Aug15

Der Begriff “Supervulkan” ist eine Wortneuschöpfung, die einst von den Medien für die Beschreibung der Yellowstone-Caldera geschaffen wurde. Der US-Geological Survey schuf daraufhin eine Definition für Supervulkan-Eruptionen in Abhängigkeit des Vulkanexplosivitätsindexes, dem VEI. Je nach Forschergruppe wird die Grenze Vulkan-Supervulkan bei einem VEI 7-8 oder >8 gesetzt, bei einer Fördermenge von über 1000 km3 Auswurf vulkanischer Asche und Tephra. Diese Definition berücksichtigt nur explosive Ausbrüche und lassen die gigantischen, effusiven Flutbasaltprovinzen unbeachtet.

Was sind Supervulkane?

In der Regel hinterlässt eine Supervulkan-Eruption eine Caldera oder einen Krater mit einem Durchmesser von mindestens 20 Kilometern. Die Tephra-Ablagerungen erreichen in Vulkannähe oft Mächtigkeiten von mehreren 100 Metern.
Das jüngste Beispiel einer Supervulkan-Eruption ist der Ausbruch des Taupo auf Neuseeland vor etwa 26’500 Jahren bei einem VEI von 8 und einer Fördermenge von 1200 km3 Tephra. Entstanden ist der Supervulkan selbst vor etwa 300’000 Jahren und gehört zu den gefährlichsten der Welt.

Panorama des Taupo Kratersees, Nord Insel, Neuseeland © Nydhogg, gemeinfrei

Panorama des Taupo Kratersees, Nord Insel, Neuseeland © Nydhogg, gemeinfrei

Ein weiterer Supervulkan-Ausbrauch fand vor 75’000 Jahren auf Sumatra statt. Der Toba förderte 2’100 km3 Tephra und hinterliess eine 100 x 30 km grosse Caldera: Es ist der grösste Kratersee der Erde. Man vermutet, dass das vulkanische Material bis zu 80 Kilometer hoch in die Atmosphäre geschleudert wurde. Die Asche bedeckte eine Fläche von vier Millionen Quadratkilometern und gelangte bis nach Indien. Wie man sich vorstellen kann, kam es zu einer Veränderung des Erdklimas über einen längeren Zeitraum.

Falschfarben-Satellitenaufnahme des Tobasees, der eine 100 x 30 km grosse Caldera eines Supervulkans darstellt © NASA Landsat - NASA

Falschfarben-Satellitenaufnahme des Tobasees, der eine 100 x 30 km grosse Caldera eines Supervulkans darstellt © NASA Landsat – NASA

Weiter zurück liegt der Ausbruch des Yellowstone Vulkans vor 640’000 Jahren, welcher 1000 km3 Tephra förderte. Der Vulkankomplex selbst ist 17 Millionen Jahre alt und liegt über einem Hot Spot – einer Zone, in der aus einer Tiefe von 45 bis 20 km heisses Material aus dem Erdmantel in die Erdkruste aufsteigt. Das Material der Magmakammer könnte den Grand Canyon elfmal füllen. Schwefelseen und nicht Krater weisen auf den Supervulkan unter dem Yellowstone-Park hin. Auch dieses Gebiet steht immer wieder in den Schlagzeilen, weil es Anzeichen für wiederkehrende Aktivitäten gibt; auch er gehört auf die Liste der gefährlichsten Supervulkane.

Auswirkungen von Supervulkan-Eruptionen sind global, da Asche, Tephra und Gase bis in die Stratosphäre gelangen. Wie sich dies auswirken könnte, wird in der Grafik gezeigt. Die an Vulkanen austretenden Gase sind normalerweise ein Gemisch aus Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Schwefeldioxid (SO2), Schwefelwasserstoff (H2S), Salzsäure (HCl) und Fluorwasserstoff (HF). Die Menge und Zusammensetzung der Gase hängt stark von der Gesteinsschmelze ab. Basische bzw. basaltische Schmelzen sind CO2-dominiert, während saure bzw. rhyolithische Magmen Wasserdampf-dominierte Gase hervorbringen.

