Der Paläozän-Eozän-Übergang: Als sich das Erdklima plötzlich änderte

Eine beispiellose planetare Erwärmung

Vor 56 Millionen Jahren erlebte die Erde einen ihrer größten Klimaschocks. Das Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum (PETM) ließ die globalen Temperaturen innerhalb von weniger als 20.000 Jahren um 5 bis 8 °C ansteigen. Diese Erwärmung, die auf geologischer Skala extrem schnell war, veränderte die Kohlenstoffkreisläufe, die Meeresströmungen und die Biodiversität grundlegend. Die Meeressedimente dieser Zeit bezeugen eine massive Versauerung der Ozeane, die das Leben für Organismen mit Kalkschalen, wie die Foraminiferen (einzellige Meeresorganismen, deren Schale ein ausgezeichneter Klimaindikator ist), erschwerte.

Die Ursachen des Klimaumschwungs

Die genaue Ursache des PETM ist noch umstritten, aber das am meisten akzeptierte Szenario beinhaltet eine plötzliche und massive Freisetzung von Kohlenstoff in das Erdsystem. Mehrere Ursprünge werden in Betracht gezogen:

• Der Vulkanismus der magmatischen Provinz des Nordatlantiks: Die Öffnung des Atlantischen Ozeans verursachte gewaltige Vulkanausbrüche, die riesige Kohle- und Ölschiefervorkommen verbrannten und so phänomenale Mengen an \(CO_2\) und Methan freisetzten.
• Das Schmelzen von Methanhydraten: Die anfängliche Erwärmung, möglicherweise vulkanischen Ursprungs, könnte die Methanhydrate (feste Verbindungen aus Wasser und Methan, stabil bei hohem Druck und niedriger Temperatur) in den Meeresbodensedimenten destabilisiert haben, wodurch wiederum dieses starke Treibhausgas freigesetzt wurde.
• Das Auftauen des Permafrosts: Die Erwärmung könnte auch riesige Gebiete von Permafrost (permanent gefrorener Boden) aufgetaut haben, wodurch über Jahrtausende eingeschlossenes Methan und \(CO_2\) freigesetzt wurden.

Die biologischen und ökologischen Folgen

Die Auswirkungen des PETM waren für viele Arten katastrophal, aber auch eine Kraft der Selektion und Diversifizierung für andere.

In den Ozeanen

Die massive Aufnahme von \(CO_2\) durch die Ozeane verursachte eine beispiellose Versauerung, die die Schalen der planktischen Organismen auflöste. Benthische Foraminiferen, die in den Sedimenten leben, erlitten ein Massenaussterben mit Absterberaten von bis zu 50 %. Dieses Verschwinden wurde von einer Anoxie (Sauerstoffmangel) in den Tiefengewässern begleitet, die ausgedehnte "Todeszonen" schuf.

Auf den Kontinenten

An Land ermöglichte die Erwärmung den Säugetieren die Migration in höhere Breiten. In dieser Zeit tauchten die ersten Primaten und Huftiere in Europa und Nordamerika auf. Ein Phänomen des Zwergwuchses wurde auch bei einigen Säugetieren beobachtet, bei denen die Körpergröße als Reaktion auf Hitzestress und geringere Nährstoffverfügbarkeit abnahm.

Das PETM: eine Warnung für die Zukunft

Die Untersuchung des PETM ist entscheidend, da es das beste geologische Analogon für den heutigen Klimawandel darstellt. Die damals beobachteten Folgen (Ozeanversauerung, Massenaussterben, Zerrüttung der Ökosysteme) geben uns einen Einblick, wie eine um mehrere Grad wärmere Welt aussehen könnte. Aber dieses Analogon hat seine Grenzen, wie das folgende Kapitel zeigt.

Eine Lektion über Klimaschwellen

Das PETM zeigte, dass das Erdsystem abrupt von einem Klimazustand in einen anderen kippen kann, sobald eine bestimmte Erwärmungsschwelle überschritten ist. Die jüngsten Schätzungen beziffern die während der Anfangsphase des PETM akkumulierte Kohlenstoffmenge auf 2500 bis 4500 Gigatonnen, eine Größenordnung, die unsere fossilen Brennstoffreserven in den kommenden Jahrhunderten erreichen oder überschreiten könnten. Das Verständnis dieser Schwelle ist entscheidend, um Kipppunkte im Klimasystem vorherzusehen, wie das Auftauen von Permafrost oder das Abschmelzen der Eisschilde.

