Sonntag, 5. Juni 2011

Schwefelwasserstoffhölle

Leider war ich von Arbeit und Familie zu sehr eingebunden, um den Blog voranzubringen. Mehrere Beiträge haben es nur in den Entwurfsstatus gebracht, sind in ihm veraltet und schon wieder verworfen. Also mache ich jetzt mal etwas, das ganz bewußt nicht aktuell ist. Ich schaue 251 Millionen Jahre zurück. Damals starben 90% aller Arten im Meer und 70% an Land aus. Das Massensterben an der Grenze zwischen Perm und Trias schuf nicht nur Platz für die Dinosaurier, es ist auch ein Lehrstück für die vielen Zustände, die die Erde im ungünstigen Fall einnehmen könnte.


In früheren Beiträgen hatte ich über die Entwicklung der Erde und den Schneeball Erde geschrieben: als zuletzt vor ca. 630 Millionen Jahren der CO2-Gehalt zurückgegangen war, vermutlich als Resultat zunehmender Photosynthese und zeitweilig geringer vulkanischer Aktivität, kam ein Rückkopplungsereignis in Gang, bei dem die Erde zunehmend von Eis bedeckt wurde. Das Eis reflektierte die Sonnenstrahlung stärker und verstärkte damit die Abkühlung der Erde, bis praktisch alle Ozeane an der Oberfläche zugefroren waren. Felsablagerungen aus Eisbergen in damals äquatornahen Erdschichten sind ein Beleg für diese Ereignisse. Der gegenteilige Vorgang ist die starke Erwärmung aufgrund eines starken Anstiegs von CO2 durch vulkanische Ausgasung. Als der Superkontinent Pangäa vor 251 Millionen begann aufzubrechen, wurde dieses Ereignis durch eine gewaltige vulkanische Aktivität begleitet. Der CO2-Gehalt in der Atmosphäre war auf gut 3000 ppm angestiegen, mehr als zehnmal so viel wie der aktuelle vorindustrielle Wert in Warmzeiten. Man sollte auch nicht vergesen, daß die Stärke der Sonneneinstrahlung permanent zunimmt - eines Tages ist für die Erde ein Hitzetod unvermeidlich. Vor 251 Millionen Jahren reichte deshalb schon eine niedrigere CO2-Konzentration als vor 630 Millionen Jahren für das gleiche Temperaturniveau.

Mit dem starken Anstieg des Mischungsverhältnisses von CO2 vor 251 Millionen Jahren am Ende des Perm und somit des Erdaltertums stiegen die Temperaturen auf der Erde auf seit langem nicht mehr erreichte Werte. Die Polkappen schmolzen möglicherweise komplett ab. Wichtiger ist aber, daß die Meeresoberfläche bis zu den Polen hin sehr warm war. Dies brachte die thermohaline Pumpe komplett zum Erliegen. Diese Pumpe funktioniert darüber, daß in den polaren Gebieten Wasser mit hohem Salzgehalt und niedriger Temperatur aufgrund der hohen spezifischen Dichte absinkt. Damit kommen Wasserströmungen in Gang, durch die Oberflächen- und Tiefenwasser permanent umgewälzt werden. Ein Resultat dieser Strömungen ist der Golfstrom. Diese Strömungen können nicht nur manchen Weltgegenden mildere Temperaturen bescheren, sie sorgen auch dafür, daß weite Teile der Ozeane mit Sauerstoff versorgt werden. Vor 251 Millionen Jahren jedoch konnte in den Polarregionen das Oberflächenwasser nicht mehr absinken - die Dichteunterschiede zum Tiefenwasser waren zu gering. Dadurch und durch die größere Menge gelösten CO2 verarmten die Meere an Sauerstoff.

