In den letzten 540 Millionen Jahren hat die Erde drei große Eiszeiten durchlaufen – Perioden, in denen die globalen Temperaturen einbrachen und umfangreiche Eisschilde und Gletscher produzierten, die sich weit über die Polarkappen hinaus erstreckt haben. Jetzt haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology, der University of California at Santa Barbara und der University of California at Berkeley den wahrscheinlichen Auslöser für diese Eiszeiten identifiziert.
In einer in Science veröffentlichten Studie berichtet das Team, dass jeder der letzten drei großen Eiszeiten tropische “bogenkontinentale Kollisionen” vorausgingen – tektonische Massenkarambolagen, die in der Nähe des Erdäquators stattfanden, bei denen ozeanische Platten über Kontinentalplatten aufstiegen und Zehntausende von Kilometern ozeanischer Gesteine einer tropischen Umgebung aussetzten.
Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Hitze und Feuchtigkeit der Tropen wahrscheinlich eine chemische Reaktion zwischen dem Gestein und der Atmosphäre ausgelöst hat. Insbesondere das Kalzium und Magnesium des Gesteins reagierten mit atmosphärischem Kohlendioxid, indem es das Gas aus der Atmosphäre herauszog und dauerhaft in Form von Karbonaten wie beispielsweise Kalkstein absonderte.
Mit der Zeit, so sagen die Forscher, könnte dieser Verwitterungsprozess, der über Millionen von Quadratkilometern stattfindet, genügend Kohlendioxid aus der Atmosphäre ziehen, um die Temperaturen weltweit abzukühlen und schließlich eine Eiszeit einzuleiten.
“Wir glauben, dass bogenkontinentale Kollisionen in niedrigen Breitengraden der Auslöser für die globale Abkühlung sind”, sagt Oliver Jagoutz, Professor am MIT im Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences. “Das kann auf einer Fläche von einem bis fünf Millionen Quadratkilometern passieren, was nach viel klingt. Aber in Wirklichkeit ist es ein sehr dünner Streifen Erde, der an der richtigen Stelle sitzt und das globale Klima verändern kann.”
Jagoutz’ Co-Autoren sind Francis Macdonald und Lorraine Lisiecki von der UC Santa Barbara sowie Nicholas Swanson-Hysell und Yuem Park von der UC Berkeley.
Ein tropischer Auslöser
Wenn eine ozeanische Platte gegen eine kontinentale Platte drückt, erzeugt die Kollision typischerweise eine Gebirgskette aus neu freigelegtem Gestein. Die Störungszone, in der die ozeanischen und kontinentalen Platten aufeinandertreffen, wird als ” Sutur” (von lat. Sutura ,Naht‘) bezeichnet. Heute enthalten bestimmte Gebirgszüge wie der Himalaya Suturen, die von ihren ursprünglichen Kollisionspunkten aus wandern, da sich die Kontinente über Jahrtausende verschoben haben.
Im Jahr 2016 verfolgten Jagoutz und seine Kollegen die Bewegungen von zwei Nähten, die heute den Himalaya ausmachen. Sie fanden heraus, dass beide Nähte aus der gleichen tektonischen Verschiebung stammten. Vor achtzig Millionen Jahren, als der als Gondwana bekannte Superkontinent nach Norden zog, wurde ein Teil der Landmasse gegen Eurasien gequetscht, wodurch eine lange Linie von ozeanischem Gestein freigelegt und die erste Naht hergestellt wurde; vor 50 Millionen Jahren schuf eine weitere Kollision zwischen den Superkontinenten eine zweite Naht.
Das Team fand heraus, dass beide Kollisionen in tropischen Zonen in der Nähe des Äquators stattfanden und beide den globalen atmosphärischen Kälteereignissen um mehrere Millionen Jahre vorausgingen – was auf einer geologischen Zeitskala nahezu augenblicklich ist. Nach der Untersuchung der Raten, mit denen exponiertes ozeanisches Gestein, auch Ophiolith genannt, in den Tropen mit Kohlendioxid reagieren könnte, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass beide Nähte aufgrund ihrer Lage und Größe tatsächlich genug Kohlendioxid gebunden haben könnten, um die Atmosphäre abzukühlen und beide Eiszeiten zu auslösen.
