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Vulkangestein hat die Erde zum „Schneeball“ gemacht
Erst Lava, dann Eis: Vor rund 717 Millionen Jahren ergossen sich gewaltige Mengen Basalt über den Norden des heutigen Kanada. Kurz darauf begann eine globale Kältephase. Eine Modellstudie zeigt nun, unter welchen Bedingungen die Verwitterung dieses Vulkangesteins der Atmosphäre genug Kohlendioxid entziehen konnte, um die Erde weitgehend vereisen zu lassen. Entscheidend war dabei das Zusammenspiel mehrerer Faktoren.
Cambridge (U.S.A.). Vor etwa 717 Millionen Jahren begann die Sturtische Eiszeit, während der Gletscher bis in äquatornahe Regionen vordrangen. Was die Erde damals in einen derart extremen Kältezustand kippte, ist bis heute umstritten. Auffällig ist aber, dass die Vereisung zeitlich nahezu mit gewaltigen Ausbrüchen einer Vulkanprovinz zusammenfiel.
Die Franklin-Vulkanprovinz erstreckte sich über weite Teile des heutigen nördlichen Kanada und hinterließ große Mengen basaltischen Gesteins. Schon länger wird diskutiert, ob ihre Ausbrüche die Erde durch kühlende Schwefelaerosole in eine Eiszeit stießen. Doch die Vulkane könnten auch auf einem langsameren Weg gewirkt haben: durch die anschließende Verwitterung ihrer Lava.
Forscher der Harvard University um Charlotte Minsky haben nun modelliert, ob die Verwitterung der Franklin-Basalte einen ausreichenden Klimaschub auslösen konnte. Dazu untersuchten sie, wie ein zusätzlicher Entzug von Kohlendioxid durch frisches Silikatgestein mit den damaligen Klimabedingungen und der fortschreitenden Abtragung des Gesteins zusammenwirkt.
Bei der chemischen Verwitterung von Silikatgestein wird langfristig Kohlendioxid aus der Atmosphäre gebunden. Dieser Prozess schwächt den Treibhauseffekt und kann das Klima abkühlen. Frische Basalte aus großen Vulkanausbrüchen bieten dafür besonders viel reaktionsfähiges Material, vor allem wenn sie großflächig freiliegen und ständig weiter abgetragen werden.
Die Modellsimulationen zeigen: Eine solche verstärkte Verwitterung könnte die Sturtische Vereisung tatsächlich ausgelöst haben. Das funktioniert allerdings nur unter bestimmten Voraussetzungen. Das Klima musste schon vorher relativ kühl gewesen sein, und die chemische Verwitterung sowie die Erosion mussten über eine große Fläche schnell genug ablaufen.
Hinzu kommt eine weitere Bedingung. Normalerweise nimmt die Silikatverwitterung bei sinkenden Temperaturen ab und bremst damit eine weitere Abkühlung. Im Modell durfte diese Gegenreaktion nicht zu stark sein. Nur dann konnte der anhaltende Kohlendioxidentzug das Klima über eine Schwelle treiben, jenseits derer sich Eisflächen immer weiter ausbreiten.
Doch wenn verwitternde Basalte einen solchen Kälteschub verursachen können, warum ist die Erde nicht nach jedem großen Vulkanausbruch zum Schneeball geworden? Auch dieser Frage ging das Team mit seinen Modellrechnungen nach. Dabei zeigte sich, wie stark die Ausgangsbedingungen darüber entscheiden, ob ein zusätzlicher Kohlendioxidentzug ausreicht.
In älteren Phasen der Erdgeschichte könnte ein höherer Kohlendioxidgehalt das Klima gegenüber Änderungen der Verwitterung widerstandsfähiger gemacht haben. In den jüngeren rund 540 Millionen Jahren wiederum könnten höhere Ausgangstemperaturen eine vollständige Vereisung verhindert haben. Zudem könnten geringere Erosionsraten, etwa durch flacheres Gelände oder eine Pflanzendecke, den Nachschub an frischem Gestein gebremst haben.
Damit liefert die Studie eine mögliche Erklärung dafür, warum große Vulkanprovinzen sehr unterschiedliche Klimafolgen hatten. Entscheidend wäre demnach nicht allein die Menge des ausgetretenen Basalts, sondern auch, wie schnell er verwittert, welche Landschaft ihn umgibt und in welchem Klimazustand sich die Erde bereits befindet.