Köln/Göttingen/Aarhus - Vor drei bis vier Milliarden Jahren strahlte die Sonne erheblich schwächer als heute, so dass die Erde eigentlich ein Eisklumpen hätte sein müssen. Tatsächlich gab es aber schon damals Ozeane. Eine Erklärung für diesen Widerspruch liefert ein deutsch-dänisches Wissenschaftlerteam nun im Fachjournal PNAS. So habe die Erdatmosphäre zu jener Zeit vermutlich einen extrem hohen CO2-Gehalt aufgewiesen, wodurch die Erde aufgeheizt wurde.

Die Studie könnte eine Antwort auf eine der großen offenen Fragen der Paläoklimatologie liefern. Denn tatsächlich wird seit Jahrzehnten kontrovers über das „Paradoxon der jungen schwachen Sonne“ diskutiert, das 1972 erstmals von den Astronomen Carl Sagan und George Mullen beschrieben wurde. Es besagt, dass die Sonne im Archaikum, einem Abschnitt der Erdfrühzeit, der sich von vier Milliarden bis etwa 2,5 Milliarden vor unserer Zeit erstreckte, nur mit 70 bis 80 Prozent ihrer heutigen Intensität strahlte.

Angeblich Meerestemperaturen von mehr als 70 Grad Celsius

Dennoch war das Klima auf der noch jungen Erde relativ warm, so dass es beispielsweise kaum Gletschereis gab. Zur Deutung des Widerspruchs wurden bislang CO2, Methan und andere Treibhausgase herangezogen, eine ältere Studie dänischer Geoforscher machte Wolken- und Landarmut für das Phänomen verantwortlich.

Die Untersuchungen des deutsch-dänischen Forscherteams legen nun indes nahe, dass die noch junge Erde tatsächlich durch hohe atmosphärische CO2-Gehalte aufgeheizt wurde. Nur so ließe sich auch ein anderes geowissenschaftliches Problem erklären: das der sehr hohen Meerestemperaturen von über 70 Grad Celsius. Diese stammen aus Messungen von Sauerstoff-Isotopen in sehr alten Kalk- oder Kieselgesteinen, die als Geothermometer dienen. 

Die Modellierungen der Forscher zeigen nun aber, dass hohe CO2-Gehalte in der Atmosphäre auch eine veränderte Zusammensetzung der Ozeane verursacht hätten. „Hohe CO2-Gehalte würden somit gleichzeitig zwei Phänomene erklären: zum einen das warme Klima auf der Erde und zum anderen, warum die oft herangezogenen Geothermometer scheinbar heißes Meerwasser anzeigen“, sagt Studienautor Daniel Herwartz von der Universität Köln. Berücksichtige man das andere Sauerstoff-Verhältnis des Meerwassers, ergebe sich eher eine Temperatur von 40 Grad Celsius.

Erst die Plattentektonik schuf Landmassen, die CO2 speichern konnten

Die Gesamtmenge an CO2 schätzen die Autoren der Studie auf etwa ein Bar CO2. Das sei so viel, als bestünde unsere gesamte heutige Atmosphäre aus CO2. Heute sei CO2 nur ein Spurengas in der Atmosphäre, sagt Mitautor Andreas Pack von der Uni Göttingen. „Wenn wir aber unseren Schwesterplanet Venus mit etwa 90 Bar CO2 anschauen, relativiert sich das.“ Vor etwa drei Milliarden Jahren habe die Plattentektonik und die Entwicklung von Landmassen, in denen Kohlenstoff über lange Zeit gespeichert werden konnte, gerade erst an Fahrt aufgenommen, sagt Mitautor Thorsten Nagel von der Uni Aarhus.

Eben jener Beginn der Plattentektonik veränderte den Kohlenstoffkreislauf grundlegend. Die Entstehung großer Landmassen mit Gebirgen setzte geophysikalische Prozesse in Gang, in deren Verlauf das CO2 der Atmosphäre und dem Ozean sukzessive entzogen und in Form von Kohle, Öl, Gas, Schwarzschiefern und in Kalkstein gespeichert wurde. In der Folge wurde es auf der Erde deutlich kälter, wie das vermehrte Auftreten von Eiszeiten zeigte. „Alles deutet darauf hin, dass der CO2-Gehalt der Atmosphäre nach dem Beginn der Plattentektonik schnell zurückgegangen ist“, sagt Daniel Herwartz. Mit „schnell“ ist allerdings ein Zeitraum von mehreren hundert Millionen Jahren gemeint.