Kohlenstoff, Klimawandel und Meeressauerstoffmangel in einer alten Eishauswelt

Eine neue Studie beschreibt eine Zeit des schnellen globalen Klimawandels in einer eisbedeckten Welt, ähnlich wie heute – aber vor 304 Millionen Jahren. Innerhalb von etwa 300.000 Jahren verdoppelte sich der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre, die Ozeane wurden anoxisch und die Biodiversität ging an Land und auf See zurück.

„Es war eines der Ereignisse mit der schnellsten Erwärmung in der Geschichte der Erde“, sagte Isabel Montañez, angesehene Professorin am Department of Earth and Planetary Sciences an der University of California, Davis.

Obwohl mehrere andere „hyperthermale“ oder schnelle Erwärmungsereignisse in der Erdgeschichte bekannt sind, ist dies das erste, das in einem Eishaus auf der Erde identifiziert wurde, als der Planet Eiskappen und Gletscher hatte, vergleichbar mit dem heutigen Tag. Es zeigt, dass ein Eishausklima möglicherweise empfindlicher auf Änderungen des atmosphärischen Kohlendioxids reagiert als wärmere Bedingungen, wenn die CO2-Werte bereits höher sind. Die Arbeit erscheint diese Woche in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Das Labor von Montañez hat den Zeitraum von vor 300 Millionen bis 260 Millionen Jahren untersucht, als sich das Erdklima von einem eiszeitlichen Eishaus zu einem heißen, eisfreien Gewächshaus entwickelte. 2007 zeigten sie, dass das Klima in dieser Zeit mehrmals hin und her schwankte.

In jüngerer Zeit konnten das Team von Montañez und andere einen Übergang vor 304 Millionen Jahren anpeilen, die Kasimovian-Gzhelian-Grenze oder KGB. Sie verwendeten mehrere Proxys, darunter Kohlenstoffisotope und Spurenelemente aus Gesteinen und Pflanzenfossilien, und Modelle, um das damalige atmosphärische CO2 abzuschätzen.

Die Forscher schätzen, dass kurz vor der KG-Grenze etwa 9000 Gigatonnen Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt wurden.

„Wir haben keine Rate, aber es war eine der schnellsten in der Geschichte der Erde“, sagte Montañez. Das verdoppelte das atmosphärische CO2 von etwa 350 Teilen pro Million, vergleichbar mit modernen vorindustriellen Werten, auf etwa 700 ppm.

Todeszonen im tiefen Ozean

Eine der Folgen der globalen Erwärmung ist marine Anoxie oder ein Rückgang des gelösten Sauerstoffs im Ozean. Schmelzende Eiskappen setzen Süßwasser an die Meeresoberfläche frei, wodurch eine Barriere für die Tiefenwasserzirkulation entsteht und die Sauerstoffzufuhr unterbrochen wird. Ohne Sauerstoff stirbt das Leben im Meer.

Sauerstoffmangel hinterlässt seine Spuren in Uranisotopen, die in Gestein eingebaut sind und sich am Meeresboden bilden. Durch die Messung von Uranisotopen in Karbonatgestein im heutigen China konnten die Forscher einen Proxy für die Sauerstoffmenge – oder den Sauerstoffmangel – im Ozean erhalten, als diese Felsen abgelagert wurden.

Etwa 23 Prozent des Meeresbodens weltweit wurden zu anoxischen Totzonen, schätzen sie. Das deckt sich mit anderen Studien, die gleichzeitig große Verluste an Biodiversität an Land und auf See zeigen.

Die Wirkung der Kohlenstofffreisetzung auf die Anoxie im Ozean war signifikant größer als die, die in anderen Studien zur schnellen Erwärmung unter „Treibhaus“-Bedingungen beobachtet wurde. Das mag daran liegen, dass der Basiswert des atmosphärischen CO2 bereits viel höher war.

„Wenn Sie das CO2 in einer Treibhauswelt um die gleiche Menge erhöhen, gibt es keine großen Auswirkungen, aber Eishäuser scheinen viel empfindlicher auf Veränderungen und marinen Sauerstoffmangel zu reagieren“, sagte Montañez.

Die massive Kohlenstofffreisetzung könnte durch Vulkanausbrüche ausgelöst worden sein, die durch kohlenstoffhaltige Kohleflöze rissen, sagte Montañez. Die Eruptionen hätten auch Brände ausgelöst, und die Erwärmung könnte Permafrost geschmolzen haben, was zur Freisetzung von mehr organischem Kohlenstoff geführt hätte.

Montañez ist Co-korrespondierender Autor des Artikels mit Jitao Chen, ehemals Postdoktorand an der UC Davis und jetzt am Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, China, und Xiang-dong Wang, Nanjing University, China.