Der Klimawandel galt lange als relativ modernes Phänomen, das hauptsächlich durch die massiven Emissionen von Treibhausgasen wie Methan und CO2 in die Atmosphäre seit der Industriellen Revolution verursacht wurde. Was würden Sie aber denken, wenn ich Ihnen sagte, dass es im Laufe der Milliarden von Jahren seit der Entstehung der Erde auch andere Klimaveränderungen gegeben hat?
Die Erdatmosphäre war nicht immer so wie heute. Ihre Zusammensetzung hat sich im Laufe der Zeit stark verändert. Wie sieht die Vorgeschichte des Klimawandels aus ? In diesem Zusammenhang ist es auch wichtig zu betrachten, wie der gegenwärtige Klimawandel unseren Planeten beeinflusst.
Wenn Methan das Wetter regulierte
Vor etwa 2.300 Milliarden Jahren hauchten seltsame Mikroorganismen dem damals noch jungen Planeten Erde neues Leben ein. Es handelte sich dabei um Cyanobakterien. Sie füllten die Erde mit Atmosphäre. Man geht jedoch davon aus, dass lange zuvor eine andere Gruppe einzelliger Organismen die Erde besiedelte und sie möglicherweise bewohnbar machte: Methanogene.
Methanogene sind einzellige Organismen, die nur in sauerstofffreien Umgebungen überleben können und Methan als Stoffwechselprodukt produzieren. Heute findet man Methanogene nur noch an Orten wie den Därmen von Wiederkäuern, am Meeresboden und an anderen sauerstoffarmen Stellen der Erde.
Methanmolekül
Methan ist bekanntlich ein Treibhausgas, das 23-mal mehr Wärme speichert als Kohlendioxid. Dies führte zu der Hypothese, dass Methanogene die Atmosphäre in den ersten zwei Milliarden Jahren der Erdgeschichte dominierten. Das von diesen Organismen produzierte Methan verursachte einen Treibhauseffekt mit enormen Auswirkungen auf das Klima der Erde. Dieses Phänomen regt uns dazu an, die Entwicklung des Klimawandels im Laufe der Zeit zu betrachten.
Heute verbleibt Methan aufgrund des vorhandenen Sauerstoffs nur etwa 10 Jahre in der Atmosphäre. Gäbe es jedoch keinen Sauerstoff in der Erdatmosphäre, könnte Methan etwa 10.000 Jahre lang bestehen bleiben. Damals war die Sonneneinstrahlung nicht so intensiv wie heute, sodass die Strahlung, die die Erdoberfläche erreichte und den Planeten erwärmte, deutlich geringer war. Um die Temperatur des Planeten zu erhöhen und eine bewohnbare Umgebung zu schaffen, war Methan daher notwendig, um die Wärme zu speichern.
Treibhauseffekt einer primitiven Atmosphäre
Als die Erde vor etwa 4.600 Milliarden Jahren geformt wurde, gab die Sonne eine Leuchtkraft ab, die 70% ihrer heutigen Leistung entspricht. Deshalb war die Atmosphäre vor der ersten Eiszeit (vor etwa 2.300 Milliarden Jahren) vollständig vom Treibhauseffekt abhängig.
Klimaforscher hielten Ammoniak einst für das Treibhausgas, das in der frühen Atmosphäre Wärme speicherte, da es ein starkes Treibhausgas ist. In Ermangelung von atmosphärischem Sauerstoff wurde Ammoniak jedoch durch die ultraviolette Strahlung der Sonne schnell abgebaut, sodass Methan zum vorherrschenden Treibhausgas wurde. Dieser Prozess ähnelt den Vorgängen in Städten, die von der globalen Erwärmung bedroht sind.
Neben der atmosphärischen Wärme und dem Treibhauseffekt spielt auch CO₂ eine Rolle. Damals war dessen Konzentration jedoch viel geringer , weshalb es nicht die Ursache des Treibhauseffekts gewesen sein kann. CO₂ wurde ausschließlich auf natürliche Weise, etwa durch Vulkane, in die Atmosphäre freigesetzt.