Auch heute gibt es Bereiche in den Ozeanen, die an Sauerstoff verarmt sind. Dies ist sowohl in der Nähe großer Flußdeltas möglich, wo zuviele Nähr- und Schwebstoffe das Wasser belasten. Der Abbau der ganzen Nährstoffe zehrt den Sauerstoff auf und anaerobe Bakterien übernehmen das Regime. In größeren Tiefen überwiegen ebenfalls anaerobe, also sauerstofffreie Verhältnisse. Hier werden organische Stoffe zu Methan oder Wasserstoff, zu Essigsäure und Sulfat abgebaut. Andere Bakterien leben von diesen Abfallprodukten. Knallgasbakterien oxidieren den Wasserstoff, wenn Sauerstoff vorhanden ist, und Schwefelbakterien beziehen ihre Energie aus dem Sulfat und dem Wasserstoff oder der Essigsäure und bauen es zu Hydrogensulfid ab. In darüber liegenden Schichten oxidieren Purpurbakterien mit Sauerstoff den Schwefelwasserstoff zu Schwefel. Die Grenze zwischen dem anaeroben Bereich und dem sauerstoffhaltigen Bereich nennt man Chemokline. Diese liegt oft in etwa 150 Metern Tiefe und ist damit komfortabel weit entfernt von dem Bereich, in dem die Chemie im Meer sich auf die Atmosphäre und das Land auswirken könnte. Doch verarmt auch das Oberflächenwasser an Sauerstoff, weil es zu warm wird, weil der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre ansteigt, weil die thermohaline Pumpe stillsteht und das Wasser schlecht durchmischt wird, steigt die Chemokline immer weiter an. Im Extremfall gibt das Meerwasser Schwefelwasserstoff ab, ein starkes Gift für alle aeroben Organismen, also für das Leben, das wir kennen.

Vor 251 Millionen Jahren dürfte ein großer Teil der Meere anaerob gewesen sein und Schwefelwasserstoff abgegeben haben. Das dürfte auch große Teile der Atmosphäre vergiftet haben. Zu allem Unglück konnte der Schwefelwasserstoff bis in die Stratosphäre aufsteigen und dort Ozon abbauen. Die Luft war nicht nur vergiftet, sondern zugleich wurden die Erde und Oberflächengewässer durch harte UV-Strahlung sterilisiert, die nicht mehr durch eine Ozonschicht herausgefiltert wurde. Verwunderlich ist nicht so sehr die Tatsache des Massensterbens, sondern vielmehr, daß überhaupt höheres Leben diese Katatstrophe überstand. Vermutlich hat es selbst in den schlimmsten Fällen noch wenige Rückzugsgebiete gegeben, wo Leben dem giftigen Schwefelwasserstoff entkommen konnte und die Sonneneinstrahlung nicht ganz so intensiv einfiel.


Vor 20 Jahren herrschte noch die Ansicht vor, daß vor allem Asteroideneinschläge Verursacher eines Massenaussterbens sein konnten. Der bekannteste Fall ist das Aussterben der Dinosaurier und anderer Organismengruppen am Ende der Kreidezeit vor 65 Millionen Jahren. Hier findet man nicht nur durch Iridiumablagerungen Hinweise auf den Einschlag des Asteroiden, auch das Aussterben von Arten und die Wiederherstellung der Artenvielfalt erfolgte schnell. Ganz anders aber bei vielen anderen Massenaussterben, wie eben am Ende des Perm, aber auch am Ende des Trias. Hier zog sich das Aussterben der Arten ebenso hin wie die Erholung. Das Ende des Perm war dadurch gekennzeichnet, daß sich immer wieder Schichten bildeten, in denen Schwefelwasserstoff auftrat, in denen weniger Kohlenstoff biologisch gebunden war und somit die Wiederherstellung der Artenvielfalt mehrere Millionen Jahre auf sich warten ließ. Tatsächlich baute sich die Überhitzung der Erde und der Aufstieg der Chemokline an die Oberfläche über einen langen Zeitraum auf und wies ein wiederholtes Voranschreiten und Zurückweichen auf. Gerade dieser Streß wird wohl letztlich den meisten Arten des Erdaltertums den Garaus gemacht haben. Dem Wechsel von Sauropoden zu Sauriern an Land entsprach im Meer das Aussterben der meisten Brachiopoden und der Aufstieg der Mollusken.

Belege für diese Abläufe sind nicht nur schwarze Schichten mit ausgefälltem Eisensulfid, sondern auch starke Schwankungen des C13/C12-Isotopenverhältnisses. Je nach Stärke der biologischen Aktivität kann sich die Atmosphäre mit C13 anreichern, das langsamer bei der Photosynthese eingebaut wird. Abgestorbene Lebewesen sind also entsprechend reicher oder ärmer an C13. Die Abweichung des Isotopenverhältnisses beim biologischen Kohlenstoff (das nicht leicht durch Säure gelöst wird) in verschiedenen Schichten zeigt also an, wie stark die biologische Aktivität war und ob gerade ein Massenaussterben einen großen Teil des Lebens ausgemerzt hatte. Zwischen Perm und Trias schwankte dieses Isotopenverhältnis mehrmals über Millionen Jahre hin und her, am Ende der Kreide vor 65 Millionen Jahren hingegen gab es nur einen eher kurzen Ausschlag im Isotopenverhältnis des Kohlenstoffs.

