Auswirkungen alter Kohlenstofffreisetzungen deuten auf mögliche Szenarien für das zukünftige Klima hin

Eine massive Freisetzung von Treibhausgasen, wahrscheinlich ausgelöst durch vulkanische Aktivität, verursachte vor etwa 56 Millionen Jahren eine Periode extremer globaler Erwärmung, die als Paläozän-Eozän-Thermalmaximum (PETM) bekannt ist. Eine neue Studie bestätigt nun, dass dem PETM eine kleinere Episode von Erwärmung und Ozeanversauerung vorausging, die durch einen kürzeren Ausbruch von Kohlenstoffemissionen verursacht wurde.

Die neuen Erkenntnisse, veröffentlicht am 16. März in Wissenschaftliche Fortschritte, weisen darauf hin, dass die Menge an Kohlenstoff, die während dieses Vorläuferereignisses in die Atmosphäre freigesetzt wurde, ungefähr gleich war wie die derzeitigen kumulierten Kohlenstoffemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und anderen menschlichen Aktivitäten. Infolgedessen stellt das kurzlebige Vorläuferereignis dar, was passieren könnte, wenn die derzeitigen Emissionen schnell abgeschaltet werden können, während die viel extremere globale Erwärmung des PETM die Folgen der fortgesetzten Freisetzung von Kohlenstoff in die Atmosphäre mit der derzeitigen Rate zeigt.

„Es war ein kurzlebiger Kohlenstoffstoß, der dem entspricht, was wir bereits durch anthropogene Emissionen freigesetzt haben“, sagte Co-Autor James Zachos, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften und Ida Benson Lynn-Lehrstuhl für Ozeangesundheit an der UC Santa Cruz. „Wenn wir heute die Emissionen abschalten würden, würde sich dieser Kohlenstoff irgendwann in die Tiefsee mischen und sein Signal würde verschwinden, weil das Tiefseereservoir so riesig ist.“

Dieser Prozess würde Hunderte von Jahren dauern – eine lange Zeit nach menschlichen Maßstäben, aber kurz im Vergleich zu den Zehntausenden von Jahren, die das Klimasystem der Erde brauchte, um sich von dem extremeren PETM zu erholen.

Die neuen Erkenntnisse basieren auf einer Analyse von Meeressedimenten, die in seichten Gewässern entlang der US-Atlantikküste abgelagert wurden und heute Teil der atlantischen Küstenebene sind. Zur Zeit des PETM war der Meeresspiegel höher und ein Großteil von Maryland, Delaware und New Jersey stand unter Wasser. Der US Geological Survey (USGS) hat Sedimentkerne aus dieser Region gebohrt, die die Forscher für die Studie verwendeten.

Das PETM ist in Meeressedimenten durch eine große Verschiebung der Kohlenstoffisotopenzusammensetzung und andere Hinweise auf dramatische Veränderungen in der Ozeanchemie gekennzeichnet, die darauf zurückzuführen sind, dass der Ozean große Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbiert. Die Meeressedimente enthalten die mikroskopisch kleinen Schalen winziger Meeresbewohner namens Foraminiferen, die in den Oberflächengewässern des Ozeans lebten. Die chemische Zusammensetzung dieser Muscheln dokumentiert die Umweltbedingungen, unter denen sie entstanden sind, und gibt Hinweise auf wärmere Oberflächenwassertemperaturen und Ozeanversauerung.

Erstautorin Tali Babila begann die Studie als Postdoktorandin bei Zachos an der UC Santa Cruz und ist jetzt an der University of Southampton, Großbritannien. Neuartige Analysemethoden, die in Southampton entwickelt wurden, ermöglichten es den Forschern, die Borisotopenzusammensetzung einzelner Foraminiferen zu analysieren und detailliert zu rekonstruieren Aufzeichnung der Ozeanversauerung. Dies war Teil einer Reihe von geochemischen Analysen, mit denen sie Umweltveränderungen während des Vorläuferereignisses und des Haupt-PETM rekonstruierten.

„Früher wurden Tausende fossiler Schalen von Foraminiferen für die Bor-Isotopenmessung benötigt. Jetzt sind wir in der Lage, eine einzelne Schale zu analysieren, die nur die Größe eines Sandkorns hat“, sagte Babila.

Hinweise auf ein Vorläufer-Erwärmungsereignis waren zuvor in Sedimenten des Kontinentalabschnitts im Big Horn Basin in Wyoming und einigen anderen Orten identifiziert worden. Ob es sich um ein globales Signal handelte, blieb jedoch unklar, da es in Tiefseesedimentkernen fehlte. Zachos sagte, dies sei sinnvoll, da die Sedimentationsraten in der Tiefsee langsam seien und das Signal eines kurzlebigen Ereignisses aufgrund der Vermischung von Sedimenten durch am Boden lebende Meereslebewesen verloren gehen würde.

„Die beste Hoffnung, das Signal zu sehen, wäre in flachen Meeresbecken, wo die Sedimentationsraten höher sind“, sagte er. „Das Problem dabei ist, dass die Ablagerung episodisch und die Erosion wahrscheinlicher ist. Es besteht also keine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie erfasst wird.“

Die USGS und andere haben zahlreiche Sedimentkerne (oder Abschnitte) entlang der Atlantikküstenebene gebohrt. Die Forscher fanden heraus, dass das PETM in all diesen Abschnitten vorhanden ist, und einige erfassen auch das Vorläuferereignis. Zwei Abschnitte aus Maryland (bei South Dover Bridge und Cambridge-Dover Airport) stehen im Mittelpunkt der neuen Studie.

„Hier haben wir das vollständige Signal, und ein paar andere Orte erfassen einen Teil davon. Wir glauben, dass es das gleiche Ereignis ist, das sie im Bighorn Basin gefunden haben“, sagte Zachos.

Basierend auf ihren Analysen kam das Team zu dem Schluss, dass das Vorläufersignal in den Abschnitten von Maryland ein globales Ereignis darstellt, das wahrscheinlich einige Jahrhunderte oder höchstens mehrere Jahrtausende andauerte.

Die beiden Kohlenstoffpulse – der kurzlebige Vorläufer und die viel größeren und länger anhaltenden Kohlenstoffemissionen, die das PETM antrieben – führten zu grundlegend unterschiedlichen Mechanismen und Zeitskalen für die Wiederherstellung des Kohlenstoffkreislaufs und des Klimasystems der Erde. Der Kohlenstoff, der während des Vorläuferereignisses von den Oberflächengewässern aufgenommen wurde, wurde innerhalb von etwa tausend Jahren in die Tiefsee gemischt. Die Kohlenstoffemissionen während des PETM überstiegen jedoch die Pufferkapazität des Ozeans, und die Entfernung des überschüssigen Kohlenstoffs hing von viel langsameren Prozessen ab, wie der Verwitterung von Silikatgestein über Zehntausende von Jahren.

Zachos stellte fest, dass es wichtige Unterschiede zwischen dem Klimasystem der Erde heute und während des Paläozäns gibt – insbesondere das Vorhandensein polarer Eisschilde heute, die die Empfindlichkeit des Klimas gegenüber der Erwärmung durch Treibhäuser erhöhen.

Neben Babila und Zachos gehören zu den Co-Autoren der Veröffentlichung Gavin Foster und Christopher Standish von der University of Southampton; Donald Penman von der Utah State University; Monika Doubrawa, Robert Speijer und Peter Stassen von der KU Leuven, Belgien; Timothy Bralower von der Pennsylvania State University; und Marci Robinson und Jean Self-Trail bei der USGS.