Der Ausstoss von Asche, Tephra und Gasen grosser Vulkane und die Wechselwirkung in der Atmosphäre © Max-Planck-Institu

Der Ausstoss von Asche, Tephra und Gasen grosser Vulkane und die Wechselwirkung in der Atmosphäre © Max-Planck-Institut

So kommt es zur Verdunkelung der Atmosphäre (global dimming) und die Sonneneinstrahlung wird reduziert (vulkanischer Winter). Bekannte Ausbrüche mit verheerenden Folgen wie der Vesuv (VEI 4), Mount St. Helens (VEI 5) und Krakatau (VEI 6) nehmen sich im Vergleich zum Ausbruch eines “Supervulkans” bescheiden aus. Aber auch sie nehmen klimarelevanten Einfluss auf die Erde.

Was sind Flutbasalte?

Flutbasalte, Plateaubasalte oder Trapps reihen sich in die Kategorie der Magmatischen Grossprovinz (Large Igneous Province, LIP) ein. Aus kilometerlangen Spalten fliesst dünnflüssige, meistens basaltische Lava. Eine solche Grossprovinz kann gut aus 1 Million km3 Magma auf einer Flächen von mehreren Millionen km2 bestehen, das sich intrusiv oder extrusiv in geologisch kurzen Zeiträumen ausbreitet. Neben den Ozeanböden stellen die kontinentalen Flutbasalte die flächenmässig grössten Lavamassen der Erde dar, es sind etwa 45%.

Sibirischer Flutbasalt, Taymyr Peninsula © Paul Wignall; Nature

Sibirischer Flutbasalt, Taymyr Peninsula © Paul Wignall; Nature

Das grösste vulkanische Ereignis der Erde ist der sibirischen Trapp in Russland mit einer Fläche von heute 2’000’000 km² und  7’000’000 km² bei seiner Entstehung vor 250 Mio. J. Das ist grösser als die Fläche Europas. Bekannt sind auch der Dekkan-Trap in Indien von 500’000 km² vor 65 Mio. J. und das Columbia River Plateau in den US Bundesstaaten Oregon, Washington und Idaho mit 160’0000 km² vor 11 – 5 Mio. J..

Als Quelle des Sibirischen Trapps wird ein Mantelplume oder Hotspot vermutet. Die wissenschaftliche Debatte darüber hält jedoch noch an. Auch für den Dekkan-Trapp wird ein Mantelplume vermutet, nämlich der, der zur Zeit den Réunion-Hotspot speist.

Siehe Beiträge:
→ Das Magma: Woher kommt es und wie entsteht es?
Der Aufbau der Erde

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Jun27

Bei den Milanković-Zyklen (→ Gab es eine Schneeball Erde vor 750 Millionen Jahren?) handelt es sich um ein Modell die Kalt- und Warmzeiten mit den periodischen Variationen der Erdbahnparameter, welche eine Änderung der Sonneneinstrahlung bewirken, zu erklären. Es werden die langperiodischen Variationen der Solarkonstante und ihre Ausprägung auf die Jahreszeiten mathematisch beschrieben. Sie erklären die natürlichen Klimaschwankungen und sind für die Klimatologie und Paläoklimatologie von grosser Bedeutung. Die wichtigsten Parameter wie die Exzentrität, die Präzession und die Neigung der Erdachse und die daraus errechneten Zyklen sind in den beiden unteren Grafiken dargestellt. Diese Entdeckung ist dem kroatischen Mathematiker und Geophysiker Milutin Milanković zu verdanken.

Die wichtigsten Erdbahnparameter und ihre Zyklen in den letzten 1000 Millionen Jahren; @ Bild neu gezeichnet nach Zachos, J., M. Pagani, L. Sloan, E. Thomas and K. Billups (2001): Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present, Science 292, 686-693 Milankovitch_Variations

L.: Die wichtigsten Erdbahnparameter mit ihren Zyklen in den letzten 1000 Millionen Jahren; © Nach Zachos, J., M. Pagani, L. Sloan, E. Thomas and K. Billups (2001): Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present, Science 292, 686-693. R.: Diagramm der Milanković-Zyklen berechnet für die letzte Million Jahre unter Einbezug der Zyklen der Präzession, der Neigung der Erdachse, der Exzentrizität der Erdbahn und die daraus berechneten Schwankungen der Intensität der Solarstrahlung. Einbezogen wird der aus geologischen Klima-Proxys ermittelte Wechsel der Kalt- und Warmzeiten im jüngeren Pleistozän; © CC BY-SA 3.0 zusammengetragen von Robert A. Rohde aus öffentlich zugänglichen Daten.

