Wie sah die Atmosphäre vor 1,4 Milliarden Jahren aus?

Die Flüssigkeitssäckchen sind in den Kristallen eingeschlossen. Foto: Justin Park .

Forscher analysierten Gase und Flüssigkeiten, die in 1,4 Milliarden Jahre alten Halitkristallen in Kanada eingeschlossen waren. Das Experiment enthüllte die Zusammensetzung der Erdatmosphäre Hunderte von Millionen Jahren vor dem Auftreten der Dinosaurier.

Die Autoren präsentierten eine im vergangenen Monat in PNAS veröffentlichte Studie, die zeigte, dass der Sauerstoffgehalt der Erde höher war als zum damaligen Zeitpunkt erwartet. Morgan Schaller vom Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) und Mitautorin der Studie erklärte, die von ihnen durchgeführten Kohlendioxidmessungen seien beispiellos.

„Wir konnten diesen Zeitraum der Erdgeschichte noch nie mit solcher Präzision untersuchen. Das sind wahrhaft uralte Atmosphärenproben“, sagte er.

Vor über einer Milliarde Jahren verdunstete ein See im heutigen Ontario, Kanada. Dabei wurde ein Teil des entstandenen konzentrierten Salzwassers zusammen mit Luftblasen in Halitkristallen eingeschlossen, wodurch unglaublich genaue Aufzeichnungen über die frühe Zusammensetzung der Erdatmosphäre entstanden.

Die Gewinnung präziser Daten aus diesen Flüssigkeitsblasen, die sowohl Luft als auch Salzwasser enthalten, stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Dies liegt daran, dass sich einige Gase, darunter Sauerstoff und Kohlendioxid (CO₂), je nachdem, ob sie in Wasser oder Luft vorliegen, unterschiedlich verhalten. Daher ist die genaue Messung von Gasen in ihrem ursprünglichen Zustand nach wie vor sehr schwierig.

Das Forschungsteam löste dieses Problem mithilfe einer Methode, die zuvor von Justin Park, einem Doktoranden am RPI und Hauptautor der Studie, entwickelt worden war. Sie entdeckten, dass die Erdatmosphäre im Mesoproterozoikum (vor 1 bis 1,6 Milliarden Jahren) zehnmal mehr Kohlendioxid enthielt als heute.

Diese hohe Konzentration trug dazu bei, ein dem heutigen relativ ähnliches Klima aufrechtzuerhalten, obwohl die Sonne damals deutlich schwächer war. Zusammen mit Temperaturschätzungen auf Basis von Salzdaten deutet diese Konzentration darauf hin, dass das Klima im Mesoproterozoikum gemäßigter war als bisher angenommen.

Die Atmosphäre enthielt damals nur 3,7 % des heutigen Sauerstoffgehalts – im Vergleich zu früheren Annahmen immer noch überraschend viel. Zu dieser Zeit wurde das Leben auf der Erde von Bakterien dominiert, und Rotalgen begannen gerade erst aufzutreten. Theoretisch reichte dieser Sauerstoffgehalt jedoch aus, um komplexe Lebensformen wie Tiere und Pflanzen zu erhalten, die sich erst etwa 800 Millionen Jahre später vollständig entwickelten.

Um zu erklären, warum das Leben so langsam entstand, sagte Park, dass diese Messungen nur einen sehr kurzen Moment in dem widerspiegeln, was Geologen die „langweilige Milliarde“ nennen. Dies ist eine Ära, die durch niedrige Sauerstoffwerte, stabile atmosphärische und geologische Bedingungen und sehr geringe evolutionäre Veränderungen gekennzeichnet ist.

Rotalgen haben in der Vergangenheit große Mengen Sauerstoff für die Erde produziert. Wissenschaftler vermuten, dass die unerwartet hohen Sauerstoffwerte jener Zeit auf eine Zunahme der Anzahl und Komplexität der Algen zurückzuführen sind.

Andererseits deuteten frühere Schätzungen, die auf indirekten Daten beruhten, darauf hin, dass die CO₂-Konzentrationen zu dieser Zeit niedriger waren. Dies widerspricht anderen Erkenntnissen, die darauf hindeuten, dass es im Mesoproterozoikum keine großen Eiszeiten gab.

„Auch wenn der Name langweilig klingen mag, sind direkte Beobachtungsdaten aus dieser Zeit von entscheidender Bedeutung, da sie uns helfen, besser zu verstehen, wie sich komplexe Lebensformen auf der Erde entwickelten und wie sich die Atmosphäre zu dem entwickelte, was sie heute ist“, schloss Park.