Ungeheure Mengen von Ruß, die nach dem massiven Chicxulub-Einschlag vor 66 Millionen Jahren in die Luft gelangten, haben die Erde für fast zwei Jahre in Dunkelheit getaucht. Das sagen neue Forschungsergebnisse der NCAR/UCAR. Die Photosynthese wurde heruntergefahren, der Planet kühlte drastisch ab. Diese Ereignisse haben immens zum Massenaussterben beigetragen. Der Ereignis-zeitraum wird heute als Kreide-Paläogen-Grenze bezeichnet und steht für das fünfte und bislang letzte der großen Massenaussterbeereignisse der Erdgeschichte.
Diese neuen Details darüber, wie sich das Klima nach dem Einfluss eines 10 Kilometer breiten Asteroiden dramatisch verändern konnte, werden jetzt in der der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht. Die Studie, die vom Nationalen Zentrum für Atmosphärenforschung (NCAR) mit Unterstützung der NASA und der University of Colorado Boulder geleitet wurde, verwendete ein Weltklasse-Computermodell. Ziel war die Erstellung eines ausführlichen Bildes, wie die Bedingungen der Erde am Ende der Kreide ausgesehen haben könnten. Vor allem für Paläobiologen sind diese neuen Informationen interessant. Warum starben einige Arten – vor allem in den Ozeanen – aus, während andere überlebten?
Eine Illustration eines Asteroideneinschlags auf die Erde.
(Bild: mit freundlicher Genehmigung NASA)
Die Wissenschaftler vermuten, dass mehr als drei Viertel aller Arten auf der Erde einschließlich aller Nicht-Vogel-Dinosaurier an der Kreide-Paläogen-Grenze ausgestorben sind. Heute bezeichnen wir diese Katastrophe das große K-Pg-Aussterbeereignis. Beweise deuten darauf hin, dass das Aussterben zur gleichen Zeit aufgetreten ist, als ein großer Asteroid auf die Yucatan Halbinsel einschlug. Die Kollision habe Erdbeben, Tsunamis und sogar Vulkanausbrüche ausgelöst.
Die Wissenschaftler berechneten zudem, dass die Kraft des Aufpralls verdampftes Gestein bis hoch über die Erdoberfläche geschleudert hat, wo sie als kleine Kügelchen wieder kondensierten. Als diese auf die Erde zurückfielen, wurden sie durch die Reibung stark erhitzt. Die Temperaturen waren so hoch, dass sie ausreichte, um Waldbrände zu entfachen. Eine dünne Schicht dieser kleinen Kügelchen kann man noch heute in geologischen Schichten nachweisen.
Das Aussterben vieler großer Tiere an Land könnte durch die unmittelbaren Nachwirkungen des Einschlags verursacht worden sein. Allerdings könnten diejenigen Tiere kurzfristig überlebt haben, die in den Ozeanen oder unterirdisch in Gängen lebten.”, sagte NCAR-Wissenschaftler Charles Bardeen, der die Studie geleitet hat. “Unsere Studie beginnt hier. Unmittelbar nach den ersten sichtbaren Auswirkungen: nach den Erdbeben, den Tsunamis und der glühenden Hitze. Wir wollten die langfristigen Konsequenzen untersuchen, die die großen Mengen freigesetzten Rußes verursachten. Sie haben wohl den größten Einfluss auf die Tiere gehabt, die das erste große Inferno überlebt haben.”
Co-Autoren der Studie sind Rolando Garcia und Andrew Conley, beide NCAR-Wissenschaftler und Owen “Brian” Toon, Forscher an der University of Colorado Boulder.
Eine Welt ohne Photosynthese
In früheren Studien haben die Forscher die Menge an Ruß geschätzt, die durch globale Waldbrände erzeugt werden könnte. Sie haben Rußablagerungen gemessen, die noch in der geologischen Aufzeichnung erhalten sind. Für die neue Studie nutzten Bardeen und seine Kollegen das NCAR-basierte Community Earth System Model (CESM), um die Wirkung des Rußes auf das globale Klima zu simulieren. Sie nutzten die jüngsten Schätzungen der Menge an feinem Ruß, die in der nach dem Aufprall verbleibenden Felsenschicht (15.000 Millionen Tonnen) gefunden wurde, sowie größere und kleinere Mengen, um die Empfindlichkeit des Klimas für mehr oder weniger ausgedehnte Brände zu quantifizieren.
In den Simulationen wurde der von der Sonne erhitzte Ruß höher und höher in die Atmosphäre hineingetragen und bildete schließlich eine globale Barriere, die die überwiegende Mehrheit des Sonnenlichts daran hinderte, die Erdoberfläche zu erreichen. “Zuerst war es so dunkel wie in einer mondhellen Nacht”, erklärte Toon.
Auch wenn sich der Himmel allmählich in Teilen wieder aufgehellt hätte, wäre die Photosynthese – den Simulationen nach – mehr als eineinhalb Jahre unmöglich gewesen. Weil viele der Landpflanzen bereits in den ersten Bränden zerstört wurden, hat die anhaltende Dunkelheit höchstwahrscheinlich ihren größten Einfluss auf das Phytoplankton gehabt. Die Nahrungskette im Ozean wurde somit unterbrochen. Der Verlust dieser kleinen Organismen hatte eine verheerende Wirkung auf die gesamte Ozeanökologie und auf viele Arten des marinen Lebens.
