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Teil 1: Das Klima in der Frühzeit der Erde |
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Die ersten 4 Milliarden Jahre von Jürgen Vollmer |
| Vor rund 4,6 Milliarden Jahren kollabierte in einem der äußeren Arme unserer Milchstraße eine interstellare Gaswolke. Ihre Gravitationskraft führte in ihrem Zentrum zu einem raschen Zuwachs an Masse, sodass Druck und Hitze dort stetig zunahmen. Als die Temperatur 30 Millionen Grad erreicht hatte, kam es schließlich zur Zündung: Wasserstoff begann durch die sogenannte Kernfusion zu Helium zu "verbrennen", unsere Sonne war geboren, umgeben von einer weit ins All reichenden, rotierenden Scheibe aus Gasen und Staub. In dieser protoplanetaren Staubscheibe entstand wenig später aus einer von zahlreichen größeren und kleineren Verklumpungen unsere Erde ... |
 So klumpten einst Gase und kosmischer Staub zu unserem Sonnensystem zusammen. Bei den kleinen Kügelchen um den zentralen Feuerball der gerade zündenden Sonne handelt es sich um die ersten Protoplaneten, Zusammenballungen aus kosmischem Staub, die rasch zu Protoplaneten und schließlich zu Planeten heranwachsen sollten. Einer davon wurde zu unserer Erde. - Quelle: NASA |
| Vom Feuerball zur Schneeball-Erde |
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Die Erde ist etwa 4 ½ Milliarden Jahre alt. Nach ihrer Entstehung als glühender Gesteinsklumpen dauerte es eine halbe Milliarde Jahre, bis sie soweit abgekühlt war, dass sich durch die Kondensation von Wasserdampf das erste, flüssige Wasser auf ihrer erkaltenden Kruste sammeln konnte. Wasserdampf und Kohlendioxid (CO2) gelangten damals vor allem durch Vulkanausbrüche in die Luft. Auch weil beide starke Treibhausgase sind, herrschte in der Uratmosphäre große Hitze. Erst der zu Ozeanen ausregnende Wasserdampf wusch nach und nach auch immer größere Mengen CO2 aus der Luft, das in den nächsten hunderten von Millionen Jahren in den Meeren gelöst, auf deren Grund abgelagert oder durch Verwitterung zu Kalkgestein gebunden wurde. Due Erde war zur Wasserwelt geworden, darin bildeten sich die ersten Bakterien ... Vor 2 ½ Milliarden Jahren vermochten diese Bakterien erstmals mit Hilfe von Licht, Kohlendioxid und Wasser durch sogenannte "Photosynthese" große Mengen Sauerstoff zu erzeugen. Dieser reicherte sich in der Atmosphäre an, während die Treibhausgase Wasserdampf und Kohlendioxid immer mehr ausregneten bzw. ausgewaschen wurden. Ein weiteres von Mikroorganismen erzeugtes Treibhausgas, Methan, wurde vom Sauerstoff oxidiert und die methanbildenden Mikroben gingen unter dem Einfluss des für sie giftigen Sauerstoffgases zugrunde. Die Summe all dieser Faktoren löste einen dramatischen Temperatursturz aus und die sogenannte "Sauerstoffkatastrophe" leitete die erste Eiszeit der Erde ein. Während dieser Klimaepoche froren die Oberflächen der Meere wahrscheinlich vollständig zu und unser Planet verwandelte sich in eine sogenannte "Schneeball-Erde". Ursache der enormen Auskühlung war auch die gegenüber heute erheblich schwächere Sonne. Ihre Strahlungsintensität lag damals erst bei etwa 70 Prozent des heutigen Wertes, sodass die Auskühlung der Atmosphäre im Zusammenspiel mit dem schwindenden Treibhauseffekt rasch voranschreiten konnte. Die vorrückenden Gletscher reflektierten das Sonnenlicht zurück ins All, was den Gefrierprozess weiter beschleunigte, bis der gesamte Erdball unter einer mächtigen Eisschicht erstarrte. Es dauerte 300 Millionen Jahre bis Vulkane wieder so viel CO2 in die Atmosphäre gepustet hatten, dass der dadurch neu angekurbelte Treibhauseffekt das Eis wieder aufzutauen vermochte. |
