30. Dez. 2019
Mount Bromo auf Java liegt in einer der Regionen, die bei chemischer Verwitterung das höchste CO2-Bindungspotential haben.

Mount Bromo auf Java liegt in einer der Regionen, die bei chemischer Verwitterung das höchste CO2-Bindungspotential haben.

Das Erdklima ist erstaunlich stabil und während der meisten Zeit ausgesprochen warm. Doch hin und wieder kippt dieser warme Normalzustand in einen wesentlich kühleren, jedoch ebenfalls sehr stabilen Alternativzustand. Während der vergangenen 500 Millionen Jahre war das drei Mal der Fall, und die Menschheit entstand und gedieh genau in einem dieser Eiszeitalter. Was diese Klimaalternativen auslöst, ist letztendlich nicht bekannt, doch es gibt interessante Hypothesen dazu.

Die Menschen sind Kinder der Eiszeit, hat der US-Paläontologe Steven Stanley vor mehr als 20 Jahren geschrieben. Und tatsächlich hat sich unsere Art ausschließlich innerhalb einer Periode der Erdgeschichte entwickelt, die sich durch so moderate Temperaturen auszeichnet, dass sich Polkappen aus mächtigen Gletschern bildeten. Perioden wie das derzeitige Känozoische Eiszeitalter, machen aber nur einen geringen Teil der Erdgeschichte aus. "Wenn man die vergangenen 500 Millionen Jahre zurückblickt, gab es während rund drei Vierteln der Zeit kein eiszeitliches Klima", resümiert Nick Swanson-Hysell, Assistenzprofessor an der Erd- und Planetenwissenschaftlichen Fakultät der University of California at Berkeley.

Die Padar-Insel im indonesischen Komodo-Nationalpark ist vulkanischen Ursprungs.

Die Padar-Insel im indonesischen Komodo-Nationalpark ist vulkanischen Ursprungs.

Bild: Wikimedia Commons/Alibasdaysar (CC BY-SA 4.0)
Paläogeographische Plattenrekonstruktion der vergangenen 500 Millionen Jahre, die die Treiber der CO2-Bindung kennzeichnen.

Paläogeographische Plattenrekonstruktion der vergangenen 500 Millionen Jahre, die die Treiber der CO2-Bindung kennzeichnen.

Bild: MIT/Nick Swanson-Hysell
Die Eiszeitalter (blau) der vergangenen 1000 Millionen Jahre.

Die Eiszeitalter (blau) der vergangenen 1000 Millionen Jahre.

Bild: UCB/Nick Swanson-Hysell
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Die Padar-Insel im indonesischen Komodo-Nationalpark ist vulkanischen Ursprungs.

Bild: Wikimedia Commons/Alibasdaysar

Paläogeographische Plattenrekonstruktion der vergangenen 500 Millionen Jahre, die die Treiber der CO2-Bindung kennzeichnen.

Bild: MIT/Nick Swanson-Hysell

Die Eiszeitalter (blau) der vergangenen 1000 Millionen Jahre.

Bild: UCB/Nick Swanson-Hysell

Die derzeitige Kaltperiode ist je nach Enge der Definition maximal 34 Millionen Jahre alt und wird insgesamt wohl keine 40 Millionen Jahre dauern. Die gletscherfreie Periode unmittelbar zuvor dauerte nahezu zehnmal so lang und umfasste unter anderem das gesamte Erdmittelalter, die Zeit der Dinosaurier. Die globale Mitteltemperatur damals lag spürbar über den derzeitigen Werten, in der Kreide um rund zehn Grad, und das Temperaturgefälle zwischen den Polarregionen und dem Äquator war wesentlich reduziert. "Es sieht ganz so aus, als ob das gewissermaßen der Standardzustand des Erdklimas ist", so Swanson-Hysell.

Was löst eine Eiszeit aus?

Um so interessanter ist die Frage, die eine Arbeitsgruppe beackert, der neben dem Berkeley-Forscher auch Kollegen von der UC Santa Barbara und vom MIT angehören. Sie wollen wissen, warum der äonenlange Warmzustand der Erde plötzlich in einen viel kälteren Zustand kippte, der seinerseits seit vielen Millionen Jahre stabil bleibt. Da es allein in den 500 Millionen Jahren, in denen es vielzelliges Leben gibt, zwei weitere dieser Eiszeiten gegeben hat, kann es sich kaum um einen Zufall handeln, der von außen verursacht wurde.

