Eine neue Klimasimulation der NASA deutet darauf hin, dass extrem starke vulkanische Eruptionen, sogenannte Flutbasalt-Eruptionen, das Klima der Erde dramatisch erwärmen und die Ozonschicht zerstören könnten, die das Leben vor der ultravioletten Strahlung der Sonne schützt.
Das Ergebnis widerspricht früheren Studien, die dafür sprachen, dass diese Vulkane das Klima abkühlen. Es lässt auch darauf schließen, dass ausgedehnte Flutbasalt-Eruptionen auf dem Mars und auf der Venus zwar bei der Erwärmung ihres Klimas geholfen, aber auch die langfristige Bewohnbarkeit dieser Welten durch einen Beitrag zum Wasserverlust besiegelt haben könnten.
Im Gegensatz zu kurzen, explosiven Vulkanausbrüchen wie des Pinatubo oder des Hunga Tonga-Hunga Ha’apai im Januar 2022, die nur Stunden oder Tage dauern, sind Flutbasalte Regionen, die eine Reihe eruptiver Perioden erfahren, welche möglicherweise Jahrhunderte andauern und im Abstand von Hunderttausenden Jahren stattfinden, manchmal sogar länger. Manche fanden zur Zeit von Massenaussterben statt und viele stehen in Zusammenhang mit extremen Warmperioden in der Erdgeschichte. Sie scheinen auch auf anderen terrestrischen Welten in unserem Sonnensystem vorzukommen, beispielsweise auf dem Mars und auf der Venus.
“Wir erwarteten in unseren Simulationen eine starke Abkühlung”, sagte Scott Guzewich vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland). “Wir stellten jedoch fest, dass eine kurze Abkühlungsperiode von einem Erwärmungseffekt überwältigt wurde.” Guzewich ist der Hauptautor einer Studie zu dieser Forschungsarbeit, die am 1. Februar 2022 in den Geophysical Research Letters veröffentlicht wurde.
“Obwohl der Ozonverlust keine Überraschung war, zeigten die Simulationen, dass die potenzielle Größenordnung der Zerstörung eine Reduzierung der globalen Durchschnittswerte um zwei Drittel betrug. Das entspricht ungefähr einer Verdünnung der Ozonschicht auf das Niveau eines starken Ozonlochs über der Antarktis für den gesamten Planeten”, sagte Guzewich.
Die Forscher nutzten das Goddard Earth Observing System Chemistry-Climate Model, um eine vierjährige Eruptionsphase des Columbia River Basalt zu simulieren, die vor 15-17 Millionen Jahren im pazifischen Nordwesten der Vereinigten Staaten stattfand. Das Modell berechnete die Auswirkungen der Eruption auf die Troposphäre, die turbulente unterste Schicht der Atmosphäre mit dem meisten Wasserdampf und Wetterphänomenen, sowie auf die Stratosphäre, die hauptsächlich trockene und ruhige anschließende Atmosphärenschicht. Die Eruptionen des Columbia River Basalt waren wahrscheinlich eine Kombination aus explosiven Ereignissen, die Material hoch in die obere Troposphäre und die untere Stratosphäre (13-17 Kilometer Höhe) schleuderten, sowie effusiven Eruptionen, die sich nicht höher erstreckten als etwa drei Kilometer.
Die Simulation setzte voraus, dass explosive Ereignisse viermal pro Jahr stattfanden und etwa 80 Prozent des Schwefeldioxidgases der Eruption freisetzten. Die Forscher stellten fest, dass es zwei Jahre lang global zu einer Abkühlung kam, bevor die Erwärmung den Abkühlungseffekt überwältigte. “Die Erwärmung dauerte circa 15 Jahre (die letzten beiden Jahre der Eruption plus die folgenden ungefähr 13 Jahre)”, sagte Guzewich.
Die neue Simulation ist die umfassendste, die bislang für Flutbasalte durchgeführt wurde und berücksichtigt die Effekte der atmosphärischen Zusammensetzung und die Klimadynamiken aufeinander, was einen wichtigen Feedback-Mechanismus offenbarte, der von früheren Simulationen übersehen wurde.
“Eruptionen wie die von uns simulierte würden gewaltige Mengen Schwefeldioxidgas ausstoßen”, sagte Guzewich. “Die chemischen Prozesse in der Atmosphäre wandeln diese Gasmoleküle schnell in feste Sulfataerosole um. Diese Aerosole reflektieren sichtbares Sonnenlicht, was den anfänglichen Abkühlungseffekt verursacht. Aber sie absorbieren auch Infrarotstrahlung, was die Atmosphäre über der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre erwärmt. Die Erwärmung dieser Atmosphärenregion ermöglicht, dass Wasserdampf (der normalerweise auf den oberflächennahen Bereich begrenzt ist) in die Stratosphäre gelangt, die normalerweise sehr trocken ist. Wir sehen einen Anstieg des stratosphärischen Wasserdampfs um 10.000 Prozent. Wasserdampf ist ein sehr effektives Treibhausgas und emittiert Infrarotstrahlung, die die Planetenoberfläche erwärmt.”
Video-Link: https://youtu.be/rQJjaH3iyrM
Der vorhergesagte Aufstieg des Wasserdampfs in die Stratosphäre hilft auch dabei, die Größenordnung der Ozonschichtverdünnung zu erklären. “Die Verdünnung der Ozonschicht passiert auf verschiedene Weisen”, sagte Guzewich. “Nach der Eruption verändert sich die Zirkulation der Stratosphäre derart, dass die sie Ozonbildung vermindert. Außerdem begünstigt all das Wasser in der Stratosphäre auch die Zerstörung des Ozons durch Hydroxyl-Radikale (OH).
Flutbasalte setzen zudem Kohlenstoffdioxid frei, ebenfalls ein Treibhausgas, aber sie scheinen nicht genug zu emittieren, um die mit manchen Eruptionen zusammenhängende Erwärmung zu verursachen. Die zusätzliche Aufheizung durch den stratosphärischen Wasserdampf könnte eine Erklärung sein.
Obwohl der Mars und die Venus in der fernen Vergangenheit Wasserozeane besessen haben könnten, sind beide momentan sehr trocken. Wissenschaftler untersuchen, wie diese Welten den Großteil ihres Wassers verloren und für Leben unbewohnbar wurden. Wenn der von der Simulation vorhergesagte Aufstieg von Wasserdampf in die obere Atmosphäre realistisch ist, könnte ein ausgedehnter Flutbasaltvulkanismus zu ihrem trockenen Schicksal beigetragen haben. Wenn Wasserdampf hoch in die Atmosphäre geschleudert wird, wird er anfällig für die Aufspaltung durch Sonnenlicht, und die leichten Wasserstoffatome aus den Wassermolekülen können in den Weltraum entweichen (Wasser besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom). Wann der Prozess über längere Zeiträume anhält, könnten dadurch die Ozeane versiegen.
Die Studie wurde von der Goddard Sellers Exoplanet Environments Collaboration und dem Center for Research and Exploration in Space Science and Technology der NASA unterstützt; NASA Cooperative Agreement Award #80GSFC17M0002.
(THK)
Antworten