Massive vulkanische Ereignisse in der Erdgeschichte, die große Mengen Kohlenstoff in die Atmosphäre freisetzten, gehen häufig mit Perioden schwerwiegender Umweltveränderungen und Massenaussterben einher. Eine neue Methode zur Schätzung, wie viel und wie schnell Kohlenstoff von den Vulkanen freigesetzt wurde, könnte unser Verständnis der Klimareaktion verbessern, so ein internationales Team unter der Leitung von Forschern der Penn State und der University of Oxford.
Die Wissenschaftler Bericht im Tagebuch Naturgeowissenschaften dass sie eine neue Technik entwickelt haben, um überschüssiges Quecksilber abzuschätzen, das aufgrund früherer vulkanischer Aktivität in den Gesteinsaufzeichnungen zurückgeblieben ist. Die Technik kann die Kohlenstoffemissionen von großen magmatischen Provinzen (LIPs) abschätzen, vulkanischen Ereignissen, die Millionen von Jahren andauern können und Magma produzieren, das die Erdoberfläche erreicht und Hunderte von Kilometern lange Lavaströme bildet.
„Große magmatische Provinzen werden oft als Analogon für den vom Menschen verursachten Klimawandel herangezogen, weil sie geologisch relativ schnell auftreten und viel Kohlendioxid freisetzen“, sagte Isabel Fendley, Assistenzprofessorin für Geowissenschaften an der Penn State und Hauptautorin der Studie. „Aber eine große Herausforderung, der wir uns mit dieser Studie stellen, besteht darin, dass es bisher sehr schwierig war, genau herauszufinden, wie viel Kohlenstoff von diesen Vulkanen freigesetzt wurde.“
Die Forscher analysierten Kernproben, die eine 20-Millionen-jährige Aufzeichnung der frühen Jurazeit erfassen, und stellten fest, dass der Quecksilbergehalt während der Spitzenaktivität der großen magmatischen Provinz Karoo-Ferrar und des damit verbundenen Toarcian Oceanic Anoxic Event, einer Zeit umfangreicher Umwelteinflüsse, anstieg und Klimawandel vor etwa 185 Millionen Jahren.
Die anhand der Quecksilberaufzeichnungen geschätzten gesamten Kohlenstoffemissionen lagen jedoch deutlich unter dem, was Kohlenstoffkreislaufmodelle vorhergesagt hatten, um die beobachteten Umweltveränderungen hervorzurufen.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Vulkanismus positive Rückkopplungen des Erdsystems auslöste – Klima- und Umweltreaktionen auf die anfängliche Erwärmung, die wiederum zu einer weiteren Erwärmung führten. Diese positiven Rückkopplungen könnten in diesen großen Kohlenstoffemissionsszenarien genauso wichtig sein wie die Primäremissionen, und aktuelle Kohlenstoffkreislaufmodelle unterschätzen möglicherweise die Auswirkungen einer bestimmten Menge an Emissionen, sagten die Wissenschaftler.
„Dies zeigt uns, dass es Reaktionen des Erdsystems gibt, die die Auswirkungen des von den Vulkanen ausgestoßenen Kohlenstoffs verstärken“, sagte Fendley. „Und basierend auf unseren Ergebnissen sind diese Feedback-Prozesse tatsächlich ziemlich wichtig, aber nicht gut verstanden.“
Genaue Schätzungen der LIP-Kohlenstoffemissionen seien wichtig, um die Auswirkungen positiver und negativer Rückkopplungsprozesse des Kohlenstoffkreislaufs auf zukünftige Klimaprognosen zu verstehen, sagten die Wissenschaftler.
„Neben dem historischen Klimawandel und dem Verständnis der Geschichte des Lebens ist es auch relevant dafür, wie wir das Klima der Erde verstehen und wie wir untersuchen, was mit der Umwelt passiert, wenn große Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt werden“, sagte Fendley.
Die Schätzung der Menge der mit LIPs verbundenen Kohlenstoffemissionen war teilweise deshalb eine Herausforderung, weil Wissenschaftler unvollständige Aufzeichnungen darüber haben, wie viel Lava ausgebrochen ist. Der Karoo-Ferrar-LIP ereignete sich beispielsweise auf dem ehemaligen Superkontinent Gondwana, und dieses Material ist nun über die südliche Hemisphäre verteilt und erstreckt sich über das heutige südliche Afrika, die Antarktis und Tasmanien, sagten die Wissenschaftler.
Die Forscher wandten sich stattdessen dem Quecksilber zu, das bei Vulkanausbrüchen als Gas freigesetzt wird, ansonsten aber vor menschlichen Aktivitäten nur selten in hohen Konzentrationen in der Umwelt vorkam. Mithilfe der Chemie der Gesteine in den Bohrkernproben konnten die Wissenschaftler ermitteln, wie viel Quecksilber aufgrund der Umweltbedingungen zu erwarten war und wie viel zusätzlich durch die Vulkane vorhanden war.
Sie entwickelten eine Methode, um die gemessenen Änderungen der Quecksilberkonzentrationen in das Volumen der Quecksilbergasemissionen umzurechnen. Anhand des Verhältnisses der Quecksilbergasemissionen zu den Kohlenstoffemissionen moderner Vulkane schätzten sie, wie viel Kohlenstoff die alten Vulkane freisetzten.
Die Forscher sagten, die Kernproben aus dem Mochras-Bohrloch in Wales, Großbritannien, boten eine einzigartige Gelegenheit, diese Forschung durchzuführen. Die Langzeitaufzeichnung zeige den ersten klaren Beweis dafür, dass es in diesem Zeitraum deutlich größere Vulkanausbrüche gegeben habe als in den 15 Millionen Jahren davor, sagten die Wissenschaftler.
„Die große Menge vorhandener geochemischer Daten aus dem Bohrloch Mochras Farm (Llanbedr) in Wales, das vom British Geological Survey gebohrt wurde, sowie die sehr genau eingegrenzte Chronologie boten eine einzigartige Gelegenheit, die diese Analyse ermöglichte“, sagte Fendley. „Die jahrzehntelange frühere Arbeit am Mochras-Kern ermöglichte es uns, die ursprünglichen Gasflüsse über Millionen von Jahren zu rekonstruieren, für Zeiträume, die traditionelle Ziele für Paläoumweltstudien sind, sowie für den Hintergrundzustand.“
Weitere Forscher an diesem Projekt waren Joost Frieling, Postdoktorand, sowie Tamsin Mather und Hugh Jenkyns, Professoren an der Universität Oxford; Michael Ruhl, Assistenzprofessor am Trinity College Dublin; und Stephen Hesselbo, Professor an der University of Exeter.
Mehr Informationen:
Isabel M. Fendley et al., Kohlenstoffemissionen großer magmatischer Provinzen des frühen Jura, eingeschränkt durch sedimentäres Quecksilber, Naturgeowissenschaften (2024). DOI: 10.1038/s41561-024-01378-5