Letzte Aktualisierung: 19. September 2024

Paläoklima der Erde und Kohlendioxid

Bildbeschreibung: Der Superkontinent Pangäa entstand vor etwa 335 Millionen Jahren. Es begann vor etwa 175 Millionen Jahren zu brechen, wodurch die heutigen Kontinente entstanden.
Das Paläoklima der Erde, also das Klima der Erde in der Vergangenheit, wird von einer komplexen Reihe astronomischer, geophysikalischer und atmosphärischer Faktoren beeinflusst. Diese langfristigen Klimaveränderungen werden durch mehrere Schlüsselelemente wie die Sonnenhelligkeit, Plattentektonik, glaziale und interglaziale Zyklen sowie die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration (CO2) bestimmt.

Verstehen Sie die Bedeutung von Treibhausgasen

Die Erde entstand vor 4,543 Milliarden Jahren und alle langfristigen Klimaveränderungen auf allen Zeitskalen sind mit Treibhausgasen verbunden. Das Verständnis der Klimaentwicklung aus dieser Sicht bietet einen tiefen Einblick in die Mechanismen, die das Klima der Erde auf geologischen Zeitskalen regulieren.

Treibhausgase in der Atmosphäre sind für den Großteil der einfallenden Sonnenstrahlung transparent, sodass Sonnenlicht die Erdoberfläche erwärmen kann. Da die Erde diese Energie jedoch aufgrund ihrer niedrigeren Temperatur in Form von Infrarotstrahlung wieder abgibt, wird diese Strahlung von diesen Treibhausgasen eingefangen.

Variation der Leuchtkraft der Sonne und der Treibhausgase

Die Leuchtkraft der Sonne spielt eine grundlegende Rolle im Energiehaushalt der Erde. Seit der Entstehung des Sonnensystems hat die Sonnenleuchtkraft schrittweise um 7 % pro Milliarde Jahre zugenommen.

Nach der Theorie von „Junge Sonne", wäre die Leuchtkraft der Sonne vor 4,6 Milliarden Jahren um etwa 30 % schwächer gewesen. Geologische Beweise zeigen jedoch, dass die frühe Erde flüssige Ozeane und eine Temperatur hatte, die hoch genug war, um die Existenz von Wasser in flüssiger Form zu ermöglichen. Dieser scheinbare Widerspruch zwischen geringer Sonnenhelligkeit und dem Vorhandensein von flüssigem Wasser wird als Paradoxon der jungen Sonne bezeichnet.

Daher waren andere Faktoren erforderlich, um die Auswirkungen einer jungen Sonne auszugleichen.
Zu diesen Faktoren zählen Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4). Eine der Hauptquellen für CO2 in der frühen Erdatmosphäre war vulkanische Aktivität.
Die junge Erde erlebte eine intensive tektonische Aktivität mit zahlreichen Vulkanausbrüchen. Bei diesen Ausbrüchen wurden große Mengen an Gasen freigesetzt, darunter Kohlendioxid, aber auch Wasser (H2O), Schwefeldioxid (SO2), Methan (CH4) und andere Gase.

Ohne einen ausreichenden Treibhauseffekt wäre die Erde ein gefrorener Planet gewesen. Das Vorhandensein hoher Treibhausgaskonzentrationen ermöglichte es, diese geringe Sonnenenergie durch eine Erhöhung des Wärmerückhalteeffekts auszugleichen. Dies verhinderte eine zu starke Abkühlung der Erde und ermöglichte ausreichende Temperaturen für flüssiges Wasser und frühe biologische Entwicklungen.

Plattentektonik und Treibhausgase

Die Gruppierung und Trennung der Kontinente folgt den sogenannten geologischen ZyklenSuperkontinent-Zyklen. Diese Zyklen beschreiben Zeiträume, in denen Kontinente zu einem einzigen Superkontinent zusammenkommen und sich infolgedessen wieder trennenPlattentektonik. Der vollständige Zyklus der Entstehung, also der Fragmentierung und Neubildung von Superkontinenten, verbunden mit der Öffnung und Schließung der Ozeane, dauert im Allgemeinen 300 bis 500 Millionen Jahre.
Beispiele:Rodinia(1,3 bis 0,9 Milliarden Jahre),Pannotia(600 Millionen Jahre),Pangäa(vor 335 bis 175 Millionen Jahren).

Im Laufe geologischer Zeitalter sind Kontinente verschoben, verschmolzen und fragmentiert worden, wodurch sich die Ozean- und Atmosphärenströmungen verändert haben, die die Wärme auf dem Planeten neu verteilen.

Als Kontinente hauptsächlich in äquatorialen Zonen lagen, insbesondere während geologischer Perioden wie derKarbonund diePerm(vor etwa 300 bis 250 Millionen Jahren) spielte Kohlendioxid (CO2) eine Schlüsselrolle für das Klima und die Regulierung der Erdtemperatur.

