Eine Verkettung unglücklicher Umstände könnte zum Schneeball Erde geführt haben

Illustration des "Schneeballs Erde" vor mehr als 700 Millionen Jahren. (Credit: NASA)
Illustration des "Schneeballs Erde" vor mehr als 700 Millionen Jahren. (Credit: NASA)

Was verursachte die größte Eiszeit der Erdgeschichte, auch bekannt als "Schneeball Erde"? Geologen und Klimaforscher suchen die Antwort seit Jahren, aber der Ursprung des Phänomens bleibt im Dunkeln. Jetzt haben Forscher der Harvard University eine neue Hypothese darüber entwickelt, was die Vergletscherung hervorrief, die die Erde von Pol zu Pol mit Eis bedeckte.

Die Studie wird in den Geophysical Research Letters veröffentlicht. Forscher haben den Beginn der sogenannten Sturtischen Eiszeit festgemacht; sie begann vor rund 717 Millionen Jahren plusminus ein paar hunderttausend Jahre. Um diese Zeit herum zerstörte ein gigantisches vulkanisches Ereignis ein Gebiet vom heutigen Alaska bis Grönland.

Zufall? Die Harvard-Professoren Francis Macdonald und Robin Wordsworth glauben das nicht. "Wir wissen, dass vulkanische Aktivität bedeutende Auswirkungen auf die Umwelt haben kann. Die große Frage war also: Wie hängen diese beiden Ereignisse zusammen?", sagte Macdonald, der John L. Loeb Associate Professor of the Natural Sciences.

Zuerst vermutete Macdonalds Team, dass basaltisches Gestein (welches sich in Magnesium und Calcium spaltet) mit dem Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre interagierte und einen Abkühlungseffekt verursachte. Wenn das der Fall war, hätte die Abkühlung allerdings über Millionen Jahre stattgefunden, und Radioisotopdatierungen von vulkanischem Gestein im arktischen Kanada sprechen für eine viel genauere Übereinstimmung mit der Abkühlung.

Macdonald wandte sich an Wordsworth, der die Klimata nicht irdischer Planeten modelliert, und fragte ihn, ob Aerosole, die von diesen Vulkanen emittiert wurden, die Erde schnell abkühlen konnten. Die Antwort lautete: Ja, unter den richtigen Bedingungen.

"Es ist nicht einmalig, dass große Vulkanregionen eruptieren", sagte Wordsworth, Assistenzprofessor für Umweltwissenschaften und Ingenieurswesen an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciece. "Diese Art von Eruptionen fanden über geologische Zeiträume wieder und wieder statt, aber sie stehen nicht immer mit Eiszeiten in Zusammenhang. Die Frage ist daher: Was machte dieses Ereignis anders?"

Geologische und chemische Untersuchungen dieser als Franklin Large Igneous Province bezeichneten Region zeigten, dass vulkanisches Gestein durch schwefelreiche Sedimente eruptierte, die während der Eruption als Schwefeldioxid in die Atmosphäre geschleudert worden wären. Wenn Schwefeldioxid in die oberen Schichten der Atmosphäre gelangt, ist es sehr effektiv bei der Blockierung der Sonnenstrahlung. Der Ausbruch des Pinatubo auf den Philippinen im Jahr 1991, bei dem rund zehn Millionen Tonnen Schwefel in die Luft gelangten, reduzierte die globalen Temperaturen ein Jahr lang um etwa 0,5 Grad Celsius.

Eine Rauchspur von der Eruption des Vulkans Pavlof, der im Jahr 2013 eine Aschewolke bis zu 20.000 Fuß hoch in die Atmosphäre schleuderte. Sie bewegte sich in Richtung Südosten über den Nordpazifik. (Credit: NASA)
Eine Rauchspur von der Eruption des Vulkans Pavlof, der im Jahr 2013 eine Aschewolke bis zu 20.000 Fuß hoch in die Atmosphäre schleuderte. Sie bewegte sich in Richtung Südosten über den Nordpazifik. (Credit: NASA)

Schwefeldioxid ist am effektivsten bei der Blockierung der Sonnenstrahlung, wenn es über die Tropopause steigt – das ist die Grenze, die die Troposphäre von der Stratosphäre trennt. Wenn es diese Höhe erreicht, wird es mit geringerer Wahrscheinlichkeit durch Niederschlag oder zusammen mit anderen Teilchen wieder zurück auf die Erde fallen. Auf diese Weise kann es seine Präsenz in der Atmosphäre von ungefähr einer Woche bis auf etwa ein Jahr verlängern. Die Höhe der Tropopause hängt von dem Hintergrundklima auf dem Planeten ab: Je kühler der Planet, desto niedriger liegt die Tropopause.

