Erdgeschichte: Sauerstoff-Schübe als kalte Dusche?

In der Erdgeschichte gab es zwei Phasen, in denen der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre deutlich anstieg. Wann genau diese stattfanden, haben Forscher jetzt mithilfe einer neuen geochemischen Methode festgestellt. Wie sie in „Nature“ berichten, könnten diese Oxygenierungen vor 2,45 Milliarden und 800 Millionen Jahren auch eine Ursache für die damaligen Abkühlungen des Klimas gewesen sein.

Am Anfang der Erdgeschichte war unsere Atmosphäre fast sauerstofffrei. Erst mit der Entstehung des Lebens und der Verbreitung von Photosynthese betreibenden Einzellern änderte sich dies. Zwar war bisher schon grob bekannt, dass diese „große Oxygenierung“ vor gut zwei Milliarden Jahren die Voraussetzung für die Ausbreitung des Lebens schuf, aber genauere Datierungen dieses Ereignisses fehlten. Auch die Frage, ob und wie diese Sauerstoffanreicherung das irdische Klima beeinflusste, war bisher offen.

„Während der gesamten Erdgeschichte war unser Klima abhängig vom Gleichgewicht zwischen CO2 und dem atmosphärischen Sauerstoff. Je mehr CO2 und andere Treibhausgase es gab, desto wärmer war das Klima“, erklärt Professor Robert Frei von der Universität von Kopenhagen. „Aber noch immer wissen wir nicht viel über die Prozesse, die die Erde von einer Periode mit warmem Klima hin zu einer ‚Eiszeit‘ mit kälteren Temperaturen treiben.“ Nach Ansicht von Frei und Kollegen aus Dänemark, Uruguay und Großbritannien spielt dabei jedoch der atmosphärische Sauerstoff eine entscheidende Rolle.

Chrom-Isotope als Sauerstoffmesser

Um dies zu belegen, suchten die Forscher in der Klimageschichte nach Hinweisen auf Phasen hohen Sauerstoffgehalts der Luft. Dafür analysierten sie gezielt Proben so genannter Bändererzformationen aus aller Welt, die zusammen eine Zeitspanne von gut drei Milliarden Jahren abdeckten. Dieses eisenhaltige Gestein enthält auch Anteile von Chrom, dessen Isotope einen Rückschluss auf die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre zum Zeitpunkt der Gesteinsbildung erlauben. Mit Hilfe einer speziell dafür entwickelten analytischen Methode gelang es den Forschern, tatsächlich die Bändererze quasi als vorzeitliches Atmosphärenarchiv zu nutzen.

Zwei Sauerstoffschübe in der Erdgeschichte

Das Ergebnis: Offenbar gab es in der gut 4,5 Milliarden Jahre alten Geschichte unseres Planeten zwei Perioden, in denen sich der Sauerstoffgehalt in Atmosphäre und Ozeanen signifikant änderte. Der erste Sauerstoffschub ereignete sich vor 2,45 bis 2,2 Milliarden Jahren und passt zeitlich gut mit der Ausbreitung der ersten Photosynthese betreibenden Algen zusammen. Entgegen bisherigen Annahmen stieg dabei jedoch der Sauerstoffgehalt der Luft nicht langsam schrittweise an, sondern relativ schnell. Danach folgte erstaunlicherweise wieder ein allmähliches Absinken. Der zweite Schub folgte sehr viel später, vor nur 800 bis 542 Millionen Jahren. Er war vor allem durch eine Sauerstoffanreicherung der tiefen Wasserschichten der Meere gekennzeichnet und schuf möglicherweise die Voraussetzungen für eine Besiedelung der Tiefsee.

Zusammenhang zu Abkühlungen?

Frei und seine Kollegen sehen auch eine Korrelation zu historischen Klimaabkühlungen in beiden Phasen, verursacht durch den Sauerstoffanstieg. „Der hohe Sauerstoffgehalt im Meerwasser ermöglichte viel Leben in den Ozeanen. Dieses konnte das Treibhausgas CO2 aufzehren. Das wiederum führte zu einer Abkühlung der Erdoberfläche“, so Frei.

Er sieht hier auch eine für den heutigen Klimawandel bedeutsame Information. Zwar könne der Mensch den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre heute nicht in größerem Maßstab beeinflussen, aber Aufforstungen und andere Maßnahmen um den Pflanzenbewuchs und damit die Sauerstoffproduktion zu fördern, könnten dazu beitragen, der erwärmenden Wirkung des CO2 entgegenzusteuern.

(Nature/University of Copenhagen, 10.09.2009 – NPO)