Die Neigung der Erdachse bewirkt ein 41’000-jähriger Zyklus, denn die Erdachse steht nicht senkrecht zur Erdbahn um die Sonne. Eine solche Neigung ist langfristigen, regelmässigen Veränderungen unterworfen: Sie ist zeitweise steiler oder flacher.

Die Exzentrizität der Erdbahn bewirkt 100’000- und 400’000-jährige Zyklen, denn im Lauf eines Jahres ist der Abstand der Erde von der Sonne nicht konstant, d. h. die Erdbahn verläuft elliptisch. Diese Exzentrizität verändert sich mit der Zeit. Zur Zeit ist der Winter auf der Nordhalbkugel sonnennäher als der Sommer, was sich klimatisch bemerkbar macht. Die Änderungen der Ellipsenform erfolgen nach einer komplizierten Überlagerung von vier Zyklen. Dominant sind eine Schwankung von 100’000 Jahren und eine zweite Schwankung von 413’000 Jahren.

Die Präzession der Erdachse bewirkt ein 23’000-jähriger Zyklus und macht die Sache zusätzlich kompliziert, weil auch die Lage des Sommers und des Winters auf der Ellipse wandert. Die Periode dieser Wanderung des Perihels beträgt 23’000 Jahre und ist eine Folge der Präzessionsbewegung der rotierenden Erde, die durch die Gravitationskräfte der Sonne, des Mondes und der anderen Planeten des Sonnensystems auf den schräg stehenden Kreisel Erde hervorgerufen wird.

Die nächste Kaltzeit kommt bestimmt

Die Summe aller astronomisch klimarelevanten Konstellationen, d. h. wenn gleichzeitig starke Exzentrizität, starke Achsenneigung und Sonnennähe im Nordsommer zusammentreffen, ergibt beispielsweise eine besonders starke sommerliche Einstrahlung in den klimaempfindlichen hohen Breiten der Nordhalbkugel. Genau dort befinden sich die grossen Landmassen Sibirien und Kanada und dort kann die positive Eis-Albedo-Rückkopplung wirksam werden.

Im Unterschied zu anderen Klimaantrieben kann bei den astronomischen Bahnparametern eine zuverlässige Klimaprognose über Jahrtausende hinweg berechnet werden. Das Erdklima ist jedenfalls auf eine allmähliche Abkühlung eingestellt, die aber – hier macht sich der 400’000-Jahreszyklus bemerkbar – wesentlich schwächer ausfallen wird als die letzten vier Kaltphasen. Man erwartet daher eine länger andauernde Warmzeit ähnlich der vor rund 400’000 Jahren. Auch der 100’000-Jahres-Zyklus wird gegenüber den 23’000- und 41’000-Jahresperioden der Präzession und der Neigung der Erdachse ein wenig in den Hintergrund treten.

Für Klimaschwankungen über Jahrzehnte bis Jahrhunderte sind die astronomischen Schwankungen allerdings unbedeutend.

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Jun20

Joseph Kirschvink stellte 1992 die Hypothese der “Schneeball Erde” auf und postulierte, dass die damalige Erde vom Weltall aus – wegen der geschlossenen Eisdecke über den Meeren und den Kontinenten – wie ein gigantischer Schneeball ausgesehen haben könnte.

Illustration der "Schneeball Erde" vor mehr als 700 Millionen Jahren. Credit: NASA

Illustration der “Schneeball Erde” vor mehr als 700 Millionen Jahren. Credit: NASA

Ob die Erde einst komplett vereist war oder nicht, wird unter Forschern kontrovers diskutiert. Mindestens vier Vereisungen im späten Proterozoikum vor 750 bis 580 Millionen Jahren lassen sich in fast allen Gegenden der Erde nachweisen. Eine Gesamtvereisung der Erde wird für zwei Eiszeiten, die Sturtische vor 715 bis 680 Millionen Jahren und die Marinoische vor 660 bis 635 Millionen Jahren, vermutet. Auch eine noch frühere Vereisungen, die Huronische vor etwa 2,3 bis 2,2 Milliarden Jahren, ist nachgewiesen.