Zentraler Akteur des Geschehens ist das Treibhausgas, das uns auch bei unseren menschgemachten Klimaveränderungen umtreibt: Kohlendioxid. "Eintrag und Abbau von Kohlendioxid in der Atmosphäre müssen im Gleichgewicht stehen, sonst kommt es entweder zu einem galoppierenden Schneeball- oder zu einem ebenfalls galoppierenden Treibhauseffekt", erklärt Swanson-Hysell. Dass das Erdsystem zu beidem durchaus fähig ist, zeigen etliche Beispiele für diese Extreme – und doch ist, so Swanson-Hysell "das Erdklima eigentümlicherweise seit Milliarden Jahren ziemlich stabil und lebensfreundlich". Möglich macht das ein Regelkreis, der CO2-Ausstoß und -abbau verknüpft und mit etlichen Rückkopplungsmechanismen ausgestattet ist. Hauptquelle für Kohlendioxid sind Vulkanismus und der Gasausstoß an Subduktionszonen und in hydrothermalen Feldern. Hauptabbaumechanismus ist die chemische Verwitterung von Gesteinen, die rund vier Mal so viel CO2 bindet wie die biologische Pumpe aus in die Tiefsee absinkender toter Biomasse.

Verwitterung tropischer Gebirge als Treiber

Das Verhältnis dieser beiden Akteure bestimmte während des allergrößten Teils der Erdgeschichte die grundsätzliche Ausrichtung des Klimas. Aber was genau führt zur eher kühlen oder zur eher warmen Variante? Eine unumstößliche Antwort darauf gibt es noch nicht, wohl aber einige Vermutungen. "Wir haben die Idee getestet, dass Gebirgsketten in den Tropen, die aus Gestein mit besonders hohem CO2-Bindungspotential bestehen, den Ausschlag geben", so Swanson-Hysell. Es ist zum Beispiel Basalt, an den der US-Amerikaner dabei denkt. Das Gestein, etwa aus Vulkanen oder aus ozeanischer Kruste, besitzt besonders viel Calcium und Magnesium, die sich mit den CO2-Molekülen zu unlöslichen Karbonaten verbinden.

Forschungen, unter anderem von Jens Hartmann von der Universität Hamburg, haben gezeigt, dass Basalte rund ein Sechstel der globalen CO2-Bindung übernehmen, obwohl sie nur sechs Prozent des verwitterbaren Gesteins ausmachen. Zusammen mit anderen stark CO2 bindenden Gesteinen schultert Basalt sogar den Löwenanteil der Abbaufunktion. "Hartmann hat Schätzungen veröffentlicht, nach denen rund 70 Prozent der Kohlendioxidbindung sich auf nur zehn Prozent der heutigen Landfläche abspielen", berichtet Swanson-Hysell. Die entsprechende Karte, die der Hamburger und seine Kollegen 2009 veröffentlichten, zeigt, dass die meisten dieser Regionen mit besonders starken Bindungsfähigkeiten in den Tropen, vor allem in Indonesien und Papua-Neuguinea, liegen. Dort wird ein Inselbogen auf eine Kontinentalplatte geschoben und seine hauptsächlich ozeanische Kruste in Höhen von bis zu 3000 Metern aufgetürmt.

Eiszeiten in der Vergangenheit

Swanson-Hysell und seine Kollegen haben jetzt nach Hinweisen auf ähnliche Vorgänge in den Tropen längst vergangener geologischer Epochen gesucht. Das ist nicht ganz einfach, da ja die Plattentektonik die Oberfläche der Erde permanent verändert. "Ich habe also viel Zeit damit verbracht, Kontinente in paläogeographischen Modellen herumzubewegen", so Swanson-Hysell. Doch der Aufwand hat sich gelohnt, denn er und seine Kollegen haben eine starke Korrelation zwischen tropischen Inselbogen-Kontinent-Kollisionen wie in Papua-Neuguinea und einem Eiszeitalter gefunden. Sowohl im Ordovizium als auch an der Grenze von Karbon zu Perm fanden die Forscher ausgedehnte Areale mit solchen Charakteristika und gleichzeitig zeigen die geologischen Archive für diese Zeiten Eiszeitalter an.

Beleg für eine Verbindung beider Phänomene ist das freilich noch nicht, doch daran arbeiten die Wissenschaftler gerade. "Wir haben eine Prozess, von dem wir denken, dass er wichtig ist, und wenn er wichtig, sollte er auch Wirkung entfalten", meint der kalifornische Geowissenschaftler, "aber der Einwand ist berechtigt." Es bleibt abzuwarten, was die Forscher in den kommenden Jahren berichten werden.