Geschichte der Erdatmosphäre

In den ersten zwei bis drei Milliarden Jahren der Erdgeschichte sah die Atmosphäre völlig anders aus als heute. Es gab mehr Kohlendioxid als Sauerstoff in ihr, und es herrsche ein extremes Treibhausklima.

Geschichte der Erdatmosphäre

Die vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstandene Erde besaß zunächst keine Atmosphäre und war schutzlos einem Bombardement von Meteoriten ausgesetzt, der den ohnehin heißen Erdkörper noch weiter erhitzte. In den Ausgasungen einer sich in einem schmelzflüssigen Zustand befindlichen Erde und in den Gasen gewaltiger Vulkanausbrüche wird der Ursprung der Atmosphäre vor über 4 Milliarden Jahre vermutet. Die wichtigsten Entgasungsprodukte waren Wasserdampf und Kohlendioxid, aus denen die Uratmosphäre damals zu 90% bestand, daneben in kleineren Mengen aus Methan und Stickstoff. Es gab in dieser Atmosphäre keinen Sauerstoff. Die sehr hohe Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf lässt ein sehr extremes Treibhausklima über ca. 2 Milliarden Jahre vermuten, wie wir es heute auf der Venus finden und in dem kein Leben möglich war. Noch heute herrscht auf der Venus, dem sonnennäheren Nachbarplaneten der Erde, ein starkes Treibhausklima, da 95% der Venusatmosphäre aus CO2 bestehen. Die Temperaturen betragen dort etwa 700 °C! Auf der Erde lagen sie in der Uratmosphäre deutlich über 100 °C. Und das erklärt auch den hohen Anteil von Wasserdampf, da bei diesen hohen Temperaturen Wasser nur im gasförmigen Zustand existieren konnte.

Aufgrund der größeren Entfernung der Erde von der Sonne führte eine zunehmende Abkühlung vor etwa 3,5 Mrd. Jahren zur Kondensation des Wasserdampfes und zur Bildung des Urozeans. Die Kondensation entzog der Atmosphäre das wichtigste Treibhausgas, den Wasserdampf. Auch der Anteil des zweitwichtigsten Treibhausgases in der Atmosphäre, nämlich Kohlendioxid, begann zu sinken. Der kondensierte Wasserdampf fiel als Regen auf die Erdoberfläche und wusch das Kohlendioxid gleich mit aus. In dem entstehenden Ozean wurde das Kohlendioxid dann gelöst, verband sich mit Kalzium und sank auf den Meeresboden, wo es über lange Zeiträume in Kalkgestein gebunden und damit der Atmosphäre völlig entzogen wurde.

Gliederung des Erdzeitalters
 


Abb. 1: Gliederung des Erdzeitalters

Im Urozean der Erde entstanden vor etwa 3,5 Milliarden Jahren oder früher die ersten Organismen, Bakterien und einfachste Einzeller. Diese Organismen entwickelten die Photosynthese und banden auf diese Weise weiteres Kohlendioxid, wodurch der CO2-Gehalt der Atmosphäre weiter gesenkt wurde. Sie produzierten außerdem als "Abfallprodukt" Sauerstoff, der zunächst mit Eisen und Schwefel im Meer reagierte, später aber in die Atmosphäre entwich und dort die Grundlage für die Entwicklung komplexerer, vielzelliger Lebensformen bildete. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre blieb allerdings über die lange Zeit des gesamten Archaikums (4-2,5 Milliarden Jahre v.h.) sehr gering und betrug deutlich weniger als 1% des heutigen Anteils.

Entwicklung des Klimas und des Kohlendioxidgehalts im Phanerozoikum
Abb. 2: Entwicklung des Klimas und des Kohlendioxidgehalts im Phanerozoikum 1

Die abnehmende Oxidation im Meer und die zunehmende Photosynthese, bald auch von höher entwickelten Pflanzen wie Bäumen, ließ danach den Sauerstoffgehalt aber zunehmend ansteigen. Vor 2-2,3 Milliarden Jahren gab es einen deutlichen Sprung. Im oberen Silur (vor etwa 400 Millionen Jahren) war ein Pegel von etwa 10% des heutigen Werts erreicht. Bis zum Beginn des Kambriums (540-500 Millionen Jahre v.h.) kletterte der Wert weiter und schwankt seitdem bis heute zwischen 20 und 30 %. Durch die Senkung des CO2- und den Anstieg des O2-Gehalts war eine Atmosphäre entstanden, die eine Voraussetzung für die Entwicklung höherer Lebensformen war. Es entstanden riesige Wälder, in denen Dinosaurier lebten, und schließlich der Mensch. Bemerkenswert ist dabei, dass die Entstehung des Lebens selbst diese Bedingungen erst ermöglicht hat. Insofern hat das Leben auf der Erde sich seine eigenen Grundlagen erschaffen. Die Entwicklung der Atmosphäre ist also das Resultat einer Evolution, bei der die Erdatmosphäre und die Lebewesen sich gegenseitig beeinflusst haben. Bemerkenswert ist dabei, dass die Entstehung des Lebens selbst diese Bedingungen erst ermöglicht hat. Insofern hat das Leben auf der Erde sich seine eigenen Grundlagen erschaffen. Die Entwicklung der Atmosphäre ist also das Resultat einer Evolution, bei der die Erdatmosphäre und die Lebewesen sich gegenseitig beeinflusst haben.2

Anmerkungen:
1. Eigene Darstellung (D. Kasang) nach Royer, Dana L., Robert A. Berner, Isabel P. Montañez, Neil J. Tabor, and David J. Beerling (2004). "CO2 as a primary driver of Phanerozoic climate". GSA Today 14 (3): 4-10; auch online
2. W. Oschmann: Vier Milliarden Klimageschichte im Überblick, in: DWD Klimastatusbericht 2003 ; Lozán, J.L., L. Karbe (2011): Herkunft des Wassers, Entstehung des Lebens im Meer und der Verbleib des früheren Kohlendioxids, in: Lozán, J.L., u.a. (Hrsg): Warnsignal Klima: Die Meere - Änderungen & Risiken, Hamburg 2011, 43-51

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