Schwefel: Unerkannter Global Player

Höllisch Gelb: Schwefel verleiht den vulkanischen Ablagerungen im Thermalgebiet von Dallol in Äthiopien ihre charakteristische Farbe. (Foto: iStock/GuenterGuni)
Höllisch Gelb: Schwefel verleiht den vulkanischen Ablagerungen im Thermalgebiet von Dallol in Äthiopien ihre charakteristische Farbe. (Foto: iStock/GuenterGuni)

Schwefel hat ein richtig schlechtes Image. Die weiche, hellgelbe Substanz steht seit alters her für Unheil und Vernichtung: Brennender Schwefel soll beim Untergang von Sodom und Gomorrha vom Himmel geregnet sein, und man vermutete Schwefel in der Hölle und im Gestank des Teufels. Tatsächlich gibt es einen Zusammenhang zwischen dem Element mit der Ordnungszahl 16 und der Unterwelt: 90 Prozent des Schwefels auf der Erde befinden sich wahrscheinlich in den tiefsten Gefilden des Planeten, meldete ein Forscherteam um Paul Savage vom Institut de Physique du Globe in Paris im Juli 2015.

Insgesamt etwa acht Trilliarden Tonnen – etwas mehr als ein Tausendstel der gesamten Erdmasse – sind den Geowissenschaftlern zufolge im Erdkern enthalten. Schwefel könnte das lang gesuchte leichte Element sein, das die mittlere Dichte des vor allem aus Eisen bestehenden Kerns so reduziert, dass sie zu den Messungen passt.
An der Erdoberfläche fällt Schwefel vor allem in der Umgebung von Vulkanen auf, doch seine Bedeutung reicht weit über Schlote und heiße Quellen hinaus. Das Element ist in den geochemischen Kreisläufen allgegenwärtig und kommt in allen Lebewesen vor, etwa als Bestandteil von Eiweißen.

Von der Forschung lange übersehen

Erst in den letzten Jahren ist klar geworden, welche enorme Bedeutung der Schwefelkreislauf für die Erde hat. "Dieser Zyklus wurde von der Wissenschaft lange übersehen", sagt Ulrich Wortmann. Der Geowissenschaftler von der kanadischen University of Toronto vermutet, dass sich einige bislang rätselhafte Entwicklungen in der Erdgeschichte durch Schwankungen des Schwefelzyklus erklären lassen – etwa die globale Abkühlung während der letzten 50 Millionen Jahre. Veränderungen des Schwefelhaushalts, nimmt Wortmann an, wirken sich stark auf die Chemie in den Ozeanen und auf die marine Ökologie aus und könnten so langfristige Klimatrends erklären.

Seine Bedeutung verdankt das Element, das im Periodensystem zusammen mit Sauerstoff, Selen und Tellur der Gruppe der Chalkogene ("Kalkbildner") zugeordnet wird, seiner chemischen Vielseitigkeit. Ähnlich wie Kohlenstoff wird auch Schwefel ständig zwischen verschiedenen Reservoirs in den Ozeanen, der Erdkruste und der Biosphäre ausgetauscht, dabei chemisch verändert und neu verwertet. Dreh- und Angelpunkt des Schwefelzyklus ist das Meer. Vor allem die Erosion von schwefelhaltigem Gestein und vulkanische Emissionen beliefern die Ozeane mit Sulfat, einer oxidierten Verbindung mit vier Sauerstoff-Atomen. Es ist das Lebenselixier für bestimmte Mikroben. Durch den Appetit der Einzeller entsteht letztlich das Eisenmineral Pyrit, das im Meeresboden Jahrmillionen stabil bleibt. Die Pyrit-Bildung ist der wichtigste Prozess, der dem Kreislauf Schwefel entzieht.

