herwartz. „Schnell“ bezieht sich in diesem Zusammenhang jedoch auf mehrere hundert Millionen Jahre.
Referenz: „Ein CO2 Gewächshaus hat die frühe Erde effizient erwärmt und das Meerwasser verringert 18O/16O vor Beginn der Plattentektonik“ von Daniel Herwartz, Andreas Pack und Thorsten J. Nagel, 1. Juni 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073 / pnas.2023617118
