Eiszeitalter: Verwitternde Steine kühlten die Erde

Verwitternde Steine kühlten die Erde

Juli 2019

Von:  Peter Rüegg

Vor 15 Millionen Jahren setzte eine langanhaltende Abkühlung des Erdklimas ein, die in ein Eiszeitalter mündete. Ein Forscherteam findet nun neue Hinweise darauf, was diese Abkühlung eingeleitet und angetrieben hat.

Die Verwitterung von Gestein – im Bild Granitblöcke im Dartmoor Nationalpark (GB) – entfernt CO2 aus der Atmosphäre. (Bild: Colourbox)

Vor 15 Millionen Jahren begann sich das Erdklima langsam und kontinuierlich abzukühlen. Gleichzeitig wuchs der Antarktische Eisschild. Vor etwa 2,5 Millionen Jahren schliesslich überzog auch ein Eispanzer Grönland. Dies führte die Erde in ein Eiszeitalter, in dem wir uns nach wie vor befinden.

Weshalb es zu dieser globalen Abkühlung kam, darüber debattieren Geowissenschaftlerinnen und Geowissenschaftler seit Jahren. Die einen erklären es damit, dass sich vor 15 Millionen Jahren grosse Gebirge wie die Anden, der Himalaja und die Alpen anzuheben begannen und dass diese Gebirgszüge die Erosion sowie die Verwitterung von Gesteinen beschleunigten. Die geochemischen Verwitterungsprozesse entzogen der Atmosphäre mehr Kohlendioxid (CO2), als beispielsweise durch Vulkanausbrüche wieder zugeführt wurde. Dadurch wurde es auf der Erde immer kälter.

Konstante Verwitterung widerspricht Hypothese

Ein Team aus Forschern der ETH Zürich, der Stanford University und des Deutschen Geoforschungszentrums (GFZ) in Potsdam zeigt nun auf, dass diese Hypothese so nicht stimmen kann. Die entsprechende Studie ist soeben in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Jeremy Caves Rugenstein, Daniel Ibarra und Friedhelm von Blanckenburg fanden anhand eines Modells und von früher publizierten Messdaten heraus, dass die Verwitterung im fraglichen Zeitraum zwischen 15 Millionen Jahren und dem Beginn des Eiszeitalters vor 2,5 Millionen Jahren nicht wie zuvor angenommen zunahm, sondern konstant blieb.

Hingegen wurden in jener Zeit die Gesteine der Landoberfläche chemisch reaktiver. Mit der Zunahme der Reaktivität lässt sich laut den Wissenschaftlern eine kontinuierliche, aber entscheidende CO2-Abnahme in der Atmosphäre und damit eine globale Abkühlung erklären.

Mit Reaktivität bezeichnen Chemiker, wie reaktionsfreudig chemische Verbindungen oder Elemente sind, also wie schnell sie sich einen Reaktionspartner schnappen und mit diesem chemisch reagieren.

Reaktivität der Landoberfläche: Wenn im Boden mehr unverwitterte Mineralien vorhanden sind (rechts), können diese mit wenig CO2 effizienter chemisch reagieren als Mineralien in stark verwitterten Böden mit viel CO2. Grafik: F. von Blanckenburg/GFZ

Dies gilt auch bei der Verwitterung von Gesteinen. Reaktionsfreudige Mineralien aus den Gesteinen reagieren ziemlich leicht mit Kohlensäure. Diese entsteht, wenn sich CO2 aus der Luft in Regenwasser löst. Kohlensäure verbindet sich dann mit Ionen wie Magnesium oder Kalzium, was der Atmosphäre das Treibhausgas entzieht.

Effizientere Verwitterung

Tatsächlich sprechen die Ergebnisse des Modells dafür, dass die Landoberfläche reaktiver wurde. Die Wissenschaftler erklären dies mit unverwittertem chemisch reaktivem Gesteinsmaterial, das in dieser Zeit durch geologische Prozesse an die Oberfläche gelangte. Solches Material benötigt im Vergleich zu bereits stark verwittertem Material weniger CO2 um zu reagieren. Dennoch kann dies dazu führen, dass über eine lange Zeit der Atmosphäre beträchtliche Mengen CO2 entzogen werden.

Die Gebirgsbildungs-Hypothese hingegen geht davon aus, dass die Erosion und damit die Verwitterung stark zugenommen haben muss. Doch hätte die Atmosphäre tatsächlich so viel CO2 verloren wie aufgrund der Zunahme der Verwitterung zu erwarten wäre, dann wäre nur sehr wenig CO2 übrig geblieben. «Ein solcher Prozess hätte unseren Planeten in einen eisigen unwirtlichen Ort verwandelt», sagt Jeremy Caves Rugenstein, Studienerstautor und ehemaliger ETH-Fellow am Geologischen Institut der ETH Zürich. Aber das sei in den letzten 15 Millionen Jahren eindeutig nicht der Fall gewesen. «Der Rückgang des CO2 in der Atmosphäre lässt sich also auch ohne eine Zunahme der Verwitterung erklären», betont er.

Damit die Landoberfläche reaktiver werde, brauche es aber geologische Prozesse, welche die Oberfläche der Erde erneuere, erklärt Mitautor Friedhelm von Blanckenburg, Professor am GFZ in Potsdam. Ein solcher Prozess könne, müsse aber nicht zwingend die Entstehung grosser Gebirge sein. Ebenso könnten tektonische Brüche, eine geringe Zunahme der Erosion oder die Freilegung anderer Gesteinsarten dafür gesorgt haben, dass mehr verwitterungsfähiges Material an die Oberfläche trat. «Unsere neue Hypothese sollte auf jeden Fall ein Umdenken in Bezug auf die Abkühlung vor der letzten Eiszeit auslösen», findet von Blanckenburg.

Isotope erzählen andere Geschichte

Zweifel an der Hypothese äusserten von Blanckenburg und dessen Kollegin Jane Willenbring schon 2010. Sie zeigten damals mittels Messungen des durch kosmische Strahlung erzeugten Isoptops Beryllium-10 und seinem Verhältnis zum stabilen Isotop Beryllium-9 aus Ozeansedimenten, dass die Verwitterungsmenge der Landoberfläche im fraglichen Zeitraum nicht zugenommen hatte.

Die soeben veröffentlichte Studie bringt die ursprüngliche Hypothese noch stärker ins Wanken. Die drei Forscher nutzten als Indikator für Verwitterungsprozesse stabile Isotope des Elements Lithium, die in Ozeansedimenten vorliegen. Damit prüften sie, ob trotz konstanter Verwitterung die CO2-Menge in der Atmosphäre abgenommen haben könnte. Diese Daten flossen auch in das Computermodell des globalen Kohlenstoffzyklus mit ein.

Bodenbildung im chilenischen Küstengebirge: Der Boden ist bereits stark verwittert, aber die darin eingebetteten Granitblöcke sind nach wie vor chemisch reaktiv. (Bild: F. von Blanckenburg, GFZ)
Weitere Informationen und Bildquelle: https://ethz.ch
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