Bildnachweis: Stanford
Wenn eine Zeitmaschine uns 4,6 Milliarden Jahre bis zur Geburt der Erde zurückbringen könnte, würden wir sehen, dass unsere Sonne 20 bis 25 Prozent weniger hell scheint als heute. Ohne ein irdisches Gewächshaus, das die Energie der Sonne einfängt und die Atmosphäre erwärmt, wäre unsere Welt ein sich drehender Eisball. Das Leben hat sich vielleicht nie entwickelt.
Aber das Leben hat sich weiterentwickelt, also müssen Treibhausgase da gewesen sein, um die Erde zu erwärmen. Aus den geologischen Aufzeichnungen geht hervor, dass das Treibhausgas Kohlendioxid im Überfluss vorhanden ist. Wahrscheinlich war auch Methan vorhanden, aber dieses Treibhausgas hinterlässt nicht genug geologischen Fußabdruck, um mit Sicherheit nachgewiesen zu werden. Molekularer Sauerstoff war nicht vorhanden, deuten auf Gesteine aus dieser Zeit hin, die Eisencarbonat anstelle von Eisenoxid enthalten. Steinfingerabdrücke von fließenden Strömen, flüssigen Ozeanen und Mineralien, die durch Verdunstung entstanden sind, bestätigen, dass die Erde vor 3 Milliarden Jahren warm genug für flüssiges Wasser war.
Die geologische Aufzeichnung einiger der ältesten Felsen der Erde erzählt nun eine überraschende Geschichte über den Zusammenbruch dieses Gewächshauses - und seine anschließende Regeneration. Noch überraschender, sagen die Stanford-Wissenschaftler, die diese Ergebnisse in der Ausgabe der Zeitschrift Geology vom 25. Mai berichten, ist die entscheidende Rolle, die Gesteine bei der Entwicklung der frühen Atmosphäre spielten.
"Dies ist wirklich das erste Mal, dass wir versuchen, ein Bild davon zu erstellen, wie die frühe Atmosphäre, das frühe Klima und die frühe kontinentale Evolution Hand in Hand gingen", sagte Donald R. Lowe, Professor für Geologie und Umweltwissenschaften Papier mit Michael M. Tice, einem Doktoranden, der das frühe Leben untersucht. Das Exobiologie-Programm der NASA finanzierte ihre Arbeit. "In der geologischen Vergangenheit wurden Klima und Atmosphäre stark von der Entwicklung der Kontinente beeinflusst."
Der Rekord in den Felsen
Um geologische Hinweise darauf zu erhalten, wie die frühe Atmosphäre war und wie sie sich entwickelte, hat Lowe, ein Feldgeologe, seit 1977 praktisch jeden Sommer in Südafrika oder Westaustralien verbracht, um Steine zu sammeln, die buchstäblich älter als die Hügel sind. Einige der ältesten Gesteine der Erde sind etwa 3,2 bis 3,5 Milliarden Jahre alt.
"Je weiter Sie zurückgehen, desto schwieriger ist es im Allgemeinen, eine originalgetreue Aufzeichnung zu finden, Steine, die nicht verdreht und gequetscht und verwandelt und auf andere Weise verändert wurden", sagt Lowe. "Wir blicken so weit zurück, wie es die Sedimentaufzeichnung betrifft."
Nach dem Messen und Kartieren von Gesteinen bringt Lowe Proben nach Stanford zurück, um sie in Abschnitte zu schneiden, die so dünn sind, dass ihre Merkmale unter einem Mikroskop sichtbar werden. Mitarbeiter beteiligen sich an geochemischen und Isotopenanalysen und Computermodellen, die die Geschichte der Gesteine weiter aufdecken.
Die geologische Aufzeichnung erzählt eine Geschichte, in der Kontinente das Treibhausgas Kohlendioxid aus einer frühen Atmosphäre entfernt haben, die möglicherweise bis zu 70 Grad Celsius heiß war. Zu dieser Zeit war die Erde hauptsächlich Ozean. Es war zu heiß, um polare Eiskappen zu haben. Lowe vermutet, dass Regen in Kombination mit atmosphärischem Kohlendioxid zu Kohlensäure führte, die überstehende Berge neu gebildeter Kontinentalkruste überstand. Kohlensäure dissoziierte unter Bildung von Wasserstoffionen, die in die Strukturen verwitterter Mineralien gelangten, und Bicarbonat, das über Flüsse und Bäche transportiert wurde, um als Kalkstein und andere Mineralien in Ozeansedimenten abgelagert zu werden.
Im Laufe der Zeit wurden große ozeanische Krustenplatten in den Erdmantel gezogen oder abgezogen. Der Kohlenstoff, der in dieser Kruste eingeschlossen war, ging im Wesentlichen verloren und war etwa 60 Millionen Jahre lang gebunden, sodass die Mineralien wieder an die Oberfläche zurückgeführt oder durch Vulkane entgast wurden.
