Chemische Reaktionen am Meeresboden erklären Schneeball-Erde: 56 Millionen Jahre statt 4 Millionen

Eine chemische Reaktion am Meeresboden hat sich als der entscheidende Hebel herausgestellt, der erklären kann, warum eine weltweit vereisende Eiszeit 56 Millionen Jahre andauerte, während eine spätere globale Kältephase bereits nach nur 4 Millionen Jahren endete.

Damit gerät eine lange verbreitete Annahme ins Wanken: dass allein vulkanischer Kohlenstoff vorgibt, wie lange die extremsten Klimazustände der Erde anhalten.

Zwei Eiszeiten im Vergleich

Gesteine, die auf ein Alter von mehr als 600 Millionen Jahren datiert werden, dokumentieren zwei globale Vereisungen – mit stark unterschiedlichen Laufzeiten.

Indem er nachverfolgte, wie Kohlenstoff zwischen Ozean und Atmosphäre zirkulierte, zeigte Trent B. Thomas von der University of Washington (UW), dass eine verstärkte Verwitterung am Meeresboden Treibhausgase so weit absenken kann, dass eine tiefgreifende Vereisung über viele zehn Millionen Jahre stabil bleibt.

In seinen Simulationen lag die Freisetzung vulkanischen Kohlenstoffs in beiden Episoden in einem vergleichbaren Bereich. Dennoch ließ sich die lange Vereisung nur dann nachbilden, wenn die Reaktionen am Ozeanboden deutlich beschleunigt abliefen.

Diese Unwucht lenkte den Blick weg von Prozessen in der Atmosphäre und hinunter zum Meeresgrund – und machte deutlich, dass verstanden werden muss, wie der Ozeanboden eine so große Kontrolle über die „Uhr“ des Erdklimas gewinnen konnte.

Warum die Erde gefroren blieb

Geologinnen und Geologen bezeichnen solche planetenweiten Tiefstvereisungen als Schneeball-Erde-Ereignisse: Phasen, in denen Eis nahezu den gesamten Globus überzieht und bis in Äquatornähe vordringt.

„Something should be very different in the carbon system between the two Snowball Earth events if you’re going to have such a dramatic discrepancy,“ sagte Dr. Trent B. Thomas, Planetologe an der UW.

Vulkane geben CO₂ an die Atmosphäre ab. Gleichzeitig wirkt im Normalfall eine stabilisierende Rückkopplung: Auf warmen, feuchten Kontinenten beschleunigt sich die Gesteinsverwitterung, in kalten Zeiten verlangsamt sie sich.

Sobald sich Eis großflächig ausbreitet, reflektieren helle Oberflächen mehr Sonnenlicht zurück ins All. Gletscher können dann weiter vorrücken, weil der landbasierte „Thermostat“ der Verwitterung nahezu zum Stillstand kommt.

Der Meeresboden band Kohlenstoff

Als die Kontinente unter Eis eingeschlossen waren, kam die Gesteinsverwitterung an Land praktisch zum Erliegen – Meerwasser konnte jedoch weiterhin durch Risse in der ozeanischen Kruste zirkulieren.

Dieser Mechanismus heißt Verwitterung am Meeresboden: Meerwasser reagiert mit Gestein am Ozeanboden und bindet Kohlenstoff in Mineralen.

Bei diesen Reaktionen gelangen gelöste Ionen ins Wasser; anschließend fallen karbonathaltige Minerale aus. Dadurch kann der Ozean zusätzlichen Kohlenstoff dauerhaft speichern, während die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre sinkt.

Heute spielt dieser Prozess nur eine Nebenrolle. Thomas’ Modell deutet jedoch darauf hin, dass er bei einer globalen Eisbedeckung über Millionen Jahre zur dominierenden Kohlenstoffsenke werden kann.

Tausende Simulationen

Um diese Idee zu prüfen, führte das Team an der UW 10,000 Simulationen von Ozean, Atmosphäre und Gesteinen während einer globalen Tiefstvereisung durch.

In der gesamten Versuchsreihe blieben die Kohlenstoffzuflüsse aus dem Erdinneren konstant, während die Reaktionsgeschwindigkeit am Meeresboden variiert wurde.

Nur eine Kombination hielt die lange Vereisung aufrecht: Die Verwitterung am Meeresboden lief ungefähr 25-53 Mal schneller ab als heute – deutlich über den Werten, die für die kurze Vereisung ausreichten.

Weil die Raten der Kohlenstofffreisetzung in den Tests innerhalb der heutigen Unsicherheiten lagen, verlagern die Ergebnisse die maßgebliche Kontrolle über die Dauer auf den Meeresboden.