Schneeballerde

Die Ursache der Vereisungen wird im Auseinanderbrechen des Superkontinents Rodinia vermutet. Niederschläge setzte in Gegenden ein, die vorher, wegen der Grösse des Superkontinents, trocken und wüstenähnlich waren. Und so setzte neben der physikalischen Verwitterung wieder die chemische ein. Das im Regenwasser gelöste atmosphärische Kohlendioxid ermöglichte die Kohlensäureverwitterung. Weil so Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernt werden, konnten die Temperaturen sinken, was eine erdweite Vergletscherung ausgelöst haben soll.

Weitere Vermutungen sehen den Auslöser der Sturtischen Eiszeit in den Franklin-Flutbasalten im heutigen Kanada, welches sich damals am Äquator befand. Die Laven, die sich ihren Weg durch sulfatische Evaporitgesteine bahnten, setzten ungeahnte Mengen an Schwefelgasen (SO2, H2S) frei, die in die Stratosphäre aufstiegen, dort Aerosole bildeten und das Sonnenlicht reflektierten. Der Rückzug des Eises wird auf Kohlenstoffdioxid zurückgeführt, das durch Vulkanismus in die Atmosphäre entwich.

Als Folge dieser Eiszeiten sollen sich mehrzellige Lebewesen (Metazoen) entwickelt haben, die sich nach dem Ende der Eiszeit im Ediacarium (vor 630 bis 542 Millionen Jahren) explosionsartig verbreiteten (Ediacara-Fauna) → Das älteste Ökosystem der Erde.

Eine Erklärung – auch zur Klarstellung der bestehenden Diskrepanzen – liefert die sogenannte Wilsonbreen-Formation im Nordosten Spitzbergens, das ja zu jener Zeit auch am Äquator lag, wo Schnee fiel und es Gletscher gab. Diese Gesteinsschichten enthalten detaillierte Informationen über die Umweltveränderungen am Ende der Sturtischen Eiszeit. So stellten die Forscher fest, dass in der 180 Meter dicken Gesteinsabfolge verschiedene Schichten vorliegen, die unter unterschiedlichen Bedingungen entstanden sind. Sie schliessen auf drei Zyklen von Gletschervorstössen und Rückzügen, die im Zeitraum von nur 100’000 Jahren abliefen. Das Ende der Vereisung war also kein einfaches Umschalten vom Eishaus zum Treibhaus. Stattdessen änderte sich das Klima zyklisch. Triebkraft dafür waren nicht primär erhöhte Kohlendioxidwerte der Atmosphäre, sondern vielmehr Schwankungen der Erdachse, die sogenannten Milankovic-Zyklen.

→ Snowball Earth

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Jun13

Der geologische Zeitraum des Lebens auf der Erde umfasst nachweislich 3,5 Milliarden Jahre. Der Auftakt machte das Auftreten des Stromatolithen-Ökosystems. Stromatolithe sind biogene Sedimentgesteine, die durch das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen (Bakterien und blau-grüne Algen) unter Einfangen und Bindung von Sedimentpartikeln oder Fällung gelöster Stoffe in einem Gewässer entstehen.

Lebende Stromatolithenkolonie am Lake Thetis, Westaustralien; © Ruth Ellison CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1073339

Lebende Stromatolithenkolonie am Lake Thetis, Westaustralien; © Ruth Ellison CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1073339

Diese ersten Ökosysteme des Präkambriums hat man auf Spitzbergen und Grönland bis nach Südafrika, Australien und der Antarktis gefunden. Die Baumeister sind die ersten Lebensformen, zu denen die Cyanobakterien zählen. Sie zeichnen sich vor allen anderen Bakterien durch ihre Fähigkeit zur oxygenen Fotosynthese aus. Cyanobakterien besitzen im Gegensatz zu Algen keinen echten Zellkern und sind somit als Prokaryoten nicht mit den als “Algen” bezeichneten eukaryotischen Lebewesen, d. h. ein- oder mehrzellige Organismen, deren Zellen einen Zellkern enthalten, verwandt.

