Die Erde kann ihre eigene Temperatur über Jahrtausende regulieren, wie eine neue Studie zeigt

Das Klima der Erde hat einige große Veränderungen durchgemacht, von globalem Vulkanismus über Eiszeiten, die den Planeten abkühlen, bis hin zu dramatischen Veränderungen der Sonneneinstrahlung. Und doch hat das Leben in den letzten 3,7 Milliarden Jahren weiter geschlagen.

Nun, eine Studie von MIT-Forschern in Wissenschaftliche Fortschritte bestätigt, dass der Planet einen „stabilisierenden Feedback“-Mechanismus beherbergt, der über Hunderttausende von Jahren wirkt, um das Klima vom Abgrund zurückzuziehen und die globalen Temperaturen in einem stabilen, bewohnbaren Bereich zu halten.

Wie wird dies erreicht? Ein wahrscheinlicher Mechanismus ist die „Silikatverwitterung“ – ein geologischer Prozess, bei dem die langsame und stetige Verwitterung von Silikatgestein chemische Reaktionen beinhaltet, die letztendlich Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Ozeansedimente ziehen und das Gas im Gestein einschließen.

Wissenschaftler haben lange vermutet, dass die Silikatverwitterung eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Kohlenstoffkreislaufs der Erde spielt. Der Mechanismus der Silikatverwitterung könnte eine geologisch konstante Kraft liefern, um das Kohlendioxid – und die globalen Temperaturen – unter Kontrolle zu halten. Aber bis jetzt gab es noch nie direkte Beweise für den kontinuierlichen Betrieb eines solchen Feedbacks.

Die neuen Ergebnisse basieren auf einer Studie von Paläoklimadaten, die Änderungen der globalen Durchschnittstemperaturen in den letzten 66 Millionen Jahren aufzeichnen. Das MIT-Team wendete eine mathematische Analyse an, um festzustellen, ob die Daten Muster aufzeigten, die für Stabilisierungsphänomene charakteristisch sind, die die globalen Temperaturen auf einer geologischen Zeitskala zügeln.

Sie fanden heraus, dass es tatsächlich ein konsistentes Muster zu geben scheint, in dem die Temperaturschwankungen der Erde über Zeitskalen von Hunderttausenden von Jahren gedämpft werden. Die Dauer dieses Effekts ähnelt den Zeitskalen, über die die Silikatverwitterung voraussichtlich wirken wird.

Die Ergebnisse sind die ersten, die tatsächliche Daten verwenden, um die Existenz einer stabilisierenden Rückkopplung zu bestätigen, deren Mechanismus wahrscheinlich die Silikatverwitterung ist. Dieses stabilisierende Feedback würde erklären, wie die Erde durch dramatische Klimaereignisse in der geologischen Vergangenheit bewohnbar geblieben ist.

„Einerseits ist es gut, weil wir wissen, dass die heutige globale Erwärmung durch diese stabilisierende Rückkopplung irgendwann aufgehoben wird“, sagt Constantin Arnscheidt, Doktorand am Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences (EAPS) des MIT. „Aber auf der anderen Seite wird es Hunderttausende von Jahren dauern, also nicht schnell genug, um unsere heutigen Probleme zu lösen.“

Die Studie wurde gemeinsam von Arnscheidt und Daniel Rothman, Professor für Geophysik am MIT, verfasst.

Stabilität in Daten

Wissenschaftler haben bereits Hinweise auf eine klimastabilisierende Wirkung im Kohlenstoffkreislauf der Erde gesehen: Chemische Analysen alter Gesteine ​​haben gezeigt, dass der Kohlenstofffluss in die und aus der Erdoberflächenumgebung relativ ausgeglichen geblieben ist, selbst bei dramatischen Schwankungen der globalen Temperatur. Darüber hinaus sagen Modelle der Silikatverwitterung voraus, dass der Prozess eine stabilisierende Wirkung auf das globale Klima haben sollte. Und schließlich weist die Tatsache der dauerhaften Bewohnbarkeit der Erde auf eine inhärente geologische Kontrolle extremer Temperaturschwankungen hin.

