Kleinere Kontinente und weniger Wolken machten die frühe Erde zu einem effektiveren Sonnenkollektor als heute. Beide Faktoren halfen, eine globale Vergletscherung zu verhindern – trotz der schwächelnden Sonne.
Warum herrschte in der Frühzeit der Erde ein mildes Klima, obwohl die Sonne damals schwächer schien? Aus dem Studium sonnenähnlicher Sterne wissen Astrophysiker, dass die solare Leuchtkraft im Lauf der Jahrmilliarden zugenommen haben muss. Im Archaikum, also vor etwa 2,5 bis 3,8 Milliarden Jahren, hatte unser Heimatstern nur etwa 75 Prozent der heutigen Leuchtkraft. Unter vergleichbaren Randbedingungen hätte die irdische Durchschnittstemperatur deshalb etwa 26 Grad niedriger sein müssen, und Wasser wäre größtenteils zu Eis gefroren. Andererseits lesen Geologen aus den urzeitlichen Gesteinen, dass Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts herrschten und ausgedehnte Ozeane über die Urerde wogten. Bereits vor vier Jahrzehnten wies der US-Astronom Carl Sagan auf dieses Paradoxon hin und schlug vor, es müsse ein starker Treibhauseffekt wirksam gewesen sein. Seitdem ringen Wissenschaftler um die Frage, ob dies zur Erklärung wirklich reicht. Nun hat ein Team um Minik T. Rosing von der Universität Kopenhagen im Wissenschaftsblatt „ Nature” eine andere Lösung für das „faint young sun paradox” vorgeschlagen: Danach war es hauptsächlich die geringere Rückstrahlung der jungen Erde, die zu den milden Temperaturen führte. Die wichtigsten Einflussfaktoren: eine kleinere Kontinentalfläche als heute sowie eine durchsichtigere Atmosphäre. Die Rolle des Treibhauseffekts tritt hingegen zurück.
Bereits vor zwei Jahren waren Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt zu einem ähnlichen Resultat gekommen. Mit einer Modellrechnung, die Strahlung und Durchmischung der unteren Uratmosphäre erfasste, fanden die DLR-Forscher um Philip von Paris heraus, dass bereits etwa 0,3 Prozent Kohlendioxid gereicht haben dürften, um für Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts zu sorgen. Zwar entspricht das dem Zehnfachen des heutigen Kohlendioxid-Werts, liegt jedoch weit unter den Schätzungen anderer Forscher. Sie hatten deutlich höhere Werte angenommen: Um das Klimaparadox mit Kohlendioxid zu erklären, müsste dessen Gehalt mindestens um das 70-Fache über dem heutigen Niveau gelegen haben.
Einwände gegen die Treibhaus-Hypothese wurden schon länger erhoben. Meist richteten sie sich gegen vorgeschlagene Treibhausgas-Kandidaten, die die damalige Erwärmung bewerkstelligt haben sollen. Ammoniak beispielsweise – ein Gas, das Sagan ins Spiel gebracht hatte –, zersetzt sich durch die UV-Strahlung der Sonne. Auch Methan kann nur bedingt herangezogen werden: In Gegenwart von Kohlendioxid bildet es einen Nebel aus organischem Material, der die Gashülle eher abkühlt als aufheizt. Und Wasserdampf ist zwar ebenfalls treibhausaktiv, aber durch die Möglichkeit, zu Wasser zu kondensieren, vergrößert er die zu erklärende Temperaturdifferenz.
HINWEISE AUS ALTEM ERZ
In der jüngsten Studie haben die Forscher eine Modellrechnung der frühen Atmosphäre mit geologischen und biologischen Einflussfaktoren kombiniert und so die notwendigen Mengen an Kohlendioxid weiter eingegrenzt. Eine zentrale Rolle spielen Analysen von sogenanntem Bändererz – einem eisenhaltigen Sedimentgestein aus den Meeren des Archaikums. Es enthält die Mineralien Magnetit und Siderit – ein spezielles Eisenoxid und ein Eisenkarbonat. Da die Uratmosphäre und die Ozeane per Gasaustausch gekoppelt waren, kann man aus den im Meerwasser gebildeten Mineralien auch Grenzen für die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre ableiten.
Nur dreimal so viel Kohlendioxid
Das Ergebnis: Rund 0,09 Prozent Kohlendioxid sollen die Urluft erwärmt haben, also nur das Dreifache des heutigen Wertes. Bei höheren Kohlendioxid-Gehalten wären bevorzugt andere Mineralien entstanden. Den Autoren zufolge hat darüber hinaus Methan zum Treibhauseffekt beigetragen, in etwa gleich hoher Konzentration. Es gelangte hauptsächlich von sogenannten Methanbildnern in die Atmosphäre. Im Stoffwechsel dieser Einzeller entsteht Methan aus Wasserstoff und Kohlendioxid. Ihre Nachfahren leben heute in Kläranlagen und in „Schwarzen Rauchern” am Meeresgrund. Genetischen Studien zufolge dominierten die Methanbildner die frühe Biosphäre. Die Uratmosphäre zersetzte das starke Treibhausgas viel langsamer als heute, denn es gab darin noch keinen Sauerstoff. Vermutlich konnte sich Methan deshalb auf ein deutlich höheres Niveau anreichern (heute: 0,00018 Prozent).
Ein wichtiger Punkt ist, dass vor Milliarden Jahren die Erde weitgehend einer Wasserwelt glich, die Kontinente waren damals deutlich kleiner. Das führte zu mehr Absorption von Strahlung in den dunklen Ozeanen. Die Forscher berücksichtigten außerdem, dass die Evolution im Archaikum noch nicht die Photosynthese „erfunden” hatte. Es gab deshalb weder Pflanzen noch Algen. Damit entfiel eine wichtige Quelle von Kondensationskeimen für die Wolkenbildung: Oxidationsprodukte von Schwefel. Denn es mangelte sowohl daran als auch an Sauerstoff – beides Stoffwechselprodukte von Lebewesen. Daher schwebten weniger Tröpfchen und in der Folge auch weniger Wolken in der Gashülle, und die Wolken waren zudem kurzlebiger. Insgesamt war die Transparenz der Atmosphäre höher, was den Absorptionseffekt noch verstärkte. Die Summe dieser Effekte bewirkte den Modellrechnungen Minik Rosings zufolge anhaltende Plus-Grade auf dem jungen Planeten.
Die Modelle, mit denen die Forscher die Verhältnisse auf der Urerde simulieren, sind naturgemäß vereinfachte Darstellungen der Wirklichkeit. „Viele Modellrechnungen begnügen sich damit, die Durchschnittstemperatur der Erde über Null Grad zu heben”, kommentiert Philip von Paris. Allerdings sind etwa 5 bis 8 Grad mehr nötig, um eine globale Vergletscherung der Erde zu verhindern. Das liegt zum Beispiel an komplexen Wechselwirkungen, die mit der Eisbedeckung zusammenhängen: Mehr Eis führt zu mehr kühlender Rückstrahlung – und dies wiederum zu noch größeren Eisflächen. „Solche Prozesse sind in eindimensionalen Modellrechnungen nur schwer abzubilden, weshalb viele Forscher die leichter zu erreichende Null-Grad-Grenze verwenden”, erklärt der DLR-Experte. Er hofft, dass weitere methodische Verbesserungen, beispielsweise dreidimensionale Simulationen mit globalen Klimamodellen, noch bestehende Ungewissheiten beseitigen. ■
von Thorsten Dambeck
