Kohlenstoff, Klimawandel und Ozeananoxie in einer eisbedeckten Welt

Eine neue Studie beschreibt eine Zeit des raschen globalen Klimawandels in einer eisbedeckten Welt, die der heutigen sehr ähnlich ist – allerdings vor 304 Millionen Jahren. Innerhalb von etwa 300 000 Jahren verdoppelte sich der atmosphärische Kohlendioxidgehalt, die Ozeane wurden anoxisch, und die biologische Vielfalt an Land und im Meer nahm ab.

„Es war eines der schnellsten Erwärmungsereignisse in der Erdgeschichte“, sagte Isabel Montañez, Professorin am Department of Earth and Planetary Sciences der University of California, Davis.

Obwohl in der Erdgeschichte mehrere andere „hyperthermische“ oder schnelle Erwärmungsereignisse bekannt sind, ist dies das erste, das in einem Eishausklima auf der Erde festgestellt wurde, als der Planet noch Eiskappen und Gletscher hatte, vergleichbar mit der heutigen Zeit. Es zeigt, dass ein Eishausklima möglicherweise empfindlicher auf Veränderungen des atmosphärischen Kohlendioxids reagiert als wärmere Bedingungen, wenn der CO2-Gehalt bereits höher ist. Die Arbeit wurde diese Woche (2. Mai) in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Das Labor von Montañez hat den Zeitraum von vor 300 Millionen bis 260 Millionen Jahren untersucht, als sich das Klima der Erde von einem eiszeitlichen Treibhaus zu einem heißen, eisfreien Treibhaus entwickelte. Im Jahr 2007 wiesen sie nach, dass das Klima in diesem Zeitraum mehrmals hin und her schwankte.

In jüngster Zeit ist es dem Team von Montañez und anderen gelungen, einen Übergang vor 304 Millionen Jahren, die kasimovianisch-zhelianische Grenze (KGB), zu bestimmen. Sie nutzten mehrere Proxies, darunter Kohlenstoffisotope und Spurenelemente aus Gesteinen und Pflanzenfossilien, sowie Modellierungen, um den atmosphärischen CO2-Gehalt zu dieser Zeit zu schätzen.

Die Forscher schätzen, dass kurz vor der K-G-Grenze etwa 9000 Gigatonnen Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt wurden.

„Wir kennen die Geschwindigkeit nicht, aber es war eine der schnellsten in der Erdgeschichte“, sagte Montañez. Dadurch verdoppelte sich der atmosphärische CO2-Gehalt von etwa 350 Teilen pro Million, vergleichbar mit dem heutigen vorindustriellen Niveau, auf etwa 700 ppm.

Tote Zonen im tiefen Ozean

Eine der Folgen der globalen Erwärmung ist die marine Anoxie, d. h. der Rückgang des gelösten Sauerstoffs im Ozean. Durch das Abschmelzen der Eiskappen gelangt Süßwasser an die Meeresoberfläche, wodurch eine Barriere für die Tiefenwasserzirkulation entsteht und die Sauerstoffzufuhr unterbrochen wird. Ohne Sauerstoff stirbt das Meeresleben.

Der Sauerstoffmangel hinterlässt seine Spuren in den Uranisotopen, die sich in den Gesteinen am Meeresgrund bilden. Durch die Messung von Uranisotopen in Karbonatgestein im heutigen China konnten die Forscher einen Anhaltspunkt für die Menge an Sauerstoff – oder den Mangel daran – im Ozean erhalten, als diese Gesteine abgelagert wurden.

Sie schätzen, dass etwa 23 Prozent des Meeresbodens weltweit zu anoxischen toten Zonen wurden. Dies deckt sich mit anderen Studien, die große Verluste der Artenvielfalt an Land und im Meer zur gleichen Zeit zeigen.

Die Auswirkung der Kohlenstofffreisetzung auf die Anoxie der Ozeane war deutlich größer als in anderen Studien über die schnelle Erwärmung unter „Treibhausbedingungen“. Das mag daran liegen, dass der Ausgangswert des atmosphärischen CO2 bereits viel höher war.

„Wenn man den CO2-Gehalt in einem Gewächshaus um die gleiche Menge erhöht, hat das keine großen Auswirkungen, aber Eishäuser scheinen viel empfindlicher auf Veränderungen und Meeresanoxie zu reagieren“, so Montañez.

Die massive Freisetzung von Kohlenstoff könnte durch Vulkanausbrüche ausgelöst worden sein, die sich durch kohlenstoffhaltige Schichten gegraben haben, so Montañez. Die Eruptionen hätten auch Brände ausgelöst, und die Erwärmung könnte den Permafrost aufgetaut haben, was zur Freisetzung von mehr organischem Kohlenstoff führte.

Montañez ist zusammen mit Jitao Chen, ehemals Postdoktorand an der UC Davis und jetzt am Nanjing Institute of Geology and Palaeontology in China, und Xiang-dong Wang von der Universität Nanjing in China Mitautor der Studie. Weitere Co-Autoren sind: Shuang Zhang, Texas A&M University; Terry Isson, Sofia Rauzi und Kierstin Daviau, University of Waikato, Neuseeland; Le Yao, Yu-ping Qi und Yue Wang, Nanjing Institute of Geology and Palaeontology; Sophia Macarewich und Christopher Poulsen, University of Michigan, Ann Arbor; Noah Planavsky, Yale University; Feifei Zhang, Jun-xuan Fan und Shu-zhong Shen, Nanjing University; und Ariel Anbar, Arizona State University.

Die Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der U.S. National Science Foundation unterstützt.

Datum: Mai 2, 2022
Quelle: Universität von Kalifornien – Davis


Journal Reference:

  1. Jitao Chen, Isabel P. Montañez, Shuang Zhang, Terry T. Isson, Sophia I. Macarewich, Noah J. Planavsky, Feifei Zhang, Sofia Rauzi, Kierstin Daviau, Le Yao, Yu-ping Qi, Yue Wang, Jun-xuan Fan, Christopher J. Poulsen, Ariel D. Anbar, Shu-zhong Shen, Xiang-dong Wang. Marine anoxia linked to abrupt global warming during Earth’s penultimate icehouseProceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (19) DOI: 10.1073/pnas.2115231119

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