Kohlendioxid in der Erdgeschichte

Wie die Temperatur so unterlag auch der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre im Laufe der Erdgeschichte starken Schwankungen.

Kohlendioxid in der Erdgeschichte

 

Kohlendioxid in der frühen Atmosphäre

Die vor etwas über viereinhalb Milliarden Jahren entstandene Erde besaß zunächst eine aus Wasserstoff (H2) und Helium (He) bestehende Gashülle. Diese leichten Gase gingen jedoch in den ersten Millionen Jahren weitgehend an den Weltraum verloren. Dies liegt daran, dass leichte Gase eine hohe Bewegungsenergie haben, insbesondere bei hohen Temperaturen wie sie zu Beginn der Erdgeschichte herrschten. Mit einer großen Bewegungsenergie lässt sich die Schwerkraft überwinden, genau wie bei einer Rakete, die in den Weltraum geschossen wird. Die erste Atmosphäre bildete sich durch Ausgasungen der Erde, die sich in einem schmelzflüssigen Zustand befand, sowie durch die Gase, die bei gewaltigen Vulkanausbrüchen entstanden. Diese Prozesse spielten sich vor etwa 4 Milliarden Jahren ab und werden als Ursprung der ersten oder Ur-Atmosphäre gesehen. Die heute noch bei Vulkanausbrüchen austretenden Gase geben eine Vorstellung davon, wie die Uratmosphäre ausgesehen haben muss. Die wichtigsten Entgasungsprodukte waren Wasserdampf und Kohlendioxid, aus denen die Atmosphäre damals zu 90% bestand, daneben in kleineren Mengen aus Methan, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxyd, Stickstoff und anderen. Es gab in dieser Atmosphäre keinen Sauerstoff.

Die Uratmosphäre vor ca. 4 Milliarden Jahren besaß keinen Sauerstoff, dafür aber einen sehr hohen Gehalt an Kohlendioxid, Wasserdampf und Methan. Obwohl die Sonneneinstrahlung zu dieser Zeit um 25-30% schwächer war als heute, herrschten durch die hohe Treibhausgaskonzentration globale Durchschnittstemperaturen von über 50 oC. In dem durch Abkühlung allmählich entstehenden Urozean wurde aus der Atmosphäre CO2 gelöst und in Sedimenten gebunden. Ebenso wurde CO2 durch Verwitterung von Gesteinen an Land aus der Atmosphäre gebunden und in Sedimenten ebenfalls dem Ozean zugeführt. Später kam die Entwicklung der Vegetation hinzu, die durch Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre entnahm. Die Folge war eine zunehmende Abkühlung der Atmosphäre. Die Sedimente gerieten jedoch teilweise ins Erdinnere und wurden aufgeschmolzen. Durch Vulkanismus wurde das Kohlendioxid dann z.T. wieder der Atmosphäre zugeführt, woraus eine erneute Erwärmung folgte. Dieser Kohlendioxidregelkreis sorgte im Laufe der Erdgeschichte dafür, dass die Temperaturen der Erde nicht in ein Extrem abdrifteten, sondern zwischen sehr warmen Phasen von bis zu 50 oC und sehr kalten Phasen, in denen die Erde weitgehend vereist war, variierten.1

Über die letzten 500 Millionen Jahre liegen über diese Schwankungen etwas bessere Informationen vor. In den ersten 100 Millionen Jahren dieses Zeitraums lag der CO2-Gehalt zwischen 4000 und 6000 ppm (heute 385 ppm). Dann folgte eine Phase mit ähnlich niedrigen CO2-Werten wie heute und einer Eisbedeckung fast bis zum 30. Breitengrad. Zwischen 250 und 100 Millionen Jahren vh. lag der CO2-Gehalt wieder über 1000 ppm. Es war die Zeit der Dinosaurier mit um 8 Grad Celsius wärmeren Temperaturen als heute.

Kohlendioxid im Känozoikum

In den letzten 65 Millionen Jahren, dem Känozoikum (Erdneuzeit), hat der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre dann die Entwicklung genommen, die zu den heutigen Klimaverhältnissen führte. In den ersten 30 Millionen Jahren lag er bei etwa 1000 ppm, wobei er um 50 Millionen Jahre v.h. sogar den Wert von 1500 ppm überschritt. In dieser ersten Hälfte des Känozoikums war die Erde noch eisfrei. Ab etwa 35 Millionen Jahren v.h. zeigt sich eine tendenzielle Anbnahme der CO2-Konzentration bis auf schließlich ca. 300 ppm, womit vor etwa 35 Millionen Jahren die Vereisung der Antarktis und vor etwa zweieinhalb Millionen Jahren das gegenwärtige Eiszeitalter eingeleitet wurden.2

Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den letzten 60 Millionen Jahren
Abb.: Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den letzten 65 Millionen Jahren.3

Der Hauptgrund für die Änderungen des CO2-Gehaltes im Känozoikums wird in Bewegungen der afrikanischen und indischen Platte gesehen. Sie haben zunächst zu den starken Gebirgsauffaltungen der Alpen und des Himalaya und damit zu intensiver vulkanischer Aktivität geführt. Nach der Heraushebung vor allem des Himalaya und des tibetischen Plateaus verbrauchten starke chemische Verwitterungsprozesse sehr viel atmosphärisches Kohlendioxid, das mit den Sedimenten dem Meer zugeführt und über lange Zeiträume dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wurde.

Für die klimatische Entwicklung des Känozoikums hin zum gegenwärtigen Eiszeitalter wird der CO2-Gehalt der Atmosphäre als der dominierende Faktor angesehen. Andere Antriebe wie die Sonneneinstrahlung oder die Änderung von Meeresströmungen haben nur eine sehr untergeordnete Rolle gespielt. Die Sonneneinstrahlung hat im Känozoikum sogar um 0,4% zugenommen, was aber nur einem Strahlungsantrieb von +1 W/m2 entsprach - gegenüber einem negativen Antrieb von -10 W/m2 durch den abnehmenden Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre.

Kohlendioxid im Eiszeitalter

CO2-Konzentration und Deuterium (Proxy für Temperatur) in den letzten 640 000 Jahren

Abb.: Änderungen der atmosphärischen CO2-Konzentration in den letzten 640 000 Jahren sowie Schwankungen von Deuterium als Proxy (Stellvertreterdaten) für Temperatur im arktischen Eis. Rotbraune Streifen: Warmzeiten.4

Noch bessere Informationen über den CO2-Gehalt der Atmosphäre gibt es über die vergangenen 740 000 Jahre von Eisbohrkernen aus der Antarktis, die auch besonders gut die Korrelation zwischen Temperatur und Kohlendioxidkonzentration belegen. Diese Zeit umfasst knapp die letzte Hälfte des so genannten Eiszeitalters, das durch fast regelmäßige Schwankungen zwischen Warm- und Kaltzeiten charakterisiert ist. Grundlegende Ursache für diese Schwankungen sind Änderungen in den Parametern der Erdbahn um die Sonne. Die hierdurch bedingten zunächst relativ geringen Einflüsse auf den Strahlungshaushalt der Erde werden jedoch durch Änderungen der Albedo und der atmosphärischen Konzentration der Treibhausgase, vor allem des Kohlendioxids, erheblich verstärkt. So führt eine Verringerung der Sonneneinstrahlung zur Bildung von Eis- und Schneeflächen, die einfallende Sonnenstrahlen reflektieren und damit die eingeleitete Abkühlung verstärken. Außerdem reduziert sich durch die anfängliche Abkühlung die CO2-Konzentration (und die anderer Treibhausgase) in der Atmosphäre. Die primäre Ursache dafür liegt in der größeren Aufnahmefähigkeit von CO2 durch den kälteren Ozean. Erst durch die höhere Albedo und die geringere CO2-Konzentration werden also die anfänglich nur gering fallenden Temperaturen um mehrere Grad gesenkt und eine neue Eiszeit beginnt. Umgekehrt läuft der Prozess zu Beginn einer neuen Warmzeit: Schmelzendes Eis verringert die globale Albedo, und der höhere CO2-Gehalt, der primär aus der CO2-Abgabe des sich erwärmenden Ozeans stammt, erwärmt die Atmosphäre.

Atmosphärischer Kohlendioxid und globale Temperatur beeinflussen sich wechselseitig. Eine verringerte globale Temperatur senkt den CO2-Gehalt, und ein niedrigerer CO2-Gehalt führt zu einer noch stärkeren Temperaturabsenkung. Der CO2-Gehalt bewegt sich dabei in einer Spanne zwischen 180 und 300 ppm. Die gegenwärtige Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre liegt jenseits der eiszeitlichen Schwankungen und lässt sich nicht aus einer vorhergegangenen Erwärmung ableiten. Sie ist eine Folge anthropogener Emissionen und für die aktuelle Erwärmung verantwortlich.

Anmerkungen:
1. W. Oschmann: Vier Milliarden Jahre Klimageschichte im Überblick, in: DWD Klimastatusbericht 2003
2. Hansen, J. et al. (2008): Target Atmospheric CO2: Where Should Humanity Aim?
3
. Eigene Darstellung nach Hansen, J. et al. (2008): Target Atmospheric CO2: Where Should Humanity Aim?
4. Eigene Darstellung nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Technical Summary, Figure TS.1

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