Mikroskopisch kleine Muschelfossilien enthüllen urzeitliche Muster des Klimawandels

Am Ende des Paläozäns und am Anfang des Eozäns, also vor 59 bis 51 Millionen Jahren, erlebte die Erde dramatische Erwärmungsperioden, sowohl allmähliche Perioden, die sich über Millionen von Jahren hinzogen, als auch plötzliche Erwärmungsereignisse, die als Hyperthermie bezeichnet werden.

Auslöser dieser globalen Erwärmung waren massive Emissionen von Kohlendioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen, doch auch andere Faktoren wie tektonische Aktivitäten könnten eine Rolle gespielt haben.

Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung von Geowissenschaftlern der University of Utah vergleichen die Temperaturen der Meeresoberfläche mit dem CO2-Gehalt in der Atmosphäre während dieses Zeitraums und zeigen, dass beide eng miteinander verknüpft sind. Die Ergebnisse liefern zudem Fallstudien zur Prüfung von Rückkopplungsmechanismen und Empfindlichkeiten des Kohlenstoffkreislaufs, die für die Vorhersage des vom Menschen verursachten Klimawandels entscheidend sind, da wir weiterhin Treibhausgase in einem in der Geschichte unseres Planeten beispiellosen Ausmaß in die Atmosphäre ausstoßen.

Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

„Der Hauptgrund, warum wir uns für diese globalen Kohlenstofffreisetzungsereignisse interessieren, ist, dass sie Analogien für zukünftige Veränderungen liefern können“, sagte der Hauptautor Dustin Harper, ein Postdoktorand in der Abteilung für Geologie und Geophysik. „Wir haben wirklich kein perfektes Analogereignis mit genau denselben Hintergrundbedingungen und derselben Kohlenstofffreisetzungsrate.“

Doch die am Montag veröffentlichte Studie legt nahe, dass die Emissionen während zweier historischer „thermischer Maxima“ dem heutigen vom Menschen verursachten Klimawandel ähnlich genug sind, um den Wissenschaftlern die Vorhersage seiner Folgen zu erleichtern.

Das Forschungsteam analysierte mikroskopische Fossilien, die in Bohrkernen von einem unterseeischen Plateau im Pazifik gefunden wurden, um die Chemie der Meeresoberfläche zu der Zeit zu beschreiben, als die Schalentiere lebten. Mithilfe eines ausgeklügelten statistischen Modells rekonstruierten sie die Meeresoberflächentemperaturen und den atmosphärischen CO2-Gehalt über einen Zeitraum von 6 Millionen Jahren, der zwei Hyperthermalphasen umfasste: das Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum (PETM) vor 56 Millionen Jahren und das Eozän-Temperaturmaximum 2 (ETM-2) vor 54 Millionen Jahren.

Die Ergebnisse zeigen, dass mit dem Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre auch die globalen Temperaturen zunahmen.

„Es gibt mehrere Wege, auf denen unser Planet und unsere Atmosphäre durch die CO2-Zufuhr beeinflusst werden, aber in jedem Fall, unabhängig von der CO2-Quelle, beobachten wir ähnliche Auswirkungen auf das Klimasystem“, sagte Co-Autor Gabriel Bowen, Professor für Geologie und Geophysik an der University of Utah.

„Uns interessiert, wie empfindlich das Klimasystem auf diese CO2-Änderungen reagiert. Und was wir in dieser Studie sehen, ist, dass es gewisse Unterschiede gibt, vielleicht eine etwas geringere Empfindlichkeit, eine geringere Erwärmung im Zusammenhang mit einer bestimmten Menge an CO2-Änderungen, wenn wir diese sehr langfristigen Veränderungen betrachten. Aber insgesamt sehen wir eine gemeinsame Spanne von Klimaempfindlichkeiten“, sagte Bowen.

Heute wird durch menschliche Aktivitäten im Zusammenhang mit fossilen Brennstoffen Kohlenstoff vier- bis zehnmal schneller freigesetzt als während dieser hyperthermischen Ereignisse in der Antike. Die Gesamtmenge an Kohlenstoff, die während dieser Ereignisse freigesetzt wurde, ist jedoch ähnlich hoch wie die für menschliche Emissionen prognostizierte Menge. Dies gibt Forschern möglicherweise einen Einblick in das, was uns und zukünftigen Generationen bevorstehen könnte.

Zunächst müssen die Wissenschaftler herausfinden, was während dieser Phasen der globalen Erwärmung vor über 50 Millionen Jahren mit dem Klima und den Ozeanen geschah.

„Diese Ereignisse könnten eine Art Fallstudie für ein mittel- bis schlimmstmögliches Szenario darstellen“, sagte Harper. „Wir können sie untersuchen, um die Frage zu beantworten, welche Umweltveränderungen durch diese Kohlenstofffreisetzung eintreten.“

Während des PETM war es auf der Erde sehr warm. Die Pole waren nicht mit Eis bedeckt und die Meerestemperaturen lagen bei etwa 35 Grad Celsius.

Um den CO2-Gehalt der Ozeane zu bestimmen, griffen die Forscher auf fossile Überreste von Foraminiferen zurück, einem einzelligen Organismus mit Schalen, der dem Plankton ähnelt. Das Forschungsteam stützte seine Studie auf Bohrkerne, die zuvor vom International Ocean Discovery Program an zwei Standorten im Pazifik geborgen wurden.

In den Schalen der Foraminiferen sammeln sich kleine Mengen Bor an. Laut Harper sind die Isotope dieses Stoffes ein Indikator für die CO2-Konzentration im Ozean zum Zeitpunkt der Entstehung der Schalen.

„Wir haben die Borchemie der Schalen gemessen und können diese Werte mithilfe moderner Beobachtungen auf frühere Meerwasserbedingungen übertragen. Wir können den CO2-Gehalt des Meerwassers ermitteln und ihn in atmosphärisches CO2 umrechnen“, sagte Harper. „Ziel des Zielstudienintervalls war es, einige neue CO2- und Temperaturrekorde für PETM und ETM-2 aufzustellen, die zwei der besten Analogien in Bezug auf moderne Veränderungen darstellen, und außerdem eine längerfristige Hintergrundbewertung des Klimasystems bereitzustellen, um diese Ereignisse besser in einen Kontext zu setzen.“

Die von Harper untersuchten Kerne wurden aus dem Schatski-Rücken im subtropischen Nordpazifik gewonnen, einem idealen Ort für die Bergung von Meeresbodenablagerungen, die die Bedingungen in der Urgeschichte widerspiegeln.

Karbonatschalen lösen sich auf, wenn sie sich in der Tiefsee absetzen, daher müssen Wissenschaftler auf Unterwasserplateaus wie den Shatsky Rise schauen, wo die Wassertiefen relativ gering sind. Während ihre Bewohner vor Millionen von Jahren lebten, zeichnen die Foraminiferenschalen die Bedingungen an der Meeresoberfläche auf.

„Dann sterben sie und sinken auf den Meeresboden, wo sie in etwa zwei Kilometern Wassertiefe abgelagert werden“, sagte Harper. „Wir können die komplette Abfolge der toten Fossilien bergen. An diesen Orten mitten im Ozean gibt es nicht wirklich viel Sedimentmaterial von den Kontinenten, also sind es hauptsächlich diese Fossilien und das ist alles. Es ist ein wirklich gutes Archiv für das, was wir tun wollen.“