Die meisten Ereignisse mit einem Massenaussterben in den letzten 300 Millionen Jahren waren also Erwärmungsereignisse, ausgelöst durch einen starken Anstieg des CO2-Anteils aufgrund vulkanischer Aktivität. Gefolgt wurden diese Ereignisse durch einen Anstieg der Chemokline in den Ozeanen und möglicherweise einer Vergiftung der Oberflächengewässer und gar der Atmosphäre mit Schwefelwasserstoff. Im Extremfall wurde sogar die Ozonschicht geschädigt oder zerstört. Die Erholung der Umwelt geschah langsam über 100.000de und Millionen von Jahren. Manche Menschen denken bei hohen CO2-Anteilen nur an üppige Vegetation und reiches Leben, wie wir es aus dem Erdmittelalter kennen. Aber während ein stabil  hohes CO2-Angebot die Pflanzenwelt düngen kann, führt der starke Anstieg zunächst zu erheblichem Streß, und ein Anstieg des CO2-Anteils über 1000 ppm birgt das Risiko eines Umkippens der Ozeane zu Schwefelwasserstoffkloaken.Das ist vor allem deshalb besorgniserregend, weil Schätzungen des CO2-Gehalts der Atmosphäre nach 2100 von gut 900 ppm gefährlich nahe an diese kritische Grenze kommen. Die Erde im nächsten oder übernächsten Jahrhundert steht also in durchaus realistischer Gefahr zur Schwefelwasserstoffhölle des Übergangs vom Perm zum Trias vor 251 Millionen Jahren zu werden.

Einen weiterführenden Artikel findet man bei Spektrum der Wissenschaft, März 2007. Weitere Links hier und hier.

Kommentare:

Stefan hat gesagt…

Sehr interessanter Beitrag, Herr Zimmermann. Ich frage mich allerdings, ob die durch die Hauptreihenentwicklung der Sonne angestiegene Leuchtkraft (etwa 2,5 - 3% während der letzten 300 mio Jahre) nicht dazu führt, daß die kritische Grenze noch einiges unter 1000 PPM CO2 liegt. James Hansen hat ja (soweit das möglich ist) sogar noch drastischere Szenarien entworfen.

Zusätzlich käme mir z.B. die positive Rückkopplung marine tote Zonen --> Lachgas spontan in den Sinn. Und wenn dann die thermohaline Zirkulation einschläft... ich habe gar kein gutes Gefühl bei der Sache.

for4zim hat gesagt…

Die Abschätzungen darüber, ab wann kritische Schwellen überschritten werden (für das Abschmelzen bestimmter Eisschilde, für das Auftauen hinreichender Gebiete des Permafrostbodens, für die Freisetzung von Methanclathraten, für den Anstieg der Chemokline ... ) sind, wie ich annehme, alle sehr ungefähr, abhängig von Modellannahmen. Die Unsicherheitsbereiche könnten größer sein als der Einfluß der gestiegenen Strahlungsstärke der Sonne in den letzten 250 Millionen Jahren. Insoweit kann natürlich die kritische Grenze für das, was ich plakativ als Schwefelwasserstoffhölle bezeichne, auch unter der 1000-ppm-Grenze liegen.

Der Hinweis auf die Bildung größerer Mengen Distickstoffoxid auf einer veränderten Erde ist sehr gut. Bisher war mir nur veränderte Landnutzung als eine wesentliche Quelle für zusätzliches N2O bekannt (natürlich neben der Landwirtschaft) - anaerobe Meeresgebiete kamen mir da nicht so in den Sinn. Der Stickstoffeintrag müßte wohl von Land kommen, denn die Meere an sich sind eher arm an Stickstoff. Wenn ich mal Zeit habe, schaue ich nach, ob es dazu Literatur gibt.

Stefan hat gesagt…

Als Startpunkt:
"Interesting Times for Marine N2O",
Louis A. Codispoti, in Science 12 March 2010:Vol. 327 no. 5971 pp. 1339-1340, auch unter:

http://www.sciencemag.org/content/327/5971/1339.summary

Für mich hört sich das nach einem signifikanten externen Faktor an, der das Klimasystem erheblich beeinflussen könnte. Und ja - die Dead Zones finden sich vor allem in eutrophierten Küstenzonen.

