Steine, Regen und Kohlendioxid tragen dazu bei, das Klima der Erde über Tausende von Jahren zu kontrollieren – wie ein Thermostat – durch einen Prozess namens Verwitterung. Eine neue Studie unter der Leitung von Wissenschaftlern der Penn State könnte unser Verständnis darüber verbessern, wie dieses Thermostat auf Temperaturänderungen reagiert.
„Leben gibt es seit Milliarden von Jahren auf diesem Planeten, daher wissen wir, dass die Erdtemperatur konstant genug geblieben ist, um flüssiges Wasser zu haben und Leben zu unterstützen“, sagte Susan Brantley, Professorin an der Evan Pugh University und Barnes Professor of Geosciences an der Penn State. „Die Idee ist, dass die Verwitterung von Silikatgestein dieser Thermostat ist, aber niemand hat sich jemals wirklich auf seine Temperaturempfindlichkeit geeinigt.“
Da viele Faktoren in die Verwitterung einfließen, war es eine Herausforderung, die Ergebnisse von Laborexperimenten allein zu verwenden, um globale Schätzungen darüber zu erstellen, wie die Verwitterung auf Temperaturänderungen reagiert, sagten die Wissenschaftler.
Das Team kombinierte Labormessungen und Bodenanalysen von 45 Bodenstandorten auf der ganzen Welt und vielen Wassereinzugsgebieten, um die Verwitterung der wichtigsten Gesteinsarten auf der Erde besser zu verstehen, und nutzte diese Ergebnisse, um eine globale Schätzung dafür zu erstellen, wie die Verwitterung auf die Temperatur reagiert.
„Wenn Sie Experimente im Labor durchführen oder Proben aus dem Boden oder einem Fluss nehmen, erhalten Sie unterschiedliche Werte“, sagte Brantley. „Also haben wir in dieser Forschung versucht, diese verschiedenen räumlichen Maßstäbe zu betrachten und herauszufinden, wie wir all diese Daten verstehen können, die Geochemiker auf der ganzen Welt über die Verwitterung auf dem Planeten gesammelt haben. Und diese Studie ist ein Modell dafür, wie wir kann das tun.“
Die Verwitterung ist Teil eines Balanceakts von Kohlendioxid in der Erdatmosphäre. Vulkane haben im Laufe der Erdgeschichte große Mengen Kohlendioxid freigesetzt, aber anstatt den Planeten in ein Treibhaus zu verwandeln, wird das Treibhausgas langsam durch Verwitterung entfernt.
Regen entzieht der Atmosphäre Kohlendioxid und erzeugt eine schwache Säure, die auf die Erde fällt und Silikatgestein von der Oberfläche abträgt. Die Nebenprodukte werden von Bächen und Flüssen in den Ozean getragen, wo der Kohlenstoff schließlich in Sedimentgestein eingeschlossen wird, sagten die Wissenschaftler.
„Es wurde lange angenommen, dass das Gleichgewicht zwischen Kohlendioxid, das von Vulkanen in die Atmosphäre gelangt, und dem Herausziehen durch Verwitterung über Millionen von Jahren die Temperatur des Planeten relativ konstant hält“, sagte Brantley. „Der Schlüssel ist, wenn es mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre gibt und der Planet heißer wird, geht die Verwitterung schneller und zieht mehr Kohlendioxid heraus. Und wenn der Planet kühler ist, verlangsamt sich die Verwitterung.“
Vieles ist jedoch noch nicht bekannt darüber, wie empfindlich die Verwitterung auf Temperaturänderungen reagiert, was zum Teil auf die langen räumlichen und zeitlichen Skalen zurückzuführen ist.
„In einem Bodenprofil sehen Sie ein Bild des Bodens, bei dem der Kameraverschluss manchmal eine Million Jahre lang geöffnet war – es gibt integrierte Prozesse, die eine Million Jahre lang ablaufen, und Sie versuchen, dies mit einem zweijährigen Kolbenexperiment zu vergleichen. “, sagte Brantley.
Brantley sagte, das Gebiet der Wissenschaft kritischer Zonen – das Landschaften von der höchsten Vegetation bis zum tiefsten Grundwasser untersucht – habe Wissenschaftlern geholfen, die komplexen Wechselwirkungen besser zu verstehen, die die Verwitterung beeinflussen.
Zum Beispiel müssen Felsen brechen, damit Wasser in Risse eindringen und die Materialien zersetzen kann. Dazu muss das Gestein große, exponierte Oberflächen haben, und das ist in Regionen mit tieferen Böden weniger wahrscheinlich.
„Erst wenn man anfängt, Raum- und Zeitskalen zu überschreiten, sieht man, was wirklich wichtig ist“, sagte Brantley. „Die Oberfläche ist wirklich wichtig. Sie können alle gewünschten Geschwindigkeitskonstanten für diese Lösung im Labor messen, aber bis Sie mir sagen können, wie sich die Oberfläche dort draußen im natürlichen System bildet, werden Sie niemals vorhersagen können das reale System.“
Die Wissenschaftler im Tagebuch berichtet Wissenschaft dass die Temperaturempfindlichkeitsmessungen im Labor niedriger waren als die Schätzungen von Böden und Flüssen in ihrer Studie. Anhand von Beobachtungen aus dem Labor und von Feldstandorten skalierten sie ihre Ergebnisse hoch, um die globale Temperaturabhängigkeit der Verwitterung abzuschätzen.
Ihr Modell kann hilfreich sein, um zu verstehen, wie die Verwitterung auf den zukünftigen Klimawandel reagieren wird, und um die vom Menschen verursachten Versuche zu bewerten, die Verwitterung zu verstärken, um mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu ziehen – wie etwa die Kohlenstoffbindung.
„Eine Idee war, die Verwitterung zu verbessern, indem viel Gestein ausgegraben, zermahlen, transportiert und auf die Felder gebracht wird, damit die Verwitterung stattfinden kann“, sagte Brantley. „Und das wird funktionieren – es funktioniert bereits. Das Problem ist, dass es ein sehr langsamer Prozess ist.“
Obwohl die Erwärmung die Verwitterung beschleunigen könnte, könnte es Tausende oder Hunderttausende von Jahren dauern, das gesamte Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen, das Menschen hinzugefügt haben, sagten die Wissenschaftler.
Andere Forscher der Penn State, die an der Studie teilnahmen, waren Andrew Shaughnessy, Doktorand am Department of Geosciences, sowie Marina Lebedeva und Victor Balashov, Senior Scientists am Earth and Environmental Systems Institute.
Mehr Informationen:
SL Brantley et al., Wie die temperaturabhängige Silikatverwitterung als geologischer Thermostat der Erde fungiert, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.add2922