Eine beispiellose Emissionsrate: das PETM im Vergleich zur heutigen Erwärmung

Obwohl das PETM das beste natürliche Analogon für den modernen Klimawandel bleibt, ist eine wichtige Nuance anzubringen: Die Rate, mit der heute Kohlenstoff freigesetzt wird, ist mit der des PETM nicht vergleichbar. Eine Referenzstudie von Richard Zeebe, Andy Ridgwell und James Zachos, die 2016 in Nature Geoscience veröffentlicht wurde, rekonstruierte die Geschwindigkeit der Kohlenstofffreisetzung zu Beginn des PETM anhand von Sedimenten des New Jersey-Festlandsockels. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die anfängliche Kohlenstoffinjektion mindestens 4000 Jahre dauerte, mit einer maximalen anhaltenden Rate von weniger als etwa 1,1 Gigatonnen Kohlenstoff pro Jahr.

Eine heute zehnmal schnellere Rate

Die menschlichen Kohlenstoffemissionen erreichten jedoch Mitte der 2010er Jahre etwa 10 Gigatonnen pro Jahr und steigen weiter an. Mit anderen Worten: Die Menschheit setzt heute Kohlenstoff etwa zehnmal schneller in die Atmosphäre frei als während der intensivsten Erwärmungsepisode der letzten 66 Millionen Jahre. Die Autoren der Studie sprechen von einem "ohne Analogon" (no-analogue state): Kein Ereignis im geologischen Archiv erlaubt es, mit Sicherheit vorherzusagen, wie das Klimasystem auf eine so schnelle Störung reagieren wird. Dieser Geschwindigkeitsunterschied ist entscheidend, denn ein abrupt angetriebenes System kann schroffer und weniger vorhersehbar reagieren als ein System, das einer langsamen Störung ausgesetzt ist, selbst wenn die Gesamtmenge des beteiligten Kohlenstoffs in der gleichen Größenordnung liegt.

Die Rückkehr zum Gleichgewicht: die langsame Heilung des Erdsystems

Eine weitere wertvolle Lektion aus dem PETM: Die Schnelligkeit, mit der überschüssiger Kohlenstoff in das Klimasystem injiziert werden kann, steht in starkem Kontrast zur Langsamkeit seiner Beseitigung. Nach Erreichen des Erwärmungsgipfels brauchte das Erdklima etwa 150.000 bis 200.000 Jahre, um wieder Bedingungen nahe denen vor dem PETM zu erreichen. Diese Erholung erfolgte hauptsächlich durch die Verwitterung der kontinentalen Silikate, einen langsamen geochemischen Prozess, der atmosphärisches \(CO_2\) über Hunderttausende von Jahren verbraucht, sowie durch die allmähliche Einbettung von organischem Kohlenstoff in Meeressedimenten.

Die langsame Erholung der Ozeane

Ozeanische Bohrkernproben zeigen auch, dass nach dem Versauerungshöhepunkt die Karbonatkompensationstiefe (die Grenze, unterhalb derer Kalkschalen im Ozean aufgelöst werden) eine vorübergehende Überschreitung erlebte, bevor sie sich allmählich stabilisierte, ein Zeichen dafür, dass die Ozeanchemie sehr lange brauchte, um ein stabiles Gleichgewicht wiederzuerlangen. Diese Diskrepanz zwischen der Geschwindigkeit der Störung (einige Jahrtausende) und der der Erholung (mehrere Hunderttausend Jahre) ist eine der wichtigsten Botschaften, die das PETM in die Gegenwart sendet: Die heutigen Kohlenstoffemissionen würden, selbst wenn sie schnell gestoppt würden, das Erdklima auf Zeitskalen festlegen, die die menschlicher Gesellschaften bei weitem übersteigen.

Die Schlüsselfiguren der Entdeckung

Das Verständnis des PETM ist das Ergebnis der Arbeit zahlreicher Paläoklimatologen und Geochemiker. Darunter James Zachos von der University of California in Santa Cruz, dessen Arbeiten über Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope grundlegend für die Quantifizierung des Ausmaßes der Erwärmung und Versauerung waren. Philip Gingerich (geb. 1946) von der University of Michigan erbrachte wichtige Beweise für die Migration und Evolution der Säugetiere während dieses Ereignisses. In jüngerer Zeit hat Richard Zeebe von der University of Hawaii at Mānoa den beispiellosen Charakter der heutigen Kohlenstoffemissionsrate im Vergleich zum PETM hervorgehoben.