(Darstellung: Swanson-Hysell Forschungsgruppe)
Interessanterweise fanden sie heraus, dass dieser Prozess wahrscheinlich auch für die Beendigung beider Eiszeiten verantwortlich war. Über Millionen von Jahren erodierte das ozeanische Gestein, das zur Reaktion mit der Atmosphäre zur Verfügung stand, schließlich und wurde durch neues Gestein ersetzt, das weitaus weniger Kohlendioxid aufnahm.
“Wir haben gezeigt, dass dieser Prozess die Vereisung initiieren und beenden kann”, sagt Jagoutz. “Dann fragten wir uns, wie oft das funktioniert. Wenn unsere Hypothese richtig ist, sollten wir feststellen, dass es jedes Mal viele Nähte in den Tropen gibt, wenn es zu einem Kälteereignis kommt.”
Freilegung von Erdsuturen
Die Forscher untersuchten, ob Eiszeiten noch weiter zurück in der Erdgeschichte mit ähnlichen bogenkontinentalen Kollisionen in den Tropen verbunden waren. Sie führten eine umfangreiche Literaturrecherche durch, um die Standorte aller heutigen großen Nahtzonen auf der Erde zu ermitteln und rekonstruierten dann mit Hilfe einer Computersimulation der Plattentektonik die Bewegung dieser Nahtzonen sowie der kontinentalen und ozeanischen Platten der Erde im Zeitablauf. Auf diese Weise konnten sie ungefähr feststellen, wo und wann sich jede Naht ursprünglich gebildet hat und wie lange sich jede Naht erstreckte.
Sie identifizierten drei Perioden in den letzten 540 Millionen Jahren, in denen sich in den Tropen große, etwa 10.000 Kilometer lange Nähte gebildet haben. Jede dieser Perioden fiel mit jeder der drei großen, bekannten Eiszeiten im Spät-Ordovizium (vor 455 bis 440 Millionen Jahren), im Permo-Karbon (vor 335 bis 280 Millionen Jahren) und im Känozoikum (vor 35 Millionen Jahren bis heute) zusammen. Wichtig ist, dass sie feststellten, dass es in Zeiten, in denen sich außerhalb der Tropen große Nahtzonen bildeten, keine Eiszeiten oder Vereisungsereignisse gab.
“Wir haben festgestellt, dass es jedes Mal, wenn es in den Tropen zu einem Höhepunkt in der Nahtzonenbildung kam, ein Eiszeitereignis folgte”, sagt Jagoutz. “Jedes Mal, wenn man in den Tropen 10.000 Kilometer lange Suturen bekommt, bekommt man eine Eiszeit.”
Er stellt fest, dass eine große Nahtzone von etwa 10.000 Kilometern Länge in Indonesien noch heute aktiv ist und möglicherweise für die aktuelle Eiszeit der Erde und das Auftreten ausgedehnter Eisschilde an den Polen verantwortlich ist.
Diese tropische Zone umfasst einige der größten Ophiolithkörper der Welt und ist derzeit eine der effizientesten Regionen der Erde zur Absorption und Sequestrierung von Kohlendioxid. Da die globalen Temperaturen durch das vom Menschen stammende Kohlendioxid steigen, haben einige Wissenschaftler vorgeschlagen, große Mengen an Ophiolithen zu mahlen und die Mineralien im gesamten Äquatorialgürtel zu verteilen, um diesen natürlichen Abkühlungsprozess zu beschleunigen.
Aber Jagoutz sagt, dass der Akt des Zermahlens und Transportierens dieser Materialien zusätzliche, unbeabsichtigte Kohlenstoffemissionen verursachen könnte. Und es ist unklar, ob solche Maßnahmen einen wesentlichen Einfluss auf unser Leben haben könnten.
“Es ist eine Herausforderung, diesen Prozess auf menschlicher Zeitskala funktionieren zu lassen”, sagt Jagoutz. “Die Erde tut dies in einem langsamen, geologischen Prozess, der nichts damit zu tun hat, was wir heute mit der Erde machen. Und es wird uns weder schaden noch uns retten.”
Veröffentlichung: Francis A. Macdonald, Nicholas L. Swanson-Hysell, Yuem Park, Lorraine Lisiecki, Oliver Jagoutz. Arc-continent collisions in the tropics set Earth’s climate state. Science, 2019; eaav5300 DOI: 10.1126/science.aav5300
Quelle: off. Pm des Massachusetts Institute of Technology
Titelbildunterschrift: In Indonesien hat die tektonische Aktivität der Erdgeschichte die Gesteine den tropischen Bedingungen ausgesetzt, so dass sie auf natürliche Weise Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen. (Foto: MIT)
Pia Gaupels
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