 Rekonstruktion des mittleren Temperatur- und Niederschlagsverlaufs der Erde der letzten 3,8 Milliarden Jahre. E = Eiszeitalter, E (unterstrichen) = Eiszeitalter mit Eisbildung an den geographischen Polen, W = eisfreies Warmklima. Quelle: Public Domain |
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Der Schneeball-Erde folgte aufgrund der kurzzeitig enormen Ausprägung des CO2-Treibhauseffektes für einige 10.000 Jahre eine feuchtheiße "Sauna-Erde", bis sich das Klima auf etwas gemäßigterem, aber immer noch hohem Niveau für rund eine Milliarde Jahre stabilisieren konnte. So lange dauerte es, bis die wieder in Gang gekommenen Verwitterungsprozesse erneut so viel CO2 gebunden und damit der Atmosphäre entzogen hatten, dass der Treibhauseffekt aufs Neue zusammenbrach. Die nächste Eiszeit nahm ihren Lauf, neue Vulkanausbrüche setzten ihr abermals ein Ende und dieses Wechselspiel von Warm- und Eiszeiten wiederholte sich in den folgenden knapp 500 Millionen Jahren noch mehrfach, wobei sich der CO2-Gehalt der Atmosphäre durch fortschreitende Lösung in den Ozeanen und Einbindung in Kalkgesteine von Warmzeit zu Warmzeit immer weiter verringerte. |
| Geologischer Kohlenstoffkreislauf und CO2 |
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Diese schrittweise Abnahme des verfügbaren CO2 geht vor allem auf den geologischen Kohlenstoffkreislauf zurück: Dabei gelangt - übrigens auch heute noch - ein Teil des durch Verwitterung in der Erdkruste gebundenen Kohlenstoffs durch Aufschmelzprozesse im Erdinneren wieder in das glutflüssige Magma des Erdmantels, wo er bei Vulkanausbrüchen erneut als CO2-Gas freigesetzt werden kann. Triebfeder dieser auf geologischer Zeitskala sehr langsam ablaufenden Vorgänge ist die Plattentektonik der Erdkruste, welche auch die Kontinentalverschiebung zur Folge hat. Weil die Umwandlung von CO2 durch Einbindung in Kalkgestein jedoch dessen Recycling im Erdinneren und die Rückführung als CO2-Gas durch Vulkanausbrüche bei Weitem überwiegt, wird der Atmosphäre nach und nach mehr CO2 entzogen als ihr wieder zugeführt wird. Die dadurch bewirkte, schrittweise Verringerung des CO2-Anteils in der Atmosphäre setzt sich deshalb so lange fort, bis sich ein Gleichgewichtszustand eingependelt hat. |
 Der Kohlendioxid- und der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre in der Frühzeit der Erde. Quelle: wiki.bildungsserver |
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Das in der Frühzeit der Erde vor allem von diesem geologischen Kohlenstoffkreislauf angetriebene Auf und Ab der atmosphärischen CO2-Konzentration benötigte Hunderte von Jahrmillionen um den anfangs noch rund 10 Prozent hohen CO2-Anteil in der Atmosphäre auf ein mit der heutigen Zeit vergleichbares Maß zu reduzieren. Lag die Konzentration der beiden wichtigsten Treibhausgase, Wasserdampf und CO2, in der Frühatmosphäre zusammen noch bei rund 90 Prozent ging sie durch Ausregnen und die Bildung der Meere, Verwitterung von Gesteinen und - etwas später - auch durch Wechselwirkung mit der beschriebenen Sauerstoffkatastrophe immer weiter zurück. Am Ende der Erdfrühzeit vor 543 Millionen Jahren, also unmittelbar vor der "Explosion" des pflanzlichen Lebens, waren - ähnlich wie heute - nur noch bis zu 4 Prozent Wasserdampf und rund 0,6 Prozent CO2 in der Luft, was etwa der doppelten Konzentration von heute entspricht. Von da an sollte das urzeitliche Schwungrad des Klimas unserer Erde völlig neue Impulse erhalten ... Lesen Sie demnächst in Teil 2 wie sich das explodierende Leben sein eigenes Klima schuf und warum wir gegenwärtig in einem Eiszeitalter leben. Marburg, am 08.01.2015 Herzlichst, Ihr Jürgen Vollmer |
