Auf der Erdoberfläche könnte noch eine Milliarde Jahre Leben gedeihen

Die Sonne befindet sich in der Mitte ihres Fusionslebens. Sie ist etwa 5 Milliarden Jahre alt, und obwohl ihr Leben noch lange nicht vorbei ist, wird sie im Laufe ihres Lebens einige deutliche Veränderungen erfahren. In den nächsten Milliarden Jahren wird die Sonne weiterhin heller werden.

Das bedeutet, dass sich hier auf der Erde Dinge ändern werden.

Während die Sonne Helium zu Wasserstoff verschmilzt, ändert sich das Verhältnis von Wasserstoff zu Helium in ihrem Kern. Mit der Zeit wird der Kern langsam immer mehr mit Helium angereichert. Wenn sich Helium in seinem Kern ansammelt, nimmt die Dichte des Kerns zu, was bedeutet, dass die Protonen dichter zusammengepackt sind.

Dadurch entsteht eine Situation, in der die Sonne Wasserstoff effizienter verschmelzen kann. Nach einer Kettenreaktion von Prozessen und Ursache und Wirkung ist das Endergebnis, dass die Leuchtkraft der Sonne zunimmt. Die Leuchtkraft der Sonne hat seit ihrer Entstehung bereits um etwa 30 % zugenommen, und die Helligkeit wird weiter zunehmen.

Jede Zunahme der Sonnenhelligkeit kann erhebliche Auswirkungen auf die Erde haben. Umweltkreisläufe wie der Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorkreislauf erhalten die Biosphäre der Erde. Wenn die Sonne heller wird, beeinflusst sie diese Kreisläufe, darunter auch den Karbonat-Silikat-Kreislauf, der die Ansammlung von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre des Planeten mäßigt.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass die zunehmende Sonneneinstrahlung diesen Zyklus in den nächsten Milliarden Jahren unterbrechen und zu sinkenden CO2-Werten führen wird. Pflanzen sind auf CO2 angewiesen und die Werte werden voraussichtlich drastisch sinken, was bedeutet, dass komplexes Landleben in den nächsten Milliarden Jahren aussterben wird.

Dies ist eine düstere Prognose, doch neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es nicht dazu kommen könnte.

Die neue Forschung trägt den Titel „Erhebliche Verlängerung der Lebensdauer der terrestrischen Biosphäre“ und wurde zur Veröffentlichung in der Zeitschrift für Planetenforschung. Es ist jetzt im Vorabdruck, verfügbar auf der arXiv Preprint-Server und der Hauptautor ist RJ Graham, ein Postdoktorand in der Abteilung für Geophysikalische Wissenschaften an der Universität von Chicago.

„In etwa einer Milliarde Jahren (Gyr) in der Zukunft, wenn die Sonne heller wird, wird der Karbonat-Silikat-Zyklus der Erde voraussichtlich den CO2-Gehalt unter das für Gefäßpflanzen erforderliche Mindestniveau drücken und damit den Großteil des makroskopischen Lebens an Land auslöschen“, schreiben die Autoren.

Da die Sonne heller wird und die Erdoberfläche erwärmt, erwarten Wissenschaftler, dass der Karbonat-Silikat-Kreislauf aufgrund der Karbonat-Silikat-Verwitterung und der Karbonatablagerung mehr CO2 aus der Atmosphäre ziehen wird.

Regenwasser ist mit atmosphärischem Kohlenstoff angereichert, der mit Silikatgestein reagiert und dieses zersetzt. Die Produkte der chemischen Reaktionen, die sie zersetzen, finden ihren Weg zum Meeresboden, wo sie Karbonatmineralien bilden. Wenn diese Mineralien vergraben werden, entfernen sie effektiv Kohlenstoff aus der Atmosphäre.

Normalerweise fungiert der Zyklus als natürlicher Thermostat der Erde. Höhere Temperaturen machen die Reaktionen jedoch effizienter, was bedeutet, dass der Karbonat-Silikat-Zyklus mehr CO2 aus der Atmosphäre entfernt. Dies führte Wissenschaftler zu dem Schluss, dass der CO2-Gehalt so niedrig werden würde, dass das Leben auf dem Planeten aussterben würde. Die Autoren untersuchten diese Ideen jedoch und stellten fest, dass es möglicherweise nicht ganz so eintreten wird.

