Natürliche Prozesse, die Kohlenstoff durch die Erde bewegen, wie Plattentektonik, Subduktion und vulkanische Aktivität, scheinen heute alt und stabil, aber der Planet war nicht immer so ruhig. Während des Archäischen Äons (vor 4 bis 2,5 Milliarden Jahren) – der Teenagerzeit der Erde – war der Planet heißer und hatte mehr Vulkanausbrüche. Dieses Äon endete mit einem Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffs, dem sogenannten Großen Oxidationsereignis (Great Oxidation Event), das der Beginn der reiferen Plattentektonik war, die wir heute kennen.
In einer neuen Veröffentlichung in Nature hat ein Team von Forschern, darunter die Mitglieder der DCO Reservoirs and Fluxes Community Bernard Marty und Michael Broadley (CRPG-CNRS, Frankreich) und das Mitglied des Executive Committee Claude Jaupart (Institut de Physique du Globe de Paris, Frankreich), einen starken Anstieg der vulkanischen Aktivität vor 2,6 bis 2,2 Milliarden Jahren festgestellt, der wahrscheinlich einen Ausbruch von Wasser, Kohlendioxid und anderen flüchtigen Verbindungen in die Atmosphäre freisetzte. Die Forscher analysierten Spuren der archäischen Atmosphäre, die in flüssigkeitsgefüllten Blasen, sogenannten Einschlüssen, in Gesteinen eingeschlossen waren, die sich zu dieser Zeit bildeten. Sie schlagen vor, dass dieser massive Fluss von flüchtigen Stoffen das Große Oxidationsereignis ausgelöst haben könnte.
„Wir wissen nicht viel über das archäische Äon, das etwa 3 Milliarden Jahre zurückliegt“, sagt Marty, Co-Vorsitzender des wissenschaftlichen Lenkungsausschusses der Reservoirs and Fluxes Community. Es gibt nur wenige Gesteine aus dieser Zeitspanne, und wie er betont, wissen wir wenig über die archäische Atmosphäre und vulkanische Flüsse, „weil es damals keine Vulkanologen gab.“
In der neuen Studie untersuchten die Forscher Isotopendaten von Gesteinen, die vor 3,5 bis 2,7 Milliarden Jahren entstanden sind. „Isotope sind wie die DNA der Materie“, sagt Marty. „Jedes Element hat eine spezifische Signatur, die eine Aufzeichnung dessen ist, was zuvor passiert ist.“
Speziell untersuchten sie die Isotopenzusammensetzung des Edelgases Xenon, die verwendet werden kann, um vulkanische Aktivität im Laufe der Zeit zu schätzen. Es gibt neun verschiedene Isotope von Xenon, die sich nur durch die Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. Das Isotop 129Xe stammt aus dem radioaktiven Zerfall von Jod im Erdmantel und entweicht durch Vulkanausbrüche an die Oberfläche, so dass die Konzentrationen des Isotops in der Atmosphäre in direktem Zusammenhang mit vulkanischen Emissionen stehen. 129Xe hat sich im Laufe der Zeit allmählich in der Erdatmosphäre angesammelt.
Wie erwartet, sahen die Forscher, dass die archäische Atmosphäre wenig Xenon hatte, verglichen mit der heutigen Atmosphäre, die viel länger Zeit hatte, das Gas zu akkumulieren. Überrascht waren sie jedoch von einem rasanten Anstieg von 129Xe von vor 2,6 bis 2 Milliarden Jahren. Dies bedeutet, dass die Erde in diesem Zeitraum massive vulkanische Aktivität erlebte und riesige Mengen an Kohlenstoff und anderen flüchtigen Stoffen in die Atmosphäre freisetzte, und zwar 10- bis 100-mal schneller als heute.
Die vulkanische Aktivität, die mit der heutigen Plattentektonik verbunden ist, kann den rasanten Anstieg nicht erklären. Deshalb haben Marty und seine Kollegen vom CRPG-CNRS zusammen mit Jaupart, einem Experten für die Wärmeabgabe der Erde, ein Modell der Erdtemperatur und der vulkanischen Aktivität im Laufe der Zeit erstellt. Laut einer unabhängigen Aufzeichnung, die von vulkanischen Gesteinen hinterlassen wurde, erreichte die Innentemperatur der Erde vor 3 bis 2,5 Milliarden Jahren ihren Höhepunkt, erwärmt durch den Abbau radioaktiver Elemente. Da die primitive Plattentektonik nicht sehr effizient war, um diese Wärme freizusetzen, denken Wissenschaftler, dass die Erde überhitzte und riesige Volumina von schaumigem Brei schuf, der geschmolzenes Magma, Gase und Kristalle enthielt. Die 129Xe-Signatur deutet darauf hin, dass der Brei 200 oder 300 Millionen Jahre lang ausbrach und Gase an der Oberfläche freisetzte.
Wie bei einem Wutanfall im Teenageralter ließ der Anstieg der vulkanischen Aktivität die Erde eine Menge Dampf und andere flüchtige Stoffe ablassen, bevor sie sich in ein reiferes Muster der Plattentektonik einpendelte.
Die Forscher spekulieren, dass dieser Ausbruch von flüchtigen Stoffen am Ende der Archaischen Epoche für das Große Oxidationsereignis verantwortlich sein könnte, das zu Sauerstoffgas in der Atmosphäre führte. „Wir schlagen vor, dass die plötzliche Freisetzung von Kohlendioxid und Stickstoff in die Atmosphäre eine Menge Nährstoffe für Bakterien lieferte, so dass es einen Schub der bakteriellen Aktivität gegeben haben könnte, was bedeutet, dass sie Kohlendioxid und Stickstoff aufnahmen und Sauerstoff freisetzten“, sagt Marty.
Dieser schnelle Anstieg des Kohlendioxids am Ende des Archaikums geschah in einem ähnlichen Ausmaß wie die Kohlendioxid-Emissionen des Menschen heute. Zu verstehen, wie katastrophale Veränderungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs die alte Erde beeinflussten, kann uns helfen, die Veränderungen vorherzusagen, die sich aus unseren heutigen Emissionsraten ergeben.
Als Nächstes planen die Forscher, weitere Gesteinsproben aus diesem Zeitraum zu analysieren, um eine bessere Auflösung über den Zeitpunkt des Erdmantel-„Wutanfalls“ zu erreichen und wie er die Entwicklung des Planeten beeinflusst haben könnte. Sie planen auch, die Rolle der Sonne zu untersuchen und wie Änderungen der Sonnenleistung die Temperatur der Erde in der Vergangenheit beeinflusst haben könnten.
„Wir müssen die alte Erde wirklich besser charakterisieren“, sagt Marty. „Im Archäikum hat sich sicherlich die bakterielle Aktivität entwickelt und das Leben ist aufgeblüht. Wir müssen diese Zeitspanne besser dokumentieren und viel mehr über den Zyklus der flüchtigen Stoffe in der fernen Vergangenheit wissen.“
Hauptbild: Archäische Gesteine, wie die 3,45 Ga alte Dresser-Formation im Nordwesten Australiens, sind heute auf der Erde Mangelware, was es schwierig macht, etwas über die Bedingungen auf der Erde während des Archäischen Äons zu erfahren. Mit freundlicher Genehmigung von B. Marty