Wie die Erde ihre Temperatur reguliert

Eine neue Studie definiert die optimalen Bedingungen für das Funktionieren des Erdthermostats, der auf der Verwitterung von Silikaten beruht.

Eine der Besonderheiten der Erde ist, dass sie über einen klimatischen Resilienzmechanismus verfügt, der es ihr ermöglicht, die Oberflächentemperatur zu stabilisieren, insbesondere durch die Regulierung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre. Dieser Mechanismus, der Teil des Kohlenstoffkreislaufs ist, beruht auf einer Abfolge physikalisch-chemischer Reaktionen, die die Verwitterung von Silikatmineralien einschließt. Dieser Mechanismus ist seit mehreren Milliarden Jahren besonders wirksam und ermöglicht es, dass der Planet trotz der zahlreichen Klimakrisen, die er erlebt hat, jedes Mal wieder in einen für lebende Organismen akzeptablen Zustand der Bewohnbarkeit zurückkehrt.

Ein Mechanismus, der je nach Temperatur mehr oder weniger wirksam ist.

Die chemische Verwitterung von Silikatmineralien, aus denen die Erdkruste hauptsächlich besteht, ist in der Tat ein großer CO2-Verbraucher. Im Gegenzug wird Kohlenstoff in Form von Bikarbonat gebunden, das, nachdem es von Flüssen transportiert wurde, auf dem Meeresboden landet, wo es mehrere Millionen Jahre lang gespeichert wird. So wirksam dieser Resilienzmechanismus auch sein mag, er ist auf menschlicher Ebene nicht messbar. Seine Auswirkungen sind erst nach mehreren zehn- oder hunderttausend Jahren zu beobachten. Kurzfristig wird er also nicht ausreichen, um den massiven CO2-Überschuss zu absorbieren, den die Menschheit derzeit in die Atmosphäre emittiert. In der Erdgeschichte ist dies jedoch eine fast unbedeutende Zeitspanne und das Verständnis der Funktionsweise dieses Mechanismus ist entscheidend, um die vergangene und zukünftige Klimaentwicklung unseres Planeten besser zu verstehen.

© Gretashum, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0-Karbonat-Silikat-Zyklus: Durch die Verwitterung von Silikaten werden große Mengen an CO2 gebunden und das Erdklima über Zeiträume von etwa 100.000 Jahren reguliert.

Eine neue Studie hat sich daher eingehend mit den Faktoren befasst, die die Verwitterung von Silikaten beeinflussen. Frühere Studien haben gezeigt, dass es sich um einen stark temperaturabhängigen Mechanismus handelt: Je höher die Oberflächentemperatur, desto effizienter ist die Verwitterung und pumpt CO2 ab, wodurch der CO2-Gehalt in der Atmosphäre sinkt und die Atmosphäre abkühlt. Umgekehrt gilt: Je niedriger die Oberflächentemperatur, desto weniger funktioniert der Mechanismus. Dann steigt der CO2-Gehalt wieder an und das Klima wird wärmer. Eine gewaltige Balance. Aber nicht alles ist so einfach. Denn es ist nicht nur die Temperatur, die eine Rolle spielt.

Wasser und Mineralien in ausreichender Menge.

Die in Science veröffentlichte Studie zeigt nämlich, dass auch die Menge an Mineralien, die durch die Erosion zur Verfügung gestellt werden, ausreichend sein muss, ebenso wie Wasser. Wasser ist ein wichtiger Punkt, da es für die Verwitterungsreaktion unerlässlich ist. Wenn man das eine oder andere wegnimmt, ist der Mechanismus weniger wirksam, selbst unter Bedingungen steigender Temperaturen. Die Geschwindigkeit der Zufuhr von Silikatmineralien ist übrigens ein limitierender Faktor. Die Autoren stellen fest, dass der Mechanismus bei niedrigen Erosionsraten unempfindlich gegenüber der Temperatur wird. Umgekehrt hätte die starke kontinentale Erosion, die die Erde in den letzten 10 bis 15 Millionen Jahren erlebt haben soll, es diesem Thermostatmechanismus ermöglicht, empfindlicher und effizienter zu sein. Wissenswert: Die Erosionsraten sind eng mit der Bildung von Hochreliefs und damit mit der Plattentektonik verbunden.

©Gilles Ehrmann, Adobe Stock-Durch die Erosion des Reliefs stehen große Mengen an Mineralien zur Verfügung, die bereit sind, chemisch verändert zu werden.

Eine genaue Quantifizierung des Prozesses bleibt jedoch schwierig. Denn die Verwitterung von Silikaten wird auch von anderen Reaktionen begleitet. Dabei handelt es sich um die Oxidation von im Gestein eingeschlossenem organischem Material und von Sulfiden. Bei diesen Reaktionen wird CO2 freigesetzt.

Auch wenn noch nicht alle Details der Funktionsweise bekannt sind, scheint dieser Erdthermostat so effektiv zu sein, dass einige Forscher vorschlagen, gemahlene Silikate in landwirtschaftlich genutzten Gebieten zu verteilen, um die CO2-Bindung zu erhöhen und CO2-Neutralität zu erreichen. Die Durchführbarkeit eines solchen Projekts bleibt jedoch ungewiss, vor allem wenn man bedenkt, dass auch viel Wasser dorthin gebracht werden muss. Ein problematischer Punkt in Anbetracht der wiederholten Dürreperioden, die wir derzeit erleben. 

Redaktion: Futura, verfasst von Morgane Gillard.

Titelbild:©Rawf8, Adobe Stock-Basierend auf der Verwitterung von Silikaten reguliert der Mechanismus des Erdthermostats die Temperatur der Erde im Maßstab von hunderttausenden von Jahren.

2.Abbildung:  © Gretashum, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

3.Abbildung: ©Gilles Ehrmann, Adobe Stock