Wie blieb die frühe Erde warm?

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Grafik: European Southern Observatory (ESO)
Grafik: European Southern Observatory (ESO)

In den vergangenen Milliarden Jahren der Erdgeschichte sollte unser Planet über längere Perioden gefroren gewesen sein – war er aber nicht. Wissenschaftler des Alternative-Earth-Teams des Astrobiologischen Institutes der NASA fertigte eine neue Modellstudie der Methanfrühen Erde an und verwarf damit dieses lange Zeit anerkannten Szenarios.

Heutzutage bereiten der Menschheit hauptsächlich die Treibhausgase Sorgen, doch vor 1,8 Milliarden bis 800 Millionen Jahre wurden sie von einigen mikroskopisch kleinen Meeresbewohnern benötigt. Die Sonne besaß damals eine im Vergleich zu Heute um 10 bis 15 Prozent verringerte Leuchtkraft und war damit zu schwach, um alleine einen ganzen Planeten aufzuheizen. Die Erde benötigte also eine potente Mixtur aus „wärmefangenden“ Gasen, um die Ozeane flüssig und bewohnbar zu halten.

Jahrzehntelang wähnten Wissenschaftler Methan – ein 34-mal klimawirksameres Treibhausgas als CO2 – als alleinigen Herrscher der ersten 3,5 Milliarden Jahre der Erdgeschichte, als Sauerstoff nicht vorhanden war bzw. keinen nennenswerten Einfluss besaß. Heutzutage macht Sauerstoff einen Anteil von rund 21% unserer Atemluft aus und zerstört langsam vorhandenes Methan.

Stephanie Olson, einer Absolventin der University of California, zufolge besitzt Methan jedoch einen noch gefährlicheren Gegner: Sulfat. „Seit dem Auftreten von Sauerstoff können wir keine signifikanten Methan-Einträge mehr in den Ozeanen feststellen“, so die Forscherin. Sulfat spielte vor dem Auftreten des Sauerstoffs in der Atmosphäre und der daraus resultierenden Verwitterung der Erdoberfläche eine stark untergeordnete Rolle. Die Verwitterung von beispielsweise Pyrit setzt große Mengen an Sulfat frei, das über Flüsse in die Ozeane eingetragen wird. Weniger Sauerstoff bedeutet also im Umkehrschluss auch weniger Sulfat, aber selbst 1% der heutigen Menge sei ausreichend, um Methan zu zerlegen, meint Olson.

Sie und ihre beiden Co-Autoren Chris Reinard und Timothy Lyons nehmen daher an, dass der Sulfateintrag über Milliarden von Jahren hinweg den Anteil atmosphärischen Methans auf 1 bis 10ppm (Teile einer Million) limitierte – ein Bruchteil der bisher angenommenen 300ppm. Der fatale Fehler der Klimamodelle und deren Prognosen läge in der Nichtbeachtung der Meere, woher ein Großteil des Methans durch bakterielle Kompostierung stammt.

Im Meerwasser gelöstes Sulfat stellt für Methan zweierlei Probleme dar: Zum einen zerstört Sulfat das Gas auf direktem Wege, was die Menge des aus dem Ozean austretenden Methans beschränkt, zum anderen beeinträchtigt es auch dessen Produktion. Lebewesen können aus der Reduktion von Sulfat mehr Energie gewinnen als durch Bildung von Methan, sodass nahezu alles marine Leben sich auf die Verarbeitung von Sulfat beschränkt.

Das Team erstellte daher ein neuartiges, dreidimensionales Modell, das die Ozeane in fast 15.000 einzelne Regionen unterteilt, deren Kreisläufe separat untersucht wurden. Damit stellt es das bei Weitem genaueste geochemische Modell der frühen Erde dar. „Es gibt wirklich keine vergleichbare Modelle“, schwärmt Reinard.

methanreaktion

Doch nicht nur hohe Sauerstoffanteile in der Atmosphäre schaden dem Methan, auch bei zu geringen Mengen kann es nicht lange bestehen. Freier, atmosphärischer Sauerstoff (O2) ist unbedingt nötig für die Bildung von Ozon (O3), welches wiederum für das Methan schädliche UV-Strahlung und dessen photochemische Zersetzung aufhält. Es scheint also, als wäre der Einfluss des Methans durch Sauerstoff und Sulfat weitestgehend annulliert worden. Das Wegfallen des Methans stellt die Wissenschaft erneut vor die große Frage: Wie blieb die frühe Erde unter schwacher Sonneneinstrahlung und ohne den Einfluss von Treibhausgasen warm?

Doch das neue Modell wirft nicht nur Fragen auf, es könnte einige andere auch klären: Laut Lyons helfe das Modell bei der Suche nach Leben auf Exoplanten, bei der die Forscher häufig Hinweisen auf Methan nachgehen, die auf eine Biosignatur hindeuten könnten. Es eröffnet gar eine neue Sichtweise auf potentielles, außerirdisches Leben: „Hätten beispielsweise Aliens vor einer Milliarde Jahre auf unseren Planeten geblickt, wären ihnen das Gas sicherlich nicht aufgefallen – obwohl das terrestrische Leben über den größten Zeitraum der Erdgeschichte hinweg Methan produzierte.“, schmunzelt er.

    

   

Quelle: UCR (13.10.16)

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Christoph Faist

Studiert seit 2015 am gemeinsamen Geozentrum von LMU und TU in München.

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