20. Jun. 2020
Pyritkristalle von vor 2,5 Millionen Jahren zeigen den Zustand der damaligen Atmosphäre an.

Pyritkristalle von vor 2,5 Millionen Jahren zeigen den Zustand der damaligen Atmosphäre an.

Einer der großen Wendepunkte in der Erdgeschichte ist der Auftritt des freien Sauerstoffs in Ozean und Atmosphäre. Er bedeutete für das Ökosystem der damals noch jungen Erde eine drastische Veränderung, die nie wieder rückgängig gemacht werden konnte. Im selben Zeitraum kam es zu einer Reihe von starken Vereisungen und stets war die Frage, welches Phänomen die Ursache und welches die Folge war. Ein Team unter Leitung von Geowissenschaftlern der schottischen Universität St. Andrews hat jetzt in den Abhandlungen der US-Akademie der Wissenschaften wenigstens die Reihenfolge geklärt.

Vor rund 2,4 Milliarden Jahren vollzog die Erde den ersten Schritt zu ihrem heutigen Dasein als sauerstoffreicher Planet. Mit einem Mal trat freier Sauerstoff in Atmosphäre und Ozean auf, wenn auch vorerst in sehr geringen Dosen. Im Deutschen wird das Geschehen als Große Sauerstoffkatastrophe bezeichnet, weil ein erheblicher Teil der damaligen Lebewesen den Sauerstoff nicht vertrug und ausstarb. Im selben Zeitraum erlebte der noch junge Planet die erste einer Reihe von großen Eiszeiten, in denen die Gletscher oft bis zum Äquator vorstießen.

Bohrkerne der jüngeren Sektion.

Bohrkerne der jüngeren Sektion.

Bild: Uni St. Andrews/Matthew Warke
Mehr als 250 Meter Bohrkerne wurden im norwegischen Bohrkernlager in Tromsö geprüft.

Mehr als 250 Meter Bohrkerne wurden im norwegischen Bohrkernlager in Tromsö geprüft.

Bild: Uni St. Andrews/Matthew Warke
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Bohrkerne der jüngeren Sektion.

Bild: Uni St. Andrews/Matthew Warke

Mehr als 250 Meter Bohrkerne wurden im norwegischen Bohrkernlager in Tromsö geprüft.

Bild: Uni St. Andrews/Matthew Warke

"Diese erste Vergletscherung hat man mittlerweile auf 2,42 Milliarden Jahre datiert, aber weil das Alter der Sauerstoffkatastrophe unsicher blieb, konnte man nie wirklich entscheiden, wie die Reihenfolge der Ereignisse war", erklärt Matthew Warke, Geologe an der schottischen Universität St. Andrews. Das führte zu einer Reihe von sich zum Teil fundamental widersprechenden Theorien, über die umso herzhafter gestritten werden konnte, als es eben keine festen Daten gab.

Mit einem Bericht von Warke und Kollegen in den Abhandlungen der US-amerikanischen Akademie der Wissenschaften könnte sich das geändert haben. "Wir können mit Bestimmtheit sagen, dass die Sauerstoffkatastrophe vor der ersten Vergletscherung stattfand", so Warke, "und damit scheint es möglich, dass der Sauerstoffanstieg in der Atmosphäre eine der stärksten Vereisungen auslöste, die die Erde je gesehen hat."

"Starker Hinweis auf Sauerstoffkatastrophe"

Die Forscher hatten sich zwei Bohrkerne von der Kola-Halbinsel in Nordwestrussland angesehen, die das Projekt FAR-DEEP 2007 im Rahmen des Internationalen Kontinentalen Tiefbohrprogramms ICDP erbohrt hatte. Die beiden Bohrkerne wurden auf ein Alter von rund 2,5 und 2,43 Milliarden Jahre datiert. "Im älteren Bohrkern fanden wir keine Hinweise auf Sauerstoff, im jüngeren dagegen schon, das ist ein starker Hinweis darauf, dass in den 70 Millionen Jahren dazwischen die Sauerstoffkatastrophe passierte", so Warke.

Als Indikator dient den Geologen das Verhältnis der unterschiedlichen Schwefel-Isotope zueinander. "Normalerweise ist das Verhältnis vorhersehbar, nur wenn wir es mit einer sauerstofffreien Atmosphäre zu tun hatten, sehen wir Störungen in diesem Verhältnis", erklärt Warke. Grund sind photochemische Reaktionen in der sauerstofflosen Atmosphäre, die die Schwefelisotope verschieden stark binden. Der Zeitrahmen sei älter als frühere Abschätzungen, meint der Geowissenschaftler, aber es stimme mit Daten aus Südafrika, Australien und Nordamerika überein.

Wenn die Daten der Arbeitsgruppe der Prüfung durch ihre Kollegen standhalten, wären zumindest all die Theorien obsolet, die von einer anderen Reihenfolge ausgehen. Weiterhin nicht sicher wäre dagegen der Mechanismus, der aus dem Sauerstoffanstieg in Atmosphäre und Ozean einen Temperatursturz mit anschließenden großflächiger Vergletscherung der Erdoberfläche folgen lässt. "Wir würden sagen, dass der steigende Luftsauerstoff die Methangehalte der Atmosphäre hat abstürzen lassen und damit den Treibhauseffekt so sehr schwächte, dass die Gletscher wachsen konnten", so Warke. Andere Mechanismen seien nicht ausgeschlossen. "Aber wir haben zumindest die Reihenfolge geklärt und damit zur Lösung eines der kniffligsten Henne-und-Ei-Probleme in der Geologie beigetragen", freut sich der Geowissenschaftler.