Das Forscherteam fand weiterhin heraus, dass die Photosynthese vorübergehend auch bei viel niedrigeren Rußniveaus blockiert worden wäre. Eine weitere Simulation beispielsweise zeigt: Auch bei nur einem Drittel der Menge mit 5.000 Millionen Tonnen Ruß wäre Photosynthese immer noch für ein ganzes Jahr unmöglich gewesen.
In den Simulationen verursachte der Sonnenlichtverlust einen steilen Abfall der Durchschnittstemperaturen an der Erdoberfläche mit einem Rückgang von 28 Grad Celsius an Land und 11 Grad Celsius in den Ozeanen.
Während sich die Erdoberfläche in den Studienszenarien abkühlte, wurde die Atmosphäre bis in Höhen der Stratosphäre immer wärmer, da der Ruß das einfallende Licht der Sonne absorbierte. Die wärmeren Temperaturen führten zu einer Zerstörung der Ozonschicht und erlaubten es, große Mengen Wasserdampf in der oberen Atmosphäre zu lagern. Der Wasserdampf reagierte dann chemisch in der Stratosphäre. Es entstanden Wasserstoffverbindungen, die die Ozonschicht weiter zerstörte. Der Verlust der Ozonschicht hatte eine drastische Wirkung, nachdem der Ruß aus der Atmosphäre verschwand. Die schädlichen Dosen des ultravioletten Lichts, vor der die Erde durch die Ozonschicht eigentlich geschützt wird, konnte ungehindert auf die Erdoberfläche gelangen.
Die großen Wasservorkommen in der oberen Atmosphäre, die in den Simulationen gebildet wurden, verursachten zudem, dass die Rußschicht, die das Sonnenlicht für Jahre blockierte, plötzlich verschwand. Ein Fund, der das Forscherteam sehr überraschte. Als sich der Ruß in der Stratosphäre auflöste, begann die Luft abzukühlen. Diese Abkühlung wiederum verursachte Wasserdampf. Durch die Kondensation zu Eiskristallen wurde noch mehr Ruß aus der Atmosphäre ausgewaschen. Diese positive Rückkopplungsschleife verstärkte sich immer mehr. Die Abkühlung verursacht Niederschlag, der wiederum für noch mehr Abkühlung sorgte. So verschwand die Rußschicht in nur wenigen Monaten.
Herausforderungen des Modells
Während die Wissenschaftler glauben, dass die neue Studie ein zuverlässiges Bild davon liefert, wie große Mengen Ruß in der Atmosphäre das Klima beeinflussen können, sind sie sich aber durchaus auch bewusst, dass die Studie Schwächen hat.
Zum Beispiel wurden die Simulationen in einem Modell der heutigen Erde durchgeführt. Die Erde ist nicht mehr die gleiche, wie zur Zeit der Kreide. Die Kontinente haben sich verschoben, Windrichtungen haben sich geändert. Die Atmosphäre der Kreide-Erde vor 66 Millionen Jahren enthielt auch eine etwas andere Zusammensetzung der Gase einschließlich höherer Kohlendioxidmengen.
In den Simulationen wurden Vulkanausbrüche und Schwefelgase, die durch den Asteroideneinschlag freigesetzt wurden, nicht berücksichtigt. Dies hat damals vermutlich zu einer Erhöhung der lichtreflektierenden Sulfat-Aerosole in der Atmosphäre geführt. Dieser Aspekt wurde nicht berücksichtigt.
Die Studie forderte die Grenzen der atmosphärischen Komponenten des Computermodells, bekannt als das Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM), heraus.
“Eine Kollision der Erde mit einem Asteroiden hat eine sehr große Zerstörungkraft. Nichts, was man normalerweise bei der Modellierung zukünftiger Klimaszenarien sehen würde”, sagte Bardeen. “Das Modell wurde nicht entworfen, um diese Zustände simulieren zu können. Mit Beginn der Studie mussten wir das Modell anpassen, damit es einige der Ereignisse bewältigen konnte, wie beispielsweise die Erwärmung der Stratosphäre um über 200 Grad Celsius.”
Diese Verbesserungen am WACCM könnten für andere Arten von Studien nützlich sein, einschließlich der Modellierung eines “Nuklearwinter”-Szenarios. Ähnlich den globalen Waldbränden von vor Millionen Jahren könnte die Explosion von Atomwaffen ebenfalls große Mengen an Ruß in die Atmosphäre stoßen, was in ähnlicher Form zu einer vorübergehenden globalen Abkühlung führen könnte.
“Die Menge des Rußes, die durch einen Atomkrieg geschaffen werden würde, wäre viel geringer, als die, die wir während des K-Pg-Aussterbens hatten”, sagte Bardeen. “Aber der Ruß würde das Klima in ähnlicher Weise verändern, die Oberfläche abkühlen und die obere Atmosphäre aufheizen, mit potenziell verheerenden Wirkungen.”
Quelle: off. Pn des National Center for Atmospheric Research/University Corporation for Atmospheric Research
Pia Gaupels
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