Seit Hunderten von Millionen Jahren hat sich das Erdklima mit natürlichen Schwankungen des Kohlendioxidgehalts (CO₂) in der Atmosphäre erwärmt und abgekühlt. Im vergangenen Jahrhundert haben die Menschen den CO₂-Gehalt auf den höchsten Stand seit 2 Millionen Jahren gebracht –natürliche Emissionen überholen– hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, was zu einer anhaltenden globalen Erwärmung führt, die Teile der Erde unbewohnbar machen kann.
Was kann getan werden? Als Geowissenschaftler untersuchen wir, wie natürliche Prozesse in der Vergangenheit Kohlenstoff aus der Atmosphäre zur Erde und zurück zurückgeführt haben, um mögliche Antworten auf diese Frage zu finden.
Unser neue Forschung veröffentlicht in Natur, zeigt, wie tektonische Platten, Vulkane, erodierende Berge und Meeresbodensedimente das Erdklima in der geologischen Vergangenheit kontrolliert haben. Die Nutzung dieser Prozesse kann eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der „Goldlöckchen„Klima, das unser Planet genossen hat.
Vom Treibhaus bis zur Eiszeit
Treibhaus- und Eishausklima hat es in der geologischen Vergangenheit gegeben. Das Treibhaus der Kreidezeit (das vor etwa 145 Millionen bis 66 Millionen Jahren bestand) hatte atmosphärische CO₂-Werte von über 1.000 Teilen pro Million, verglichen mit etwa 420 heute, und Temperaturen, die bis zu 10℃ höher waren als heute.
Aber das Klima der Erde begann sich zu ändern cool vor etwa 50 Millionen Jahren während der Känozoikumwas in einem Eishausklima gipfelte, in dem die Temperaturen auf etwa 7℃ kühler als heute fielen.
Was hat diese dramatische Veränderung des globalen Klimas ausgelöst?
Unser Verdacht war, dass die tektonischen Platten der Erde der Schuldige waren. Um besser zu verstehen, wie tektonische Platten Kohlenstoff speichern, bewegen und abgeben, haben wir ein Computermodell des tektonischen „Kohlenstoff-Förderbandes“ gebaut.
Das Carbon-Förderband
Tektonische Prozesse setzen an mittelozeanischen Rücken – wo sich zwei Platten voneinander entfernen – Kohlenstoff in die Atmosphäre frei, wodurch Magma an die Oberfläche steigen und neue Meereskruste bilden kann.
Gleichzeitig werden an Ozeangräben – wo zwei Platten zusammenlaufen – Platten nach unten gezogen und in die Tiefe der Erde zurückgeführt. Auf ihrem Weg nach unten tragen sie Kohlenstoff zurück ins Erdinnere, setzen aber durch vulkanische Aktivität auch etwas CO₂ frei.
Unser Modell zeigt, dass das Treibhausklima der Kreidezeit durch sich sehr schnell bewegende tektonische Platten verursacht wurde, die die CO₂-Emissionen von mittelozeanischen Rücken dramatisch erhöhten.
Beim Übergang zum Eishausklima des Känozoikums verlangsamte sich die Bewegung der tektonischen Platten und die vulkanischen CO₂-Emissionen begannen zu sinken. Aber zu unserer Überraschung entdeckten wir einen komplexeren Mechanismus, der im Förderbandsystem verborgen ist und Bergbildung, Kontinenterosion und das Vergraben der Überreste mikroskopisch kleiner Organismen auf dem Meeresboden beinhaltet.
Dieses Video zeigt Plattenbewegungen, Kohlenstoffspeicherung in tektonischen Platten und Kohlenstoffentgasung entlang mittelozeanischer Rücken und Subduktionszonen im Laufe der Zeit. Unser Kohlenstoffmodell zeigt, dass diese Prozesse allein die globale Abkühlung im Känozoikum nicht erklären können. Dabei spielten die hier nicht dargestellten Auswirkungen der Gesteinserosion eine entscheidende Rolle. Pfeile zeigen die Plattenbewegungsgeschwindigkeit an.
Der verborgene Kühleffekt sich verlangsamender tektonischer Platten im Känozoikum
Tektonische Platten verlangsamen sich aufgrund von Kollisionen, was wiederum zur Bildung von Bergen führt, wie der Himalaya und die Alpen, die in den letzten 50 Millionen Jahren entstanden sind. Dies hätte die vulkanischen CO₂-Emissionen reduzieren sollen, aber stattdessen zeigte unser Carbon-Förderbandmodell erhöhte Emissionen.
Wir verfolgten ihre Quelle in kohlenstoffreichen Tiefseesedimenten, die nach unten gedrückt wurden, um Vulkane zu speisen, die CO₂-Emissionen zu erhöhen und den Effekt der Verlangsamung der Platten aufzuheben.
Was genau war also der Mechanismus, der für den Rückgang des atmosphärischen CO₂ verantwortlich war?
Die Antwort liegt in den Bergen, die für die Abbremsung der Platten überhaupt verantwortlich waren, und in der Kohlenstoffspeicherung in der Tiefsee.
Sobald sich Berge bilden, beginnen sie zu erodieren. CO₂-haltiges Regenwasser reagiert mit einer Reihe von Berggesteinen und zersetzt diese. Flüsse tragen die gelösten Mineralien ins Meer. Meeresorganismen verwenden dann die gelösten Produkte zum Aufbau ihrer Schalen, die schließlich Teil kohlenstoffreicher Meeressedimente werden.
Als sich neue Bergketten bildeten, wurden mehr Felsen erodiert, was diesen Prozess beschleunigte. Riesige Mengen an CO₂ wurden gespeichert, und der Planet kühlte ab, obwohl einige dieser Sedimente mit ihrer Kohlenstoffentgasung über Bogenvulkane subduziert wurden.
Gesteinsverwitterung als mögliche Technologie zur Entfernung von Kohlendioxid
Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) sagt Der groß angelegte Einsatz von Methoden zur Entfernung von Kohlendioxid ist „unvermeidlich“, wenn die Welt Netto-Null-Treibhausgasemissionen erreichen soll.
Die Verwitterung von Eruptivgestein, insbesondere Gestein wie Basalt, das ein Mineral namens Olivin enthält, ist sehr effizient bei der Reduzierung von atmosphärischem CO₂. Das Ausbringen von Olivin an Stränden könnte absorbieren bis zu einer Billion Tonnen CO₂ aus der Atmosphäreentsprechend einige Schätzungen.
Die Stromgeschwindigkeit vom Menschen verursachte Erwärmung ist so, dass eine sehr schnelle Reduzierung unserer Kohlenstoffemissionen unerlässlich ist, um eine katastrophale globale Erwärmung zu vermeiden. Aber geologische Prozesse können mit etwas menschlicher Hilfe auch ihre Rolle bei der Aufrechterhaltung des „Goldlöckchen“-Klimas der Erde spielen.
Diese Studie wurde von Forschern der University of Sydney durchgeführt EarthByte-Gruppedie University of Western Australia, die University of Leeds und die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich verwenden GPlatten Open-Access-Modellierungssoftware. Dies wurde durch Australiens National Collaborative Research Infrastructure Strategy (NCRIS) über ermöglicht AuScope und das Büro des Chief Scientist and Engineer, NSW Department of Industry.
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