// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Klimarückkopplungen erwärmten Eiszeit vor 304 Millionen Jahren stark
Klimatische Rückkopplung: Vor rund 304 Millionen Jahren erwärmte sich die Erde mitten in einer Eiszeitphase um etwa 7,5 Grad Celsius. Neue Isotopendaten und Klimamodelle deuten darauf hin, dass Vulkanismus und Änderungen der Erdbahn zunächst einen kleinen Schub auslösten. Danach könnten zusätzliche Kohlenstofffreisetzungen die Erwärmung stark verstärkt und die Meere in eine Krise gestürzt haben.
Nanjing (China). Extreme Wärmeschübe der Erdgeschichte sind meist aus Zeiten bekannt, in denen der Planet ohnehin ein warmes Treibhausklima besaß. Das erschwert den Vergleich mit der Gegenwart, denn trotz der aktuellen menschengemachten Erwärmung existieren heute weiterhin große Eisschilde. Eine neue Studie richtet den Blick deshalb auf die spätpaläozoische Eiszeit, eine frühere Eiszeitphase mit zeitweise ähnlich niedrigen Kohlendioxidwerten wie in jüngeren Erdzeitaltern.
Forscher des Nanjing Institute of Geology and Palaeontology (NIGPAS) um Le Yao haben nun einen ungewöhnlichen Wärmeschub vor etwa 304 Millionen Jahren rekonstruiert. Das Team bezeichnet ihn als Kasimovian-Gzhelian Thermal Maximum (KGTM). Für die Untersuchung kombinierten die Wissenschaftler geochemische Messungen an Fossilien und Gesteinen aus Südchina und dem südlichen Ural mit einer zeitlichen Einordnung der Sedimentfolgen und Simulationen des Erdsystems.
Im Zentrum standen Conodonten, kleine fossile Zahnelemente ausgestorbener Meerestiere. Die Forscher bestimmten mit Sekundärionen-Massenspektrometrie die Sauerstoffisotope in ihrem Apatit. Solche Isotopenverhältnisse reagieren auf die Temperatur des Meerwassers und können deshalb als Klimaarchiv dienen. Proben stammten aus den Profilen Naqing und Narao in Südchina sowie Usolka im südlichen Ural.
Die Daten zeigen zwei deutlich getrennte Erwärmungsphasen. In der ersten Phase stiegen die rekonstruierten Meeresoberflächentemperaturen in niedrigen Breiten um rund 2,0 Grad Celsius und blieben etwa 60.000 Jahre erhöht. Die anschließende Hauptphase war mit einem Anstieg um rund 3,5 Grad Celsius verbunden und dauerte ungefähr 35.000 Jahre.
Zusammen mit Klimasimulationen ergibt sich für das gesamte Ereignis eine Zunahme der globalen mittleren Oberflächentemperatur um etwa 7,5 plus oder minus 1 Grad Celsius. Gleichzeitig stieg die modellgestützte Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre von ungefähr 300 auf rund 700 ppm. Die Studie veranschlagt für den gesamten Wärmeschub einen Zeitraum von etwa 175.000 Jahren.
Wie aber begann die Erwärmung? Hinweise liefern Quecksilberisotope in den untersuchten Ablagerungen. Für die erste Phase sprechen die Signale für verstärkten lokalen bis regionalen Vulkanismus. Dieser könnte zunächst zusätzlichen Kohlenstoff freigesetzt und das Klima erwärmt haben.
Während der stärkeren Hauptphase fehlt dagegen ein entsprechendes Vulkansignal. Stattdessen passen die Temperatur- und Kohlenstoffschwankungen zu Maxima in den periodischen Änderungen der Erdbahn. Die Forscher folgern deshalb, dass Vulkanismus und eine günstige Konstellation der Erdbahn den ersten Impuls lieferten. Danach könnten positive Rückkopplungen des Klima-Kohlenstoff-Systems eine kritische Schwelle überschritten und wesentlich mehr Kohlenstoff mobilisiert haben.
Als möglicher zusätzlicher Kohlenstoffspeicher kommt gefrorener Boden in hohen Breiten infrage. Eine anfängliche Erwärmung könnte Permafrost aufgetaut und dadurch weitere Treibhausgase freigesetzt haben. Diese Erklärung ist jedoch eine Interpretation der geochemischen und modellgestützten Befunde. Die damalige Kohlenstoffquelle wurde nicht direkt gemessen.
Mit dem stärksten Wärmeschub verschlechterten sich auch die Bedingungen im Ozean. Die Quecksilberdaten sprechen für eine Ausbreitung euxinischer Verhältnisse bis in die lichtdurchflutete Wasserschicht, also sauerstofffreies und schwefelwasserstoffreiches Wasser in oberflächennahen Bereichen. Gleichzeitig wurden Conodonten kleiner und weniger vielfältig.