22. Feb. 2017

Blick auf das grönländische Eisschild im Sommer 2009.

Der Wechsel in der irdischen Atmosphäre von Methan zum Sauerstoff als bestimmendes Gas ist einer der wichtigsten Wendepunkte in der Erdgeschichte. Der Durchbruch gelang vor gut 2,3 Milliarden Jahren, als zum ersten Mal molekularer Sauerstoff in deutlichen Mengen in der Lufthülle auftrat. Doch der Wechsel war offenbar eher eine Zeit heftiger Pendelschläge in Richtung Sauerstoff und wieder zurück zu Methan, wie unter anderem eine Untersuchung in den Abhandlungen der US-Akademie der Wissenschaften jetzt zeigt.

So etwas wie die eine große Oxidierung der Erdatmosphäre hat es wohl nicht gegeben. “Der Sauerstoffgehalt stieg nicht kontinuierlich, sondern es gab ein heftiges Auf- und Ab bevor das Pendel vor 2,25 Milliarden Jahren endgültig zugunsten des Sauerstoffs ausschlug“, sagt Kevin Chamberlain, Geologieprofessor an der Universität von Wyoming in Laramie, der zu dem internationalen Team gehört. Sein Kollege Ulf Söderlund von der schwedischen Universität Lund ergänzt: "Wir konnten zeigen, dass die Oxidierung zusammenfiel mit einer weltweiten Eiszeit und ausgedehntem Vulkanismus, obwohl wir nicht sagen können, wie diese drei Phänomene genau zusammenhängen".

Die Forscher haben eine Schlüsselformation für die Große Sauerstoffkrise datiert. Der südafrikanische Ongeluk-Basalt in der Transvaal-Supergruppe stammt von einem gewaltigen Vulkanausbruchs aus dem Paläoproterozoikum, der in den heutigen Provinzen North-West Province und Limpopo im Nordosten Südafrikas zu finden ist. Er liegt über der Makganyene-Schicht, die aufgrund ihres Aufbaus als Zeichen für eine schwere Eiszeit gesehen wird. Bisher wurde die Formation auf ein Alter von gut 2,2 Milliarden Jahren geschätzt, also eindeutig jünger als die Große Oxidierung.

Das Team hat das Alter des Basalts mit Hilfe der Uran-Blei-Datierung bestimmt und kommt auf 2,426 Milliarden Jahre. Damit kommt der Ongeluk-Basalt auf ungefähr das gleiche Alter wie Vulkangesteinsschichten in der kanadischen Huron-Supergruppe, der anderen Schlüsselformation für das Paläoproterozoikum. Durch die Datierung des Basalts rutscht die Makganyene-Vereisung in dieselbe Zeit wie die berühmte Huron-Eiszeit, die erste Eiszeit der Erde, von der man überdies annimmt, dass sie die längste und auch eine der schwersten war, die der Planet bislang erlebt hat. Außer in Südafrika und Kanada findet man Belege für diese Globalvereisung auch Australien, Wyoming und in Nordosteuropa. In der südafrikanischen Transvaal-Supergruppe finden sich gleichzeitig starke Hinweise auf eine heftige Schwankungen im Sauerstoffgehalt der Atmosphäre. Mehrfach stieg der Wert stark auf Werte an, die dauerhaft erst 1,8 Milliarden Jahre später erreicht wurden, um unmittelbar darauf wieder auf extrem geringe Spiegel zurückzugehen.

Die geologischen Befunde sprechen daher für eine Übergangszeit von mehreren hundert Millionen Jahren, in denen pulsartig immer wieder Sauerstoff in der Atmosphäre etabliert wurde, um später wieder entfernt zu werden. Die Oszillationen hörten erst vor 2,25 Milliarden Jahren auf, als sich Sauerstoff dauerhaft durchsetzte. Geochemiker hatten diese Vorstellung schon immer vertreten, denn sie verfügten über zahlreiche Indizien, dass in der entscheidenden Übergangszeit vor 2,5 bis 2,2 Milliarden Jahren das Pendel mehrfach von sauerstoff- zurück zu methandominiert schwang. Jüngst hatten auch Modellrechnungen schwankende Sauerstoffgehalte ergeben, weil das reaktive Gas immer wieder durch photochemische Reaktionen mit Methan aus der Atmosphäre ausgewaschen wurde.

"Das ist ein weiterer geologischer Beweis, dass die Geschichte des atmosphärischen Sauerstoffs mehr wie eine Achterbahnfahrt als ein kontinuierlicher Aufstieg war", sagt Noah Planavsky, Geochemiker an der Yale Universität. Und auch James Kasting, Experte für frühe Atmosphären an der Pennsylvania State University, hält den Bericht für "sehr plausibel". Wie genau jetzt Vereisungen, großflächige Vulkanausbrüche und die Oszillation des Sauerstoffs in der Atmosphäre zusammenhängen, muss durch weitere Forschung geklärt werden.