Vulkane gaben CO2 und Wasserstoff ab
Die Rolle von Methan und dem Nebel, der den Planeten kühlte
Die Rolle von Methan bei der Regulierung des frühen Klimas begann vor etwa 3,5 Milliarden Jahren, als Methanogene in den Ozeanen Methangas als Abfallprodukt synthetisierten. Dieses Gas speicherte die Sonnenwärme über einen breiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Gleichzeitig ließ es ultraviolette Strahlung durch, und diese Faktoren trugen zusammen mit dem bereits vorhandenen CO₂ dazu bei, eine bewohnbare Temperatur auf dem Planeten aufrechtzuerhalten.
Methanogene vermehrten sich bei höheren Temperaturen. Mit steigenden Temperaturen verstärkte sich auch der Wasserkreislauf, was die Gesteinserosion beschleunigte. Dieser Erosionsprozess entzieht der Atmosphäre CO₂, was schließlich zu einer Angleichung der Methan- und CO₂-Konzentrationen führt.
Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre führte zur Polymerisation von Methanmolekülen (Bildung von Ketten aus miteinander verbundenen Methanmolekülen) und zur Bildung komplexer Kohlenwasserstoffe. Diese Kohlenwasserstoffe kondensierten zu Partikeln, die in großen Höhen einen orangefarbenen Dunst bildeten. Diese Wolke aus organischem Staub wirkte dem Treibhauseffekt entgegen, indem sie sichtbares Licht der einfallenden Sonnenstrahlung absorbierte und wieder ins Weltall abgab. Dadurch verringerte sie die Wärmemenge, die die Erdoberfläche erreichte, und trug zur Abkühlung des Klimas sowie zur Verlangsamung der Methanproduktion bei.
Thermophile Methanogene
Thermophile Methanogene sind Organismen, die in relativ hohen Temperaturbereichen überleben. Als sich der Kohlenwasserstoffsmog bildete und die globalen Temperaturen sanken, konnten thermophile Methanogene unter diesen Bedingungen nicht überleben. Mit dem kälteren Klima und der abnehmenden Population thermophiler Methanogene veränderten sich die Bedingungen auf unserem Planeten. Diese Veränderung ist wichtig, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenwelt zu verstehen.
Die Atmosphäre hätte derart hohe Methankonzentrationen nur aufrechterhalten können, wenn Methan in vergleichbaren Mengen wie heute produziert worden wäre . Methanogene produzierten jedoch nicht so viel Methan wie der Mensch durch seine industriellen Aktivitäten.
Thermophile Methanogene
Methanogene ernähren sich hauptsächlich von Wasserstoff und CO₂, wobei Methan als Abfallprodukt entsteht. Einige andere verstoffwechseln Acetat und verschiedene andere Verbindungen, die beim anaeroben Abbau organischer Substanz entstehen. Daher gedeihen Methanogene heute nur noch in den Mägen von Wiederkäuern, im Schlick unter überfluteten Reisfeldern und in anderen sauerstoffarmen Umgebungen. Da die frühe Atmosphäre jedoch sauerstoffarm war, wurde der gesamte von Vulkanen freigesetzte Wasserstoff in den Ozeanen gespeichert und von Methanogenen genutzt, da kein Sauerstoff zur Wasserbildung zur Verfügung stand.
Nebel mit "Anti-Treibhaus" -Effekt
Aufgrund dieser positiven Rückkopplungsschleife (höhere Temperatur, mehr Methanogene, mehr Methan, mehr Wärme, höhere Temperatur usw.) wandelte sich der Planet von einem so sengenden Treibhaus, dass sich nur thermophile Mikroorganismen an diese neue Umgebung anpassen konnten, in ein Klima mit hoher Luftfeuchtigkeit. Wie bereits erwähnt, bildete sich jedoch ein Dunst aus Kohlenwasserstoffen, der die einfallende ultraviolette Strahlung reflektierte und so das Klima abkühlte . Dies verlangsamte die Methanproduktion, und Temperaturen und atmosphärische Zusammensetzung begannen sich zu stabilisieren.
