Wenn die Erdgeschichte ein Kalenderjahr wäre, würden Menschen erst in den letzten Minuten vor Mitternacht des 31. Dezember erscheinen. Während des Proterozoikums – vor 2,5 bis 543 Millionen Jahren – war die Sonne noch ein junger Stern, viel schwächer als heute , und die Erde benötigte einen stärkeren Treibhauseffekt, um die für die frühesten Lebensformen des Planeten bewohnbaren Temperaturen auszugleichen und aufrechtzuerhalten.
Neue Forschungen der Assistenzprofessorin für Geologie an der Florida State University, Emily Stewart, stellen lang gehegte Annahmen in Frage, dass vulkanische Aktivität für die Entstehung der Wärme verantwortlich sei, die das frühe Leben auf der Erde unterstützte.
Stewarts Arbeit hat Beweise dafür erbracht, dass das von metamorphen Gesteinen emittierte Kohlendioxid die isolierende Wirkung erzeugt, die für das Überleben von Organismen notwendig ist.
Ein Artikel mit dem Titel „Enhanced metamorphic CO2 release on the Proterozoic Earth“, den Stewart gemeinsam mit Donald Penman, Assistenzprofessor für Geologie an der Utah State University, verfasste, war veröffentlicht im September im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Indem wir die Art und Weise untersuchen, wie antike geologische Prozesse die Temperatur in der Vergangenheit der Erde modulierten, können wir die Klimasensitivität besser verstehen und vorhersagen, wie geologische Prozesse im Kontext des vom Menschen verursachten Klimawandels funktionieren könnten“, sagte Stewart. „Darüber hinaus kann das Verständnis, wie Kohlenstoff auf natürliche Weise in und aus Gesteinen transportiert wird, die Spitzenwissenschaft informieren und dabei helfen, technische Herausforderungen zu lösen, die durch die Beschleunigung der Kohlenstoffregulierungsprozesse auf der Erde entstehen, um den Klimawandel zu bekämpfen.“
In der Atmosphäre fungiert Kohlendioxid wie eine Decke, die den Planeten isoliert – mehr Kohlendioxid bildet eine dickere Decke. Im Proterozoikum entstanden einige der frühesten Lebewesen auf der Erde, darunter kleine, weiche Organismen, die den heutigen Quallen und Würmern ähneln. Da die Sonne damals dramatisch schwächer war, kompensierte die Erde dies, indem sie über Millionen von Jahren hinweg die Menge an atmosphärischem Kohlenstoff allmählich erhöhte.
Vor diesen Erkenntnissen gingen Wissenschaftler davon aus, dass das Gas hauptsächlich aus vulkanischer Aktivität stammte, die vor etwa 3,8 Milliarden Jahren, also lange vor dem Proterozoikum, begann. Mithilfe computergenerierter Simulationen und mathematischer Modelle entdeckte das Team jedoch, dass Gesteine zum Treibhauseffekt des Proterozoikums beitrugen. Wenn die Erdkruste Karbonat-Silikat-Gesteine erhitzt und unter Druck setzt, setzt der metamorphe Prozess Kohlendioxid frei und erwärmt den Planeten.
Stewart und Penman fanden heraus, dass die metamorphe Kohlendioxid-Ausgasung – oder die Freisetzung von Gas aus Materialien in die Luft – während des Proterozoikums zu einer atmosphärischen Kohlenstoffkonzentration geführt hätte, die viermal höher war als die modernen geologischen Ausgasungsraten vor 1750 Zeit vor der Industriellen Revolution.
„Wenn ein Geologe ‚modern‘ sagt, umfasst er normalerweise die letzten 500 Millionen Jahre der Erdgeschichte nach der kambrischen Explosion des Lebens“, sagte Stewart. „Dieser Artikel vergleicht die atmosphärischen Konzentrationen vor der Industrie und im Proterozoikum, aber der vom Menschen verursachte Kohlenstofffluss oder die hohe Geschwindigkeit, mit der Kohlendioxid heute in die Atmosphäre freigesetzt wird, stellt alle diese geologischen Fragen völlig in den Schatten.“
Die Atmosphäre ist nur ein Teil des größeren Kohlenstoffkreislaufs der Erde. An dem Kreislauf sind auch das Meer, Pflanzen, Tiere, Steine und verwesende Organismen beteiligt. Während der Ozean große Mengen Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnimmt, was die treibende Kraft hinter der Versauerung der Ozeane aufgrund des Klimawandels ist, nutzen Pflanzen Sonnenlicht, um Kohlenstoff in ihren Geweben umzuwandeln und zu speichern. Nachdem Tiere Pflanzen verzehrt haben, atmen sie Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre aus.
Auch wenn Gesteine im Vergleich dazu fest und unverformbar erscheinen mögen, liefert die Forschung von Stewart und Penman Belege dafür, dass Gesteine in der Vergangenheit eine größere Rolle im Kohlenstoffkreislauf gespielt haben als ursprünglich angenommen. Heutzutage können Gesteine sowohl als Kohlenstoffquelle als auch als Kohlenstoffsenke fungieren.
„Viele Menschen, darunter auch ich, hielten die metamorphe Dekarbonisierung für einen Hintergrundprozess beim Recycling von Kohlenstoff“, sagte Penman. „Diese Forschung zeigt, dass sich die Rate der Kohlendioxid-Ausgasung im Laufe der Zeit ändern kann, mit anderen Komponenten des Kohlenstoffkreislaufs zusammenhängt und möglicherweise Veränderungen im atmosphärischen Kohlenstoff auf eine Weise bewirken kann, die bisher nicht in Betracht gezogen wurde.“
Um die Hypothese zu testen, dass metamorphe Gesteine eine größere Rolle bei der Erwärmung des Proterozoikums spielten als bisher angenommen, werden Stewart und zwei ihrer Doktoranden – Kanwa Sengupta und Sayantan Saha – Feldarbeiten entlang des zentralen Metasedimentgürtels in Ontario, Kanada, durchführen.
„Was ich an der Geologie am meisten liebe, ist, dass sie ein Portal in die Vergangenheit ist“, sagte Stewart. „Durch die Archäologie kann man 300.000 Jahre zurückblicken, aber die Erde ist 4,6 Milliarden Jahre alt und die Untersuchung der Gesteinsaufzeichnungen ist die einzige Möglichkeit, Zugang zum größten Teil der Geschichte unseres Planeten zu erhalten.“
Weitere Informationen:
EM Stewart et al., Erhöhte metamorphe CO2-Freisetzung auf der proterozoischen Erde, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401961121