"In sehr warmen Perioden der Erdgeschichte wäre vulkanische Abkühlung kein wichtiger Faktor gewesen, weil die Erde durch ihre warme, hohe Tropopause geschützt worden wäre", sagte Woodsworth. "Bei kühleren Bedingungen wird die Erde sehr anfällig gegenüber diesen Arten vulkanische bedingter Klimastörungen."

"Was unsere Modelle gezeigt haben, ist dass der Kontext und der Hintergrund wirklich entscheidend sind", sagte Macdonald.

Ein anderer wichtiger Aspekt ist, wo die Schwefeldioxidfahnen die Stratosphäre erreichen. Aufgrund der Kontinentalverschiebung lag die Franklin Large Igneous Province, wo diese Eruptionen stattfanden, vor 717 Millionen Jahren nahe des Äquators – dem Einfallsgebiet für den Großteil der Sonnenstrahlung, die die Erde warmhält.

Ein effektives, lichtreflektierendes Gas drang also an genau dem richtigen Ort ein und in genau die richtige Höhe vor, um eine Abkühlung hervorzurufen. Aber ein weiteres Element war erforderlich, um die Verkettung unglücklicher Umstände zu bilden. Der Ausbruch des Pinatubo hatte eine ähnliche Qualität, aber sein Abkühlungseffekt dauerte nur ein Jahr.

Die Eruptionen, die vor 717 Millionen Jahren Schwefel in die Luft schleuderten, waren keine einmaligen Explosionen einzelner Vulkane wie dem Pinatubo. Die fraglichen Vulkane erstreckten sich fast 3.200 Kilometer weit über Kanada und Grönland. Statt in einzelnen explosiven Ausbrüchen eruptierten diese Vulkane kontinuierlicher wie jene heute auf Hawaii oder Island. Die Forscher demonstrierten, dass ein Jahrzehnt kontinuierlicher Eruptionen dieses Vulkantyps genug Aerosole in die Atmosphäre freigesetzt haben könnte, um das Klima rasch zu destabilisieren.

"Abkühlung durch Aerosole muss nicht den gesamten Planeten einfrieren; sie muss das Eis nur bis in eine kritische geografische Breite leiten. Dann macht das Eis den Rest", sagte Macdonald. Je mehr Eis, desto mehr Sonnenlicht wird reflektiert und desto kühler wird der Planet. Wenn das Eis erst einmal geografische Breiten um das heutige Kalifornien herum erreicht hat, übernimmt die positive Feedbackschleife und der unkontrollierbare Schneeballeffekt wird praktisch unaufhaltbar.

"Es ist leicht, das Klima als dieses immense System zu betrachten, das sehr schwer zu ändern ist, und in vielerlei Hinsicht stimmt das. Aber es gab sehr dramatische Veränderungen in der Vergangenheit und aller Wahrscheinlichkeit nach könnten so plötzliche Veränderungen auch in der Zukunft passieren", sagte Wordsworth.

Zu verstehen, wie diese dramatischen Veränderungen auftreten, könnte Forschern helfen zu begreifen, wie Massenaussterben ablaufen, wie vorgeschlagene Ansätze für Geoengineering das Klima beeinflussen könnten und wie sich das Klima auf anderen Planeten verändert.

"Diese Forschung zeigt, dass wir uns von einem einfachen Paradigma für Exoplaneten abwenden und nicht nur über stabile Gleichgewichtsbedingungen und habitable Zonen nachdenken müssen", sagte Woodsworth. "Wir wissen, dass die Erde ein dynamischer und aktiver Ort ist, der plötzliche Verwandlungen erfuhr. Wir haben allen Grund anzunehmen, dass rasche Klimaveränderungen dieser Art die Norm auf Planeten sind und nicht die Ausnahme.

Quelle

(THK)

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