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Erde+Klima

CO2-Treibhauseffekt erwärmte die junge Erde

Erdatmosphäre
Hohe CO2-Werte heizten die Atmosphäre der jungen Erde auf. (Bild: studio23/ iStock)

Vor drei bis vier Milliarden Jahren strahlte die Sonne nur mit 70 bis 80 Prozent ihrer heutigen Intensität. Dennoch herrschten auf der jungen Erde damals hohe Temperaturen, was Forscher daraus schließen, dass es kaum Gletschereis gab. Der Grund dafür war offenbar ein starker Treibhauseffekt. Eine neue Studie zeigt nun, dass das dafür verantwortliche Treibhausgas wahrscheinlich Kohlendioxid war. Ein hoher CO2-Gehalt der Atmosphäre erklärt im Modell zum einen die hohen Temperaturen auf der jungen Erde. Zum anderen wirft er auch ein neues Licht auf Berechnungen zur Temperatur der urzeitlichen Ozeane.

Wie konnte es auf der jungen Erde flüssiges Wasser geben, wenn die Sonne damals bis zu 30 Prozent schwächer strahlte als heute? Dieses sogenannte Paradoxon der jungen schwachen Sonne beschäftigt Wissenschaftler seit Jahrzehnten. Schon früher wurden Treibhausgase als Erklärung vorgeschlagen, doch bisherige Modellrechnungen blieben widersprüchlich. Eine ungeklärte Frage betraf zum Beispiel die Temperatur der Ozeane. Berechnungen der damaligen Wassertemperatur beruhen auf dem Verhältnis verschiedener Sauerstoffisotope in sehr altem Kalk- und Kieselgestein. Das schwere Sauerstoff-18-Isotop deutet auf höhere Wassertemperaturen hin als das leichtere Sauerstoff-16-Isotop. Klassischen Berechnungen zufolge müssten die Ozeane vor drei bis vier Milliarden Jahren demnach rund 70 Grad Celsius warm gewesen sein.

Neues Modell zum Klima der jungen Erde

Ein Team um Daniel Herwartz von der Universität zu Köln kommt nun anhand eines neuen Modells zu anderen Ergebnissen. Demnach wäre es plausibel, dass sich die Isotopenzusammensetzung des Meerwassers so verändert hat, dass bisherige Berechnungen, die darauf basieren, verfälscht sind. Eine solche Veränderung galt bislang als unwahrscheinlich. Wenn die damalige Atmosphäre aber extrem viel CO2 enthielt, das nach und nach in Form von Kalk auf der Erde gespeichert wurde, wäre bei diesem Prozess insbesondere das schwere Sauerstoff-18-Isotop mit ins Gestein gebunden worden, so die Autoren.

„Hohe CO2-Gehalte würden somit gleichzeitig zwei Phänomene erklären: zum einen das warme Klima auf der Erde und zum anderen, warum die oft herangezogenen Geothermometer scheinbar heißes Meerwasser anzeigen. Berücksichtigt man das andere Sauerstoff-Verhältnis des Meerwassers, ergibt sich eher eine Temperatur von 40°C“, erläutert Herwartz. Die hohen Temperaturen auf der Erde seien zwar theoretisch auch durch andere Treibhausgase wie Methan zu erklären. Diese hätten allerdings keinen Einfluss auf die Sauerstoffisotope im Meerwasser gehabt. Ein Treibhauseffekt durch andere Gase würde also nicht erklären, warum das Sauerstoff-Geothermometer zu hohe Temperaturen liefert. „Beide Phänomene lassen sich also nur mit sehr viel CO2 erklären“, so Herwartz.

Extrem viel CO2 in der Atmosphäre

Anhand ihres Modells haben die Autoren auch die Gesamtmenge an CO2 in der damaligen Atmosphäre abgeschätzt. Demnach betrug der CO2-Gasdruck in der Atmosphäre der jungen Erde ungefähr ein bar – so viel, als bestünde unsere gesamte heutige Atmosphäre aus CO2. „Heute ist CO2 nur ein Spurengas in der Atmosphäre. Verglichen damit klingt ein bar CO2 nach absurd viel. Wenn wir aber unseren Schwesterplanet Venus mit etwa 90 bar CO2 anschauen, relativiert sich das“, erklärt Co-Autor Andreas Pack von der Universität Göttingen.

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Im weiteren Verlauf der Erdgeschichte sank der CO2-Gehalt der Atmosphäre und der Ozeane nach und nach. Eine wichtige Rolle spielte dabei die aufkommende Plattentektonik. Große Speicher für CO2 waren nämlich vor allem an Land möglich – beispielsweise in Form von Kohle, Öl, Gas, Schwarzschiefer und Kalkstein. Die junge Erde war jedoch größtenteils von Ozeanen bedeckt, sodass auch die Speicherkapazität für Kohlenstoff begrenzt war. „Dies erklärt auch den aus heutiger Sicht enormen CO2-Gehalt der jungen Erde“, sagt Co-Autor Thorsten Nagel von der Universität Aarhus in Dänemark. „Denn vor grob drei Milliarden Jahren haben die Plattentektonik und die Entwicklung von Landmassen, in denen Kohlenstoff über lange Zeit gespeichert werden konnte, gerade erst an Fahrt aufgenommen.“

Plattentektonik verringerte CO2-Gehalt

Die Plattentektonik sorgte in der Folge dafür, dass große Landmassen mit Gebirgen entstanden. Bei der Verwitterung der Gesteine wurde CO2 in Kalkstein umgewandelt und so dauerhaft gebunden. Wenn sich Platten übereinander schoben, wurde zudem gebundenes CO2 tief in den Erdmantel befördert. Durch solche Prozesse ging der CO2-Gehalt der Atmosphäre stark zurück, der Treibhauseffekt wurde geringer. Zum Teil wurde dies dadurch ausgeglichen, dass die Strahlkraft der Sonne zeitgleich zunahm. Dennoch wurde es auf der Erde deutlich kälter und es traten vermehrt Eiszeiten auf. Gerade diese Abkühlung hatten Wissenschaftler früher als Argument gegen die These vom hohen CO2-Gehalt der damaligen Atmosphäre gesehen. Denn wäre der CO2-Gehalt nur langsam gefallen, hätte es auf der Erde deutlich länger warm bleiben müssen.

Im neuen Modell jedoch fügen sich die vorhandenen Daten zu einem konsistenten Bild, bei dem das CO2 zunächst hohe Temperaturen auf der Erde ermöglichte und dann mit Aufkommen der Plattentektonik deutlich abfiel. „Schon frühere Studien hatten darauf hingewiesen, dass die Kalkgehalte in alten Basalten auf einen starken Abfall im atmosphärischen CO2-Gehalt hindeuten. Das passt gut mit einem Anstieg in den Sauerstoff-Isotopen zur selben Zeit zusammen“, sagt Herwartz. „Alles deutet darauf hin, dass der CO2-Gehalt der Atmosphäre nach dem Beginn der Plattentektonik schnell zurückgegangen ist“ – wobei „schnell“ in diesem Zusammenhang einige hundert Millionen Jahre meint.

Quelle: Daniel Herwartz (Universität zu Köln) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2023617118

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