„Hier verknüpfen wir globale Durchschnittsmodelle der temperatur- und CO2-abhängigen Pflanzenproduktivität für C3- und C4-Pflanzen, der Silikatverwitterung und des Klimas, um die verbleibende Zeit für Landpflanzen erneut zu untersuchen“, schreiben sie.

C3- und C4-Pflanzen sind zwei Hauptpflanzengruppen, die anhand ihrer Photosynthese und Kohlenstoffaufnahme klassifiziert werden. Sie sind relevant, weil sie unterschiedlich auf höhere Temperaturen reagieren.

Die Forscher sagen, dass aktuelle Daten zeigten, dass der Karbonat-Silikat-Zyklus nicht so stark von der Temperatur abhängig sei wie bisher angenommen. Stattdessen sei er nur schwach temperaturabhängig und stärker CO2-abhängig.

In diesem Fall „stellen wir fest, dass das Zusammenspiel zwischen Klima, Produktivität und Witterung dazu führt, dass sich der künftige, durch die Leuchtkraft bedingte CO2-Rückgang verlangsamt und vorübergehend umkehrt, wodurch ein CO2-Mangel bei den Pflanzen vermieden wird“, erklären sie.

Statt einer Prognose von einer Milliarde Jahren für das Pflanzenleben auf der Erde sagen die Forscher, dass die Pflanzen aufgrund der atmosphärischen CO2-Werte noch 1,6 bis 1,86 Milliarden Jahre überleben werden. Wenn Pflanzen nicht mehr überleben können, wird das nicht an sinkenden CO2-Werten liegen. Statt an einem CO2-Mangel wird es an dem liegen, was Wissenschaftler den feuchten Treibhauseffekt nennen.

Wenn dieser Übergang stattfindet, wird die Atmosphäre eines Planeten mit Wasserdampf gesättigt, während sich der Planet erwärmt. Da Wasserdampf ein starkes Treibhausgas ist, erzeugt er eine Rückkopplungsschleife zunehmender Erwärmung. Schließlich ist es für Pflanzen einfach zu heiß, um zu überleben.

Doch damit sind die Folgen noch nicht zu Ende. Wenn die obere Erdatmosphäre immer stärker mit Wasserdampf gesättigt ist, spaltet UV-Energie das Wasser und der Wasserstoff driftet in den Weltraum. In dieser Situation kommt es zu einem allmählichen und irreversiblen Verlust von Wasser in den Weltraum.

Den Autoren zufolge wird es auf der Erde diesen Übergang erst in 1,6 bis 1,86 Milliarden Jahren geben.

„Wir zeigen, dass aktuelle Daten, die auf eine schwach temperaturabhängige Silikatverwitterung hinweisen, zu der Vorhersage führen, dass der Tod der Biosphäre auf Überhitzung und nicht auf CO2-Mangel zurückzuführen ist“, schreiben die Autoren. „Diese Ergebnisse legen nahe, dass die zukünftige Lebensdauer der komplexen Biosphäre der Erde fast doppelt so lang sein könnte wie bisher angenommen.“

Diese Ergebnisse beeinflussen auch unser Verständnis der Bewohnbarkeit von Exoplaneten. Sie haben mit sogenannten „harten Schritten“ in der Entstehung und Evolution des Lebens zu tun. Das Modell der harten Schritte besagt, dass bestimmte evolutionäre Übergänge schwierig waren und es unwahrscheinlich ist, dass sie zweimal auftreten. Einige Beispiele sind das Auftreten mehrzelliger Organismen und die kambrische Explosion.

Wenn die Biosphäre der Erde jedoch eine viel längere Lebensdauer hat als angenommen, wirkt sich dies auf das Hard-Steps-Modell aus.

„Eine längere zukünftige Lebensdauer der komplexen Biosphäre könnte auch einen schwachen statistischen Beweis dafür liefern, dass es in der Evolution intelligenten Lebens weniger ‚schwierige Schritte‘ gab als bisher angenommen und dass die Entstehung des Lebens nicht einer dieser schwierigen Schritte war“, schlussfolgern die Autoren.

Wenn das der Fall ist, könnte die Bewohnbarkeit von Exoplaneten weniger selten sein als gedacht.