Die heiße frühe Atmosphäre enthielt wahrscheinlich auch Methan, sagt Lowe. Als die Kohlendioxidwerte aufgrund der Witterung sanken, wurden die Kohlendioxid- und Methanwerte irgendwann ungefähr gleich, vermutet er. Dies führte dazu, dass das Methan zu feinen Partikeln aerosolisierte und einen Dunst erzeugte, der dem ähnelt, der heute in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan vorhanden ist. Dieser „Titan-Effekt“ trat vor 2,7 bis 2,8 Milliarden Jahren auf der Erde auf.
Der Titan-Effekt entfernte Methan aus der Atmosphäre und der Dunst filterte das Licht heraus. beide verursachten eine weitere Abkühlung, möglicherweise einen Temperaturabfall von 40 bis 50 Grad Celsius. Vor ungefähr 3 Milliarden Jahren stürzte das Gewächshaus ein, wie Lowe und Tice theoretisieren, und die erste Vereisung der Erde könnte vor 2,9 Milliarden Jahren stattgefunden haben.
Der Aufstieg nach dem Fall
Hier enthüllen die Felsen eine merkwürdige Wendung in der Geschichte - eine eventuelle Regeneration des Gewächshauses. Denken Sie daran, dass die Erde vor 3 Milliarden Jahren im Wesentlichen eine Wasserwelt war. Es gab keine Pflanzen oder Tiere, die die Atmosphäre beeinträchtigten. Sogar Algen hatten sich noch nicht entwickelt. Primitive photosynthetische Mikroben waren vorhanden und könnten eine Rolle bei der Erzeugung von Methan und der geringen Verwendung von Kohlendioxid gespielt haben.
Solange die rasche Bewitterung des Kontinents anhielt, lagerte sich Karbonat auf der ozeanischen Kruste ab und wurde in einen von Lowe als „großer Speicher“ bezeichneten Raum geleitet, der den größten Teil des Kohlendioxids aus der Atmosphäre fernhielt.
Aber als Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt und in das Gestein eingearbeitet wurde, verlangsamte sich die Verwitterung - es gab weniger Kohlensäure, um Berge zu erodieren, und die Berge wurden niedriger. Aber Vulkane spuckten immer noch große Mengen Kohlenstoff aus recycelter ozeanischer Kruste in die Atmosphäre.
"Schließlich steigt der Kohlendioxidgehalt wieder an", sagt Lowe. "Es wird vielleicht nie wieder zu seinem vollen Glanz von 70 Grad Celsius zurückkehren, aber es ist wahrscheinlich gestiegen, um die Erde wieder warm zu machen."
In diesem Sommer werden Lowe und Tice Proben sammeln, mit denen sie die Temperatur dieses Zeitintervalls vor etwa 2,6 bis 2,7 Milliarden Jahren bestimmen können, um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, wie heiß die Erde wurde.
Neue Kontinente bildeten sich und verwitterten, wodurch wieder Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt wurde. Vor ungefähr 3 Milliarden Jahren hatten sich vielleicht 10 oder 15 Prozent der heutigen Erdfläche in der Kontinentalkruste gebildet. Vor 2,5 Milliarden Jahren hatte sich eine enorme Menge neuer Kontinentalkruste gebildet - etwa 50 bis 60 Prozent der heutigen Fläche der Kontinentalkruste. Während dieses zweiten Zyklus verursachte die Verwitterung der größeren Gesteinsmenge eine noch stärkere atmosphärische Abkühlung, was vor etwa 2,3 bis 2,4 Milliarden Jahren zu einer tiefgreifenden Vereisung führte.
In den letzten Millionen Jahren pendelten wir zwischen glazialen und interglazialen Epochen hin und her, sagt Lowe. Wir befinden uns gerade in einer interglazialen Phase. Es ist ein Übergang - und Wissenschaftler versuchen immer noch, das Ausmaß des globalen Klimawandels zu verstehen, der in der jüngeren Geschichte vom Menschen verursacht wurde, im Vergleich zu dem, der durch natürliche Prozesse im Laufe der Jahrhunderte verursacht wurde.
"Wir stören das System mit Raten, die weit über denen liegen, die die Klimaveränderungen in der Vergangenheit charakterisiert haben", sagte Lowe. "Dennoch haben praktisch alle Experimente, praktisch alle Variationen und alle Klimaveränderungen, die wir heute zu verstehen versuchen, schon einmal stattgefunden. Die meisten dieser Experimente hat die Natur bereits durchgeführt. Wenn wir das alte Klima, die atmosphärischen Zusammensetzungen und das Zusammenspiel von Kruste, Atmosphäre, Leben und Klima in der geologischen Vergangenheit analysieren können, können wir erste Schritte unternehmen, um zu verstehen, was heute passiert und was wahrscheinlich morgen passieren wird. “
Ursprüngliche Quelle: Stanford News Release