Wenn sich Kontinente in diesen Regionen konzentrieren, sind sie heißen und feuchten klimatischen Bedingungen ausgesetzt, die die Erosion, also den Prozess der chemischen Veränderung von Silikatgesteinen, begünstigen. Dieser chemische Prozess verbraucht CO2 aus der Atmosphäre. Tatsächlich reagieren Gesteine mit Kohlendioxid unter Bildung von Karbonaten, die sich in den Ozeanen ablagern und so den Kohlenstoff einfangen. Mit anderen Worten: Die chemische Verwitterung fungiert als natürlicher Kohlenstoffsenkenmechanismus und reguliert die CO2-Konzentration in der Atmosphäre und damit das globale Klima.

Umgekehrt sind Kontinente, die sich an den Polen befinden, aufgrund niedriger Temperaturen und geringer Sonneneinstrahlung anfälliger für Eisansammlungen.
Die hohe Albedo des Eises (die Fähigkeit, Sonnenlicht zu reflektieren) verstärkt diese Abkühlung und erzeugt eine positive Rückkopplungsschleife: Je mehr Eis vorhanden ist, desto mehr reflektiert die Erdoberfläche das Sonnenlicht, was die globale Abkühlung verstärkt.
Allerdings gibt es weiterhin Perioden hoher vulkanischer Aktivität, die CO2 freisetzen und so die globalen Temperaturen erhöhen. Da die Polarzonen sehr trocken sind, fallen kaum Niederschläge.
Wenn sich die chemische Verwitterung von Gesteinen aufgrund der Eisbedeckung verlangsamt oder ganz verschwindet, wird der langfristige Kohlenstoffkreislauf gestört.
Die chemische Verwitterung von Gesteinen ist einer der wirksamsten natürlichen Mechanismen zur Entfernung von CO2 aus der Atmosphäre und zur Regulierung der Konzentration dieses Treibhausgases. Ohne diesen Prozess wird atmosphärisches CO2 nicht mehr nennenswert verbraucht, sodass andere Prozesse wie Vulkanemissionen die CO2-Konzentration in der Atmosphäre weiter erhöhen können.

Eis- und Zwischeneiszeitalter und Treibhausgase

Glaziale und interglaziale Zyklen werden hauptsächlich bestimmt vonMilankovitch-Zyklen, die periodische Schwankungen der Erdumlaufbahn und der Neigung ihrer Achse beschreiben. Diese Zyklen umfassen drei Hauptparameter:
• Exzentrizität(Variationen der elliptischen Form der Erdumlaufbahn um die Sonne mit einer Periode von etwa 100.000 Jahren)
• Schrägheit(Variationen der Neigung der Erdachse relativ zu ihrer Umlaufbahnebene über einen Zyklus von 41.000 Jahren)
• Präzession(Änderung der Richtung der Erdrotationsachse, mit einem Zyklus von 23.000 Jahren)

Diese Schwankungen beeinflussen die Verteilung der Sonnenenergie, die die Erde in verschiedenen Breitengraden und Jahreszeiten empfängt, und begünstigen den Wechsel zwischen Eiszeiten (Ansammlung von Eis an den Polen) und Zwischeneiszeitzeiten (Schmelzen des Eises und mildere Temperaturen).

Die Reaktion des Klimas auf diese Umlaufzyklen wird jedoch durch Rückkopplungen wie Änderungen der Eisbedeckung und des CO2-Gehalts verstärkt.

In glazialen und interglazialen Zyklen folgt der CO2-Gehalt einer komplexen Dynamikpositives und negatives Feedback.

Während der Eiszeiten verringern niedrigere Temperaturen und die weit verbreitete Präsenz von Eisschilden die biologische Aktivität (Photosynthese) und kontinentale Erosionsprozesse. Weniger CO2 wird von der terrestrischen Biosphäre und den Ozeanen gebunden. Die durch die Milankovitch-Zyklen verursachte Reduzierung des Sonnenlichts führt zu einer Abkühlung. Diese Abkühlung führt zu einem Anstieg der CO2-Aufnahme durch die Ozeane, wodurch die CO2-Konzentration in der Atmosphäre abnimmt und die Abkühlung verstärkt wird.

Andererseits führt die Zunahme der Sonneneinstrahlung in bestimmten Regionen während der Zwischeneiszeit zu einer Erwärmung, die eine CO2-Entgasung durch die Ozeane auslöst. Der Anstieg des atmosphärischen CO2 verstärkt den Treibhauseffekt und verstärkt die anfängliche Erwärmung.

Bedeutung von Kohlendioxid

CO2 hat über geologische Zeitalter hinweg eine grundlegende Rolle dabei gespielt, Temperaturen aufrechtzuerhalten, die mit dem Leben auf der Erde vereinbar sind. Dank seiner Wechselwirkungen mit geophysikalischen und biologischen Prozessen hat es dem Planeten ermöglicht, sich an interne (Tektonik, Vulkane) und externe (Sonnenentwicklung, Umlaufzyklen) Schwankungen anzupassen. Dieses über Milliarden von Jahren bestehende Gleichgewicht zeigt, inwieweit CO2 ein zentraler Regulator des Erdklimas ist, eine Rolle, die es weiterhin spielt, auch wenn seine derzeitige Störung durch menschliche Aktivitäten eine große Herausforderung für die Menschheit darstellt.