Vergleicht man den Nebel mit dem von Titan, dem größten Mond des Saturn, so fällt auf, dass er dieselbe charakteristische orange Farbe aufweist. Diese Farbe rührt von der dichten Schicht aus Kohlenwasserstoffpartikeln her, die entsteht, wenn Methan mit Sonnenlicht reagiert. Allerdings führt diese Kohlenwasserstoffschicht dazu, dass die Oberflächentemperatur Titans bei -179 Grad Celsius liegt. Die Atmosphäre dort ist kälter als jemals zuvor auf der Erde.
Wenn die Kohlenwasserstoffwolke der Erde die Dichte von Titan erreicht hätte, hätte sie genug Sonnenlicht abgelenkt, um dem starken Treibhauseffekt von Methan entgegenzuwirken. Die gesamte Oberfläche des Planeten wäre gefroren und hätte so alle Methanogene zerstört. Der Unterschied zwischen Titan und Erde besteht darin, dass dieser Saturnmond weder CO2 noch Wasser enthält, sodass Methan leicht verdunstet.
Titan, der größte Satellit des Saturn
Das Ende der Methan-Ära
Der aus Methan entstandene Nebel hielt nicht ewig. Seit dem Proterozoikum gab es drei Eiszeiten, und Methan könnte eine Erklärung für deren Entstehung liefern. In diesem Zusammenhang legen einige Theorien nahe, dass die globale Erwärmung diese Veränderungen beeinflusst haben könnte.
Die erste Vereisung wird als Huronische Vereisung bezeichnet . Unter den ältesten Gesteinen ihrer glazialen Ablagerungen finden sich Uraninit- und Pyrit-Detritus, zwei Mineralien, die auf einen sehr niedrigen atmosphärischen Sauerstoffgehalt hinweisen. Oberhalb der glazialen Schichten findet sich jedoch ein rötlicher Sandstein mit Hämatit, einem Mineral, das sich in sauerstoffreichen Umgebungen bildet. All dies deutet darauf hin, dass die Huronische Vereisung genau zu dem Zeitpunkt stattfand, als der atmosphärische Sauerstoffgehalt erstmals stark anstieg.
In dieser neuen Umgebung, die zunehmend reich an Sauerstoff, Methanogenen und anderen anaeroben Organismen ist, die einst den Planeten beherrschten, verschwanden sie allmählich oder wurden zunehmend auf engere Lebensräume beschränkt. Tatsächlich wäre die Methankonzentration gleich oder höher geblieben als heute, wenn der Sauerstoffgehalt niedriger gehalten worden wäre.
Dies erklärt, warum es während des Proterozoikums fast 1.500 Milliarden Jahre lang keine Eiszeiten auf der Erde gab , obwohl die Sonne damals noch relativ schwach war. Es wird vermutet, dass ein zweiter Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs oder des gelösten Sulfats ebenfalls Eiszeiten ausgelöst haben könnte, indem er die Schutzwirkung von Methan verringerte.
Wie Sie sehen können, war die Erdatmosphäre nicht immer so wie heute. Es war frei von Sauerstoff (ein Molekül, das wir heute zum Leben brauchen) und wo Methan das Klima regulierte und den Planeten dominierte. Darüber hinaus hat sich nach den Vereisungen die Sauerstoffkonzentration erhöht, bis sie stabil und gleich der aktuellen ist, während das Methan auf engere Stellen reduziert wurde. Derzeit steigt die Methankonzentration aufgrund von Emissionen aus menschlichen Aktivitäten und trägt zum Treibhauseffekt und zum aktuellen Klimawandel bei.