Erstaunlich wankelmütig

Normalerweise sind Zu- und Abflüsse mehr oder weniger ausgeglichen. „Doch im Unterschied zum Kreislauf des Kohlenstoffs sind sie beim Schwefelkreislauf recht klein im Vergleich zum Reservoir. Deshalb dauert es lange, bis sich etwas verändert", erläutert Ulrich Wortmann. Wegen dieser Schwerfälligkeit galt der Schwefelzyklus bis vor Kurzem als uninteressant. Doch nun wird allmählich klar, dass die Menge des im Meer gelösten Sulfats nicht unveränderlich ist, sondern in geologisch kurzen Zeiträumen erstaunlich stark variieren kann. Wortmann und seine Kollegin Adina Paytan von der University of California in Santa Cruz fanden heraus, dass sich der Sulfat-Gehalt der Ozeane vor etwa 120 Millionen Jahren um die Hälfte verringerte, dann lange Zeit auf einem recht niedrigen Niveau verharrte und vor gut 55 Millionen Jahren in kurzer Zeit plötzlich auf mehr als das Fünffache stieg.

Wahrscheinlich stecken hinter diesen rätselhaften Sprüngen tektonische Ereignisse. Vor 120 Millionen Jahren zerbrach der Kontinent Gondwana – der Südatlantik öffnete sich. In dem entstehenden Becken bildeten sich gewaltige Salzablagerungen, die man heute noch im Meeresboden vor den Kontinentalrändern Westafrikas und Südamerikas findet. Dabei entstand auch Gips (Kalziumsulfat), wodurch große Mengen Sulfat aus dem Kreislauf verschwanden. Vor 55 Millionen Jahren kollidierte Indien dann mit Eurasien. Dieser kontinentale Zusammenstoß hob vermutlich alte Salzlagerstätten in einem Gürtel zwischen Oman und Pakistan aus der Tiefe an die Oberfläche. Dort erodierten sie, sodass der Sulfat-Gehalt im Meer wieder anschwoll.

Die Schwankungen hatten womöglich weitreichende Konsequenzen. Denn der Sulfat-Gehalt des Meeres bestimmt, wie viele Schwefel-Aerosole aus der Gischt in die Atmosphäre gewirbelt werden. Die winzigen Tröpfchen regen die Wolkenbildung an und wirken kühlend aufs Klima. Außerdem hängt es vom Schwefel-Gehalt im Meer ab, ob abgestorbene organische Materie von Mikroben in ihre Bestandteile zerlegt wird oder weitgehend unzersetzt im Sediment begraben wird. Das Sulfat beeinflusst also auch die Ökologie der Meere. Selbst der Sauerstoff-Gehalt der Atmosphäre hängt indirekt von der Menge des im Meer gelösten Schwefels ab.

Das Rätsel der Kalkalgen

Tatsächlich veränderte sich die Erde parallel zu den Sulfat-Schwankungen: Die Temperaturen stiegen auf Rekordwerte, als vor 120 Millionen Jahren der Sulfat-Gehalt plötzlich sank. Über Jahrmillionen herrschte ein extremes Treibhausklima. Gleichzeitig etablierte sich ein spezielles Ökosystem: In den sulfatarmen Meeren breiteten sich Kalkalgen aus, die riesige Kreidebänke hinterließen, wie man sie auf Rügen oder an der englischen Kanalküste findet. Vor 55 Millionen Jahren dagegen, als der Sulfat-Gehalt wieder stieg, begann sich die Erde langfristig abzukühlen. Auch die Ökologie der Ozeane wandelte sich: Nach Ende des Erdmittelalters verdrängten marine Algen ohne festen Panzer die Kalkalgen. "Sulfat wäre eine elegante Erklärung dafür", sagt Wortmann. "Es ist nur eine Hypothese, aber der Zusammenhang ist augenfällig."

Manche Forscher überlegen, die Klimawirkung des Sulfats zu nutzen, um die globale Erwärmung zu stoppen. Dazu müsste man große Mengen Sulfat-Aerosole in der Stratosphäre verteilen – eine Form von "Geoengineering". Doch davon hält Wortmann nichts: "Geoengineering ist eine Büchse der Pandora", sagt er. Da das Sulfat schnell wieder aus der Atmosphäre verschwinden würde, müsste es ständig nachgeliefert werden. Der Mensch würde dabei massiv in einen geochemischen Kreislauf eingreifen, den er noch nicht verstanden hat. Ohnehin gelangt durch Verbrennen von Kohle, Öl und Gas heute doppelt so viel Schwefel in die Umwelt wie in vorindustriellen Zeiten – ein Experiment mit ungewissen Folgen.

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