Rätsel um „Heizung“ der jungen Erde

Theorie gekippt: Das potente Treibhausgas Methan galt bisher als Hauptheizung der frühen Erde. Doch bis vor rund 800 Millionen Jahren gab es wahrscheinlich viel weniger Methan in der Erdatmosphäre als bisher gedacht. Die Menge reichte nicht aus, um die damals schwächere Sonneneinstrahlung auszugleichen. Warum unser Planet trotzdem kein Eisklumpen wurde, bleibt daher weiterhin rätselhaft.

Ohne einen natürlichen Treibhauseffekt wäre die Erde ein lebensfeindlicher Planet. Gerade zu Beginn der Erdgeschichte sorgte diese atmosphärische Heizung dafür, dass das Klima trotz einer rund 25 Prozent schwächeren Sonneneinstrahlung mild blieb und die Ozeane flüssig. Als hauptverantwortlich dafür galt bisher das potente Treibhausgas Methan. In der Zeit vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren soll vor allem das Methan für den Treibhauseffekt gesorgt haben.

Gängiger Theorie nach änderte sich dies erst, als sich die ersten einzelligen Algen im Meer ausbreiteten und die Atmosphäre mit Sauerstoff anreicherten. Denn Sauerstoff reagiert mit Methan und baut es im Laufe weniger Jahre ab.

Verwitterung spülte Sulfate ins Meer

Jetzt jedoch haben Stephanie Olson von der University of California in Riverside und ihre Kollegen einen weiteren, noch potenteren Gegenspieler des Methans aufgedeckt: das Sulfat. Diese aus gelösten Schwefelsalzen freiwerdende Verbindung könnte schon vor 1,8 Milliarden Jahren als effektiver Methankiller gewirkt haben, wie sie herausfanden.

Hauptquelle des methanzerstörenden Sulfats sind die Ozeane, wie die Forscher berichten. Die Schwefelverbindungen wurden ins Meer gespült, nachdem vor rund zwei Milliarden Jahren die Verwitterung von Gesteinen einsetzte. Mineralien wie Pyrit geben beim Lösen Sulfate ab und reicherten das Wasser damit an.

Stephanie Olson vor einem Modell der Sulfat-Gehalte vor einer Milliarde Jahre (oben) und des dadurch verursachten Methanabbaus. © UC Riverside

Doppelter Methankiller

Das Problem dabei: Sulfate sind in gleich doppelte Hinsicht effektive Methankiller: Zum einen reagieren sie mit Methan und bauen es dadurch direkt ab. Schon ein Prozent der heutigen Sulfatwerte hätten ausgereicht, um die Freisetzung von Methangas aus den Urozeanen stark zu reduzieren: „Sobald Sulfat präsent ist, bekommt man kaum noch Methan aus dem Meer heraus, erklärt Olson.

Zum andern aber hemmt das Sulfat die Bildung von Methan durch marine Bakterien. Weil diese aus der Verarbeitung von Sulfat mehr Energie gewinnen können als durch die Bildung von Methan,

bevorzugen sie den einfacheren Stoffwechselweg. Als Folge könnte in der Urzeit auch der Nachschub an Methan aus biologischer Produktion geringer ausgefallen sein als bisher angenommen.

Methangehalt bis zu hundertfach geringer

Und noch etwas könnte dem urzeitlichen Methan das Überdauern erschwert haben: Solange es nur wenig Sauerstoff in der Atmosphäre gab, war auch die schützende Ozonschicht in der Stratosphäre kaum ausgebildet. Weil das Ozon die UV-Strahlung der Sonne abschirmt, schützt es auch das Methan vor der photochemischen Zerstörung. Fehlt die Ozonschicht, bleibt dieser Schutz aus.

Insgesamt sprechen die Ergebnisse der Forscher dafür, dass es früher viel weniger Methan in der Erdatmosphäre gab als bisher gedacht. Ihren Berechnungen nach dürfte der Methangehalt damals maximal bei einem bis zehn parts per million (ppm) gelegen haben – etwa so hoch wie heute. Bisherige Modelle gingen jedoch von mindestens 300 ppm Methan in der Atmosphäre des Präkambrium aus.

„Paradox der schwachen jungen Sonne wiederbelebt“

„Wenn eine Alien-Zivilisation vor einer Milliarde Jahre unseren Planeten beobachtet hätte, hätte sie fast mit Sicherheit kein Methan detektiert“, sagt Olsons Kollege Timothy Lyons. „Und das, obwohl es wahrscheinlich über weite Teile der Erdgeschichte von Organismen produziert und freigesetzt wurde.“ Doch ein Großteil dieses Methans könnte nie aus den Ozeanen herausgelangt sein und der Rest wäre schnell abgebaut worden.

Sollten sich diese Ergebnisse bestätigen, dann wirft dies auch die gängige Erklärung zur frühen Heizung der Erde über den Haufen. Wissenschaftler müssen dann ganz neu überlegen, wie es auf unserem Planeten trotz schwächerer Sonnenstrahlung damals angenehm mild sein konnte. „Das alte Paradox eines warmen Planeten trotz schwächelnder Sonne wird damit wiederbelebt“, konstatieren die Forscher. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016; doi: 10.1073/pnas.1608549113)

(University of California – Riverside, 10.10.2016 – NPO)