Die Erde hat einen überraschenden neuen Spieler im Klimaspiel: Sauerstoff. Auch wenn Sauerstoff kein Treibhausgas ist, das Wärme einfängt, kann seine Konzentration in unserer Atmosphäre die Sonneneinstrahlung beeinflussen, und neue Modelle deuten darauf hin, dass der Effekt das Klima in der Vergangenheit verändert hat.
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Derzeit macht Sauerstoff etwa 21 Prozent der Gase in der Erdatmosphäre aus, aber dieses Niveau hat sich in der Erdgeschichte nicht stabilisiert. In den ersten paar Milliarden Jahren war in der Atmosphäre wenig Sauerstoff vorhanden. Dann, vor ungefähr 2, 5 Milliarden Jahren, begann Sauerstoff durch photosynthetische Cyanobakterien in die Atmosphäre zu gelangen. „Sauerstoff entsteht als Abfallprodukt der Photosynthese. Es wird durch Atmung verbraucht “, erklärt der Klimaforscher Chris Poulsen von der Universität Michigan, Hauptautor der heute in Science veröffentlichten Studie.
Dieses Abfallprodukt löste ein Massensterben aus, das als das Große Sauerstoffereignis bekannt war. Im Laufe der Zeit entwickelten sich jedoch neue Lebensformen, bei denen Sauerstoff in der Atmung verbraucht oder ausgestoßen wurde, und der Luftsauerstoffgehalt stieg weiter an. „Durch die Produktion und Vergrabung von Pflanzenmaterial über lange Zeiträume steigt der Sauerstoffgehalt“, erklärt Poulsen. Der Pegel kann wieder sinken, wenn diese eingeschlossene organische Substanz an Land freigelegt wird und Elemente wie Eisen mit Sauerstoff aus der Atmosphäre reagieren, eine Reaktion, die als oxidative Verwitterung bezeichnet wird. Infolge dieser Prozesse schwankte der Luftsauerstoffgehalt in den letzten 540 Millionen Jahren zwischen 10 und 35 Prozent.
Poulsen und seine Kollegen untersuchten das Klima und die Pflanzen des späten Paläozoikums und diskutierten während eines Treffens darüber, ob der Sauerstoffgehalt das Klima in der Vergangenheit irgendwie beeinflusst haben könnte. Studien haben gezeigt, dass das atmosphärische Kohlendioxid während der gesamten Zeit der Hauptklimatreiber war, und die meisten dachten, dass die Rolle von Sauerstoff vernachlässigbar war.
Computermodelle, die auf Kohlenstoffdaten basieren, konnten jedoch nicht alles erklären, was in der Akte enthalten ist. Zum Beispiel war der Cenomanianer, ein Zeitalter in der späten Kreidezeit, von hohem Kohlendioxid und hohen Temperaturen geprägt, aber Modelle dieser Zeit spucken gewöhnlich Polartemperaturen und Niederschlagsraten aus, die im Vergleich zu Daten aus paläogeologischen Aufzeichnungen zu niedrig sind. Daher begann Poulsen, ein Klimamodell zu modifizieren, um die Sauerstoffidee zu testen, und die Ergebnisse zeigten, dass Änderungen der Sauerstoffkonzentration tatsächlich durch eine Reihe von Rückkopplungen einen Einfluss hatten.
„Durch die Reduzierung des Sauerstoffgehalts wird die Atmosphäre dünner, sodass mehr Sonnenlicht auf die Erdoberfläche gelangt“, erklärt Poulsen. Mehr Sonnenlicht lässt mehr Feuchtigkeit von der Oberfläche des Planeten verdunsten, was die Luftfeuchtigkeit erhöht. Da Wasserdampf ein Treibhausgas ist, wird mehr Wärme in der Nähe der Erdoberfläche gespeichert und die Temperaturen steigen. Die erhöhte Luftfeuchtigkeit und Temperatur führt auch zu einem Anstieg der Niederschläge. Im Gegensatz dazu wird die Atmosphäre bei höheren Sauerstoffkonzentrationen dicker und streut mehr Sonnenlicht. Infolgedessen ist weniger Wasserdampf vorhanden, um Wärme einzufangen.
Das Hinzufügen von Sauerstoffeffekten in anderen Zeiträumen könnte zu genaueren Modellen der Vergangenheit des Planeten führen, sagen die Forscher. Poulsen warnt jedoch davor, dass die Studie keinen Einfluss auf das derzeitige Klima der Erde hat. Das Klima auf dem Planeten ändert sich heute, weil die Konzentrationen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid und Methan dramatisch steigen - Sauerstoff spielt keine Rolle.
"Der Sauerstoffgehalt sinkt heute, aber mit einer sehr langsamen Rate, ungefähr zehn Teile pro Million pro Jahr", sagt er. "Diese Rate ist viel zu langsam, um das Klima in der modernen Welt zu beeinflussen." und zukünftige Klimaforscher werden Sauerstoff zu ihren Modellen hinzufügen müssen, um ein vollständiges Bild zu erhalten.