Saure Ozeane beschleunigten die Reaktionen

Ein hoher CO2-Gehalt machte das Meerwasser während der Vereisungen saurer. Wo Wasser die Kruste erreichen konnte, löste sich Meeresbodengestein dadurch schneller.

Da Eis die Flüsse weitgehend abwürgte, gelangte deutlich weniger Schlamm in die Tiefsee – ältere Kruste blieb stärker dem zirkulierenden Meerwasser ausgesetzt.

Weniger Sediment bedeutete zudem weniger „Versiegelung“ von Rissen am Meeresboden. Das dürfte mehr Wasserfluss ermöglicht und damit zusätzliche Wasser-Gestein-Reaktionen begünstigt haben.

Unter solchen Bedingungen kann der Ozeanboden zur wichtigsten Kohlenstoffsenke werden, wenn die Kontinente durch Eis praktisch verstummen.

Risse im Gestein steuerten den Durchfluss

Entscheidend war auch die Beschaffenheit des Gesteins, denn Meerwasser kann nur dort reagieren, wo es in die Kruste eindringen und sich darin bewegen kann.

Diese Durchlässigkeit wird als Porosität bezeichnet – der Anteil eines Gesteins, der aus miteinander verbundenen Hohlräumen besteht.

In der Nähe heißer Austrittsstellen am Meeresboden können bestimmte Minerale in Rissen aushärten. Das kann Wasserwege verschließen, den Durchfluss drosseln und Reaktionen verlangsamen.

Bleibt die Kruste dagegen offener, reagiert sie länger. Veränderungen der Porosität können daher darüber entscheiden, ob die Erde über sehr lange Zeiträume gefroren bleibt.

Sulfat prägte die Dauer des Eises

Auch die Ozeanchemie könnte die Porosität der Kruste beeinflusst haben – über die Menge an Sulfat, einer gelösten Schwefelverbindung im Meerwasser, die in der Nähe heißer Quellen verfügbar ist.

Ist viel Sulfat vorhanden, bilden sich in der heißen Kruste leichter Minerale, die Risse verstopfen und den Kontakt zwischen Wasser und Gestein begrenzen.

Geochemische Hinweise in der Studie deuten darauf hin, dass Sulfat während der langen Vereisung nahezu fehlte und erst vor der kurzen Vereisung wieder zunahm.

Falls sich diese Abfolge bestätigt, könnten schon geringe Schwankungen der Meerwasserchemie entscheiden, ob eine Schneeball-Erde rasch endet oder sich lange hinzieht.

Chemie hielt das globale Eis fest

Niedrige Sulfatwerte und offene Poren könnten eine Rückkopplung erzeugen, die die Verwitterung am Meeresboden hoch hält und das Auftauen hinauszögert.

Wenn weniger verstopfende Minerale ausfallen, bleiben die Poren der Kruste offen. Dadurch kann mehr Meerwasser durch das Gestein zirkulieren und die Reaktion dauerhaft speisen.

Eine länger anhaltende Eisbedeckung kann außerdem die Ozeane sauerstoffarm halten – was wiederum niedrige Sulfatkonzentrationen begünstigen kann.

„This is just meant to get the conversation started,“ sagte Thomas, nachdem er dargelegt hatte, wie die Ozeanchemie die Reaktionen am Meeresboden steuern könnte.

Ozeanchemie formt Planeten

Planetare Klimate könnten stärker von der Chemie am Meeresboden abhängen, als bislang angenommen wurde – besonders dann, wenn Oberflächenbedingungen die übliche Gesteinsverwitterung an Land stark behindern.

Auf einer eisbedeckten Welt kann sich Treibhausgas zwar über sehr lange Zeiträume langsam ansammeln, dennoch kann die Chemie am Ozeanboden den Zeitpunkt bestimmen, zu dem sich das Eis zurückzieht.

Auch ohne vollständige Schneeball-Erde könnten kältere Ozeane oder dauerhaft offene Risse im Meeresboden regulieren, wie schnell Kohlenstoff die Atmosphäre verlässt.

Da heutige Klimaprobleme deutlich schneller ablaufen und von Ökosystemen beeinflusst werden, verändert diese Arbeit vor allem das Verständnis von Erdzeitaltern – nicht kurzfristige Prognosen.

Die neue Erklärung verknüpft die Dauer uralter globaler Vereisungen mit chemischen Reaktionen am Meeresboden, die weiterhin Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernen.

Für künftige Untersuchungen werden Gesteinsbelege und geochemische Archive nötig sein, um zu prüfen, ob sich die Porosität des Meeresbodens tatsächlich so verändert hat, wie es das Modell vorhersagt.