Ich sehe die Klimadiskussion aus Sicht der Risikoanalyse, und wenn dann möglicherweise die Schwellen noch deutlich tiefer liegen und möglicherweise bisher unbekannte positive Feedbacks hinzukommen werden die Unsicherheiten offenbar deutlich größer, und die Existenz von Kippelementen erscheint wahrscheinlicher. Ich habe mich lange mit dem Thema nicht beschäftigt, aber eine grobe Durchsicht während der letzten Wochen der ernstzunehmenden aktuelleren Arbeiten scheint zu zeigen, daß die Situation im Zweifelsfalle noch beunruhigender ist, als ich ohnehin schon dachte.

for4zim hat gesagt…

Hallo, danke für das Zitat. Mir ging es vor allem um die Frage, ob der Beitrag von N2O aus dem Meer quantitativ wichtig ist. Und das ist der Fall. Ich habe mich in Detlev Möller, Luft, Walter de Gruyter Verlag, Berlin 2003, schlau gemacht. Auf Seite 38/39 finden sich da auch Angaben zum Beitrag der Meere zu den globalen N2O-Emissionen. Die Unsicherheiten sind zwar groß - es gibt Spannen von einem Faktor 2 - aber man kann sagen, daß mehr als ein Drittel des globalen N2O aus den Meeren stammt. Etwa 5 - 8 Tg N als N2O pro Jahr kommen aus natürlichen Quellen an Land und etwa 2 (könnte auch viel mehr sein) Tg aus Süßwasser und küstennahen Gewässern. Ein unbekannter weiterer Beitrag kommt aus dem restlichen Meer, der aber vermutlich (!) eine geringe Rolle spielt, weil das Meer fast überall Stickstoffmangelgebiet ist (siehe auch Lutz-Arend, Meyer-Reil, Mikrobiologie des Meeres, UTB/ WUV Facultas Wien 2005, Seite 128 ff.) . Die gesamten natürlichen Emissionen liegen bei 9 oder 10 Tg, dazu kommen an Land anthropogene Quellen um 6 Tg (überall bitte große Unsicherheitsbereiche dazu denken). Landquellen dominieren also, Meeresquellen tragen vielleicht ein Viertel bei. N2O aus den Meeren kommt üblicherweise aus den anaeroben Zonen, also genua den Gebieten, die sich im Zuge der Versauerung der Meere, der Erwärmung und des vermehrten Eintrags von Nitraten von Land ausbreiten. Üblicherweise kommt außerhalb der Küstenzonen Nitrat aus tieferen Meeresschichten. Dieser Zufluß wird bei einer Erwärmung der Meere reduziert - große Teile der Meere verarmen also an Stickstoff. Die Küstenzonen hingegen werden reicher an Nitrat und dadurch stärkere Quellen von N2O. Von hier kam es bisher auch schon vorwiegend. Ich denke, daß es realistisch ist, zu erwarten, daß sich Emissionen von N2O aus küstennahen Gewässern verdoppeln könnten. Das würde die N2O-Emissionen um gut 20% steigen lassen. Allerdings ist auch zu erwarten, daß die Quellen an Land stärker werden, vor allem durch auftauende Permafrostböden, aber auch durch den Verlust der Wälder in den Tropen und durch weitere Zunahme der intensiven Landwirtschaft. Der Effekt für den Treibhauseffekt ist allerdings relativ zu den Folgen der vermehrten Förderung von Erdgas (mehr Methan), dem vermehrten Eintrag von Methan aus dem Meer und aus auftauenden Permafrostböden eher gering anzusetzen. Etwas mehr Sorgen sollte aber der Einfluß auf die Ozonschicht sein. N2O führt zu einem verstärkten Abbau von Ozon in der Stratosphäre und da könnte ein verstärkter Eintrag aus dem Meer ein signifikanter Beitrag sein.

Ansonsten ist ein Effekt der Ausbreitung toter Zonen in den Meeren und vermehrter Ausgasung von N2O ironischerweise ein Abnahme des biologisch verfügbaren Stickstoffes in den Meeren außerhalb der Küstenbereiche und dadurch ein Verminderung der Nährstoffangebots auf der hohen See. Und dies verstärkt dadurch, daß die thermohaline Zirkulation bei einer Erwärmung der Meere geringer wird und dadurch Nitrat aus der Tiefsee weniger in die Oberflächengewässer transportiert wird.