Das Einsetzen der Fotosynthese vor 3 Milliarden Jahren hat die Erde grundlegend umgestaltet, denn es gäbe kein atmosphärischer Sauerstoff, keine oxidative Verwitterung, keine Ozon-Schicht, kein Landleben, keine Atmung und auch kein “höheres bzw. vielzelliges Leben”. Der Entwicklungsbeginn vielzelligen Lebens, die marinen Ediacara-Faunen, setzte vor etwa 700 Millionen Jahren ein und ähnelt den heute bekannten einfacheren Formen von Algen.

Der steile Anstieg der Biodiversitätskurve wie sie mit der Kambrischen Artenexplosion um 540 Millionen Jahren zum Ausdruck kommt, hat ihre Wurzeln im Präkambrium. Dazwischen liegt jedoch ein Evolutionstief, das mit mindestens vier Vereisungen im späten Präkambrium vor 750 bis 580 Millionen Jahren in Verbindung gebracht wird.

Der kambrische Big Bang der Artenexplosionen wird mit heftigem Vulkanismus auf Grund von schnell driftenden Landmassen und damit enormen Veränderungen ehemaliger Lebensräume eingeläutet. Gondwana rotierte in nur 15 Millionen Jahren um 90 Grad. Eine solche Neuverteilung der Landmassen schuf viele neue Lebensräume, was zur biologischen Explosion und neuen Ökosystemen geführt haben musste.

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Feb09

Der Rückgang der Alpengletscher gilt als dramatisch und bedrohlich. Holz- und Torfstücke beweisen aber, dass in den letzten Jahrtausenden die Alpen meist grüner waren als heute.

Seit den neunziger Jahren sammelt das Forscherteam um den Geologieprofessor Schlüchter, was sich vor Gletscherzungen und -toren finden lässt, nämlich Holzstücke und Torfballen. Die Fundstücke präsentieren sich unspektakulär, sind aber bis zu 10’000 Jahre alt. Man erkennt die Spuren, die die Gletscher an Holzstücken und z.T. ganzen Baumstämmen hinterlassen haben, denn sie sind zerkratzt und verbogen, die Torfreste komprimiert und gepresst. Da, wo es heute nur Schutt, nackten Fels oder Eis gibt, sind früher Bäume gewachsen. Wo die Funde gehäuft vorkommen, müssen es ganze Wälder gewesen sein.

Klimawandel im Phanerozoikum; © Creative Commons

Klimawandel im Phanerozoikum; © Creative Commons. Das Phanerozoikum setzt mit Beginn des Erdmittelalters vor 540 Millionen Jahren ein.

Im Diagramm wird dieser Sachverhalt abgebildet. In der GeochemiePaläoklimatologie und Paläozeanographie ist δ18O (Delta-O-18) ein Mass für das Verhältnis der stabilen Sauerstoff-Isotope 18O/16O.

18O/16O -Daten von KorallenForaminiferen, Eisbohrkernen und Sedimenten von Süsswasserseen werden in den Paläowissenschaften als Temperaturproxy verwendet. Die für uns heute relevanten Temperaturschwankungen der letzten 12’000 Jahre im Holozän sind im unterstehenden Diagram wiedergegeben.

Temperaturvariation im Holozän

Rekonstruktion des Temperaturverlaufs von acht verschiedenen Orten der Erde während der letzten 12’000 Jahre. Die dicke schwarze Linie repräsentiert deren Durchschnitt, der jedoch nicht gleichbedeutend mit der globalen Durchschnittstemperatur ist; © Creative Commons

Wie stark die Temperatur, die diversen Treibhausgase u.a. klimarelevante Faktoren anthropogen beeinflusst werden ist ein Forschungsfeld, welches immer mehr an Bedeutung gewinnt.

>> Schweizerische Klimaforschung

Vielleicht möchte der eine oder andere Leser oder Leserin eine eigene Meinung äussern; erdwissen ist daran interessiert.

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