„Sie haben einen Planeten, dessen Klima so vielen dramatischen äußeren Veränderungen ausgesetzt war. Warum hat das Leben die ganze Zeit überlebt? Ein Argument ist, dass wir eine Art Stabilisierungsmechanismus brauchen, um die Temperaturen für das Leben geeignet zu halten“, sagt Arnscheidt. „Aber es wurde nie anhand von Daten gezeigt, dass ein solcher Mechanismus das Erdklima konsequent kontrolliert hat.“

Arnscheidt und Rothman versuchten zu bestätigen, ob eine stabilisierende Rückkopplung tatsächlich am Werk war, indem sie sich Daten globaler Temperaturschwankungen im Laufe der geologischen Geschichte ansahen. Sie arbeiteten mit einer Reihe von globalen Temperaturaufzeichnungen, die von anderen Wissenschaftlern zusammengestellt wurden, aus der chemischen Zusammensetzung alter Meeresfossilien und Muscheln sowie aus konservierten Eisbohrkernen aus der Antarktis.

„Diese ganze Studie ist nur möglich, weil es große Fortschritte bei der Verbesserung der Auflösung dieser Tiefsee-Temperaturaufzeichnungen gegeben hat“, sagt Arnscheidt. „Jetzt haben wir Daten, die 66 Millionen Jahre zurückreichen, wobei die Datenpunkte höchstens Tausende von Jahren auseinander liegen.“

Beschleunigung bis zum Stillstand

Auf die Daten wandte das Team die mathematische Theorie stochastischer Differentialgleichungen an, die üblicherweise verwendet wird, um Muster in stark schwankenden Datensätzen aufzudecken.

„Wir haben erkannt, dass diese Theorie Vorhersagen darüber macht, wie die Temperaturgeschichte der Erde aussehen würde, wenn es auf bestimmten Zeitskalen Rückkopplungen gegeben hätte“, erklärt Arnscheidt.

Mit diesem Ansatz analysierte das Team die Geschichte der globalen Durchschnittstemperaturen über die letzten 66 Millionen Jahre und betrachtete den gesamten Zeitraum über verschiedene Zeitskalen, z. B. Zehntausende von Jahren gegenüber Hunderttausenden, um zu sehen, ob sich darin irgendwelche Muster stabilisierender Rückkopplungen abzeichneten jede Zeitskala.

„Bis zu einem gewissen Grad ist es so, als würde Ihr Auto die Straße hinunterrasen, und wenn Sie auf die Bremse treten, rutschen Sie lange, bevor Sie anhalten“, sagt Rothman. „Es gibt eine Zeitskala, über die Reibungswiderstand oder eine stabilisierende Rückkopplung einsetzt, wenn das System in einen stabilen Zustand zurückkehrt.“

Ohne stabilisierende Rückkopplungen sollten Schwankungen der globalen Temperatur mit der Zeitskala wachsen. Die Analyse des Teams zeigte jedoch ein Regime, in dem die Schwankungen nicht zunahmen, was darauf hindeutet, dass ein stabilisierender Mechanismus im Klima herrschte, bevor die Schwankungen zu extrem wurden. Die Zeitskala für diesen Stabilisierungseffekt – Hunderttausende von Jahren – stimmt mit dem überein, was Wissenschaftler für die Silikatverwitterung vorhersagen.

Interessanterweise stellten Arnscheidt und Rothman fest, dass die Daten auf längeren Zeitskalen keine stabilisierenden Rückkopplungen offenbarten. Das heißt, es scheint keinen wiederkehrenden Rückgang der globalen Temperaturen auf Zeitskalen von mehr als einer Million Jahren zu geben. Was hat dann über diese längeren Zeiträume hinweg die globalen Temperaturen unter Kontrolle gehalten?

„Es gibt eine Idee, dass der Zufall eine große Rolle bei der Entscheidung gespielt haben könnte, warum es nach mehr als 3 Milliarden Jahren immer noch Leben gibt“, sagt Rothman.

Mit anderen Worten, da die Temperaturen der Erde über längere Strecken schwanken, können diese Schwankungen im geologischen Sinne gerade klein genug sein, um in einem Bereich zu liegen, in dem eine stabilisierende Rückkopplung, wie z. B. Silikatverwitterung, das Klima periodisch in Schach halten könnte und genauer gesagt, innerhalb einer bewohnbaren Zone.

„Es gibt zwei Lager: Die einen sagen, der Zufall reicht als Erklärung aus, die anderen sagen, es muss eine stabilisierende Rückkopplung geben“, sagt Arnscheidt. „Wir können direkt aus Daten zeigen, dass die Antwort wahrscheinlich irgendwo dazwischen liegt. Mit anderen Worten, es gab eine gewisse Stabilisierung, aber wahrscheinlich spielte auch pures Glück eine Rolle dabei, die Erde dauerhaft bewohnbar zu halten.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.