Kohlendioxid reguliert seit Hunderten von Millionen Jahren das Erdklima – neue Studie

Vor etwa 370 Millionen Jahren erlebte die Erde allmählich die langlebigste und wahrscheinlich intensivste Eiszeit, die komplexes Leben erlebte: die Eiszeit des Spätpaläozoikums. Auf seinem Höhepunkt breiteten sich riesige kontinentale Eisschichten über weite Teile der Erde aus und der Meeresspiegel sank um mehr als 100 Meter. Insgesamt dauerte diese Eiszeit etwa 100 Millionen Jahre.

Der Übergang in und aus der Eiszeit des Spätpaläozoikums war einer der größten Klimaübergänge in der Erdgeschichte, ein Wendepunkt in der Entwicklung von Leben und Umwelt. Es prägte maßgeblich die beiden Zeitabschnitte, die das Ende des Paläozoikums bildeten.

Erstens führte es im Karbon während der Eiszeit zur Entstehung ikonischer „Kohlenwälder“ voller riesiger Insekten. Es ebnete auch den Weg für den Aufstieg der Reptilien im darauffolgenden Perm.

Ich leite ein internationales Team von Wissenschaftlern, die gerade Forschungsergebnisse veröffentlicht haben, die erstmals belegen, dass Kohlendioxid (CO₂) bei diesem gewaltigen Klimawandel eine zentrale Rolle gespielt hat.

Die spätpaläozoische Eiszeit war lange Zeit ein Klimarätsel. Die Schätzungen des atmosphärischen CO₂ für diesen Zeitraum variieren stark, und verschiedene Rekonstruktionen der wahrscheinlichen Temperatur variieren um bis zu 20 °C.

Das Auftreten von Gletscherablagerungen im Laufe der Zeit wurde oft zur Verfolgung der Eiszeit herangezogen. Dieser Ansatz ist jedoch durch die Unvollständigkeit der geologischen Aufzeichnungen verzerrt und unterliegt nur geringen Zeitvorgaben. Bei dem Versuch, die einzelnen Puzzleteile in Einklang zu bringen, traten Paradoxien auf, wie zum Beispiel das Zusammentreffen von Spitzeneisverhältnissen mit hohen CO₂-Werten.

Eng reguliert durch Kohlenstoff

Unsere neue Studie liefert eine originale CO₂-Aufzeichnung über einen Zeitraum von 80 Millionen Jahren, die das Klima während des Abstiegs in die und des Auftauchens aus der Eiszeit des Spätpaläozoikums verfolgt. Dazu untersuchten wir die versteinerten Schalen uralter muschelähnlicher Lebewesen, die als Brachiopoden bekannt sind. Diese Schalen speichern chemische Fingerabdrücke wie Borisotope, anhand derer wir berechnen können, wie viel CO₂ sich zu Lebzeiten der Brachiopoden in der Atmosphäre befand.

Diese Art der CO₂-Rekonstruktion aus der tiefen geologischen Vergangenheit der Erde ist völlig neu. Entscheidend ist, dass die Rekonstruktion einen konsistenten Zeitplan hat, der es uns ermöglicht, alle Teile des Puzzles zusammenzuführen, um zu zeigen, dass das Klima im späten Paläozoikum stark durch CO₂ reguliert wurde.

Wie sahen das Klima und der CO₂-Ausstoß im Spätpaläozoikum aus? Unsere Rekonstruktion zeigte, dass die Erdatmosphäre während eines Teils dieser Ära einen relativ niedrigen CO₂-Gehalt (etwa 330 Teile pro Million oder ppm) aufwies und vor etwa 298 Millionen Jahren an der Grenze zwischen Karbon und Perm Minimalwerte von etwa 200 ppm erreichte. Der niedrige atmosphärische CO₂-Gehalt in Kombination mit der geringeren Wärmeentwicklung der jüngeren Sonne hätte zu den intensiven „Eishaus“-Bedingungen geführt, bei denen sich die Eisschichten bis in die mittleren Breiten des Planeten erstreckten.

Unsere Rekonstruktion offenbarte auch ein unerwartetes Ende der Eishauszeit. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass die Eiszeit im Spätpaläozoikum allmählich abklingt, unsere Ergebnisse zeigten jedoch, dass sie viel früher endete. Vor etwa 294 Millionen Jahren löste eine großflächige vulkanische Aktivität zumindest auf geologischen Zeitskalen einen rasanten Anstieg des atmosphärischen CO₂ aus, und die Erde wurde wärmer und trockener.

Während die letzten Jahrzehnte große Fortschritte bei der Rekonstruktion von CO₂ aus der jüngeren Vergangenheit der Erde gebracht haben (insbesondere aus den letzten 60 Millionen Jahren, in denen wir Meeresbodensedimente haben), galt die CO₂-Rekonstruktion aus den Gesteinsaufzeichnungen lange Zeit als Herausforderung. Damit verschiebt unsere Studie die Grenzen der geologischen Rekonstruktion des atmosphärischen CO₂ und liefert einen Schlüssel zur Aufklärung seiner Geschichte bis zum Beginn des Fossilienbestands der Erde.

Während erwartet wird, dass CO₂ eine wichtige Rolle spielt, wie sich im Spätpaläozoikum gezeigt hat, ist die genaue Kenntnis vergangener Niveaus und Veränderungen von grundlegender Bedeutung für das Verständnis aller Aspekte des Erdsystems. Um den Einfluss von CO₂ auf das Klima und die Bewohnbarkeit der Erde – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft – vollständig zu verstehen, müssen die verbleibenden Lücken geschlossen und die Aufzeichnungen kontinuierlich verfeinert werden.

Hana Jurikova, Senior Research Fellow, School of Earth and Environmental Sciences, Universität St. Andrews