Eine Erde ohne Eis

Es war nicht das Klimafieber unserer Tage, denn die Welt sah noch ganz anders aus, als eine Ver­änderung von ungeheurer Tragweite sie vor 56 Millionen Jahren heimsuchte. Der Atlantik hatte sich noch nicht vollständig aufgetan, Tiere wan­derten von Asien über Europa und Grönland bis nach Nordamerika, ohne einen Flecken Eis zu betreten. Schon vor den Ereignissen, von de­nen hier die Rede sein wird, war es auf der Erde viel wärmer als heute. Als aber das Eozän die Epoche des Paläozäns ablöste, sollte es noch heißer werden – schnell und radikal.

Diese Fieberperiode wird in der Wissenschaft als Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum, kurz PETM, bezeichnet. Die Ursache war ein gewal­tiger Ausstoß von Kohlenstoff, der nach geolo­gischen Maßstäben sehr plötzlich geschah. Wie viel Kohlenstoff in die Atmosphäre gelangte, ist nicht genau geklärt. Schätzungen zufolge ent­sprach es der Menge, die heute in die Luft ge­blasen würde, wenn die Menschen sämtliche Kohle-, Öl- und Erdgasvorräte verbrennen wür­den. Es dauerte mehr als 150.000 Jahre, bis der Kohlenstoff wieder abgebaut war. Dürre, Fluten und Insektenplagen überzogen den Planeten, Arten starben aus, das Leben veränderte sich drastisch. Der Mensch selbst ist ein Ergebnis dieser vom Kohlenstoff befeuerten Evolution.

Und wir sind nun dabei, das Experiment zu wiederholen

«Das PETM ist ein Modell für das, was uns bevorsteht – es zeigt uns, was passiert, wenn wir mit der Atmosphäre herumspielen», sagt der Wirbeltier-Paläontologe Philip Gingerich von der Universität von Michigan. «Man setzt etwas in Gang, was sich verselbständigt, und erst nach hunderttausend Jahren ist das Gleichgewicht wiederhergestellt.» Gingerich und andere Palä­ontologen entdeckten den tiefgreifenden evolu­tionären Wandel am Ende des Paläozäns, lange bevor man ihn auf den Kohlenstoff-Schock zu­rückführte. Seit 40 Jahren sucht Gingerich nach Fossilien aus dieser Zeit. Sein Grabungsgebiet ist das Bighorn Basin, eine 160 Kilometer lange Hochebene östlich des Yellowstone-National­parks im US-Bundesstaat Wyoming. Meist schürft er an den Flanken der Polecat Bench, eines langen, schmalen Tafelberges.

An einem Nachmittag im Sommer fahre ich mit Gingerich in seinem himmelblauen Gelän­dewagen, Baujahr 1978, auf einem unbefestigten Weg zum Gipfel des Bergrückens und dann wei­ter zu seiner Südspitze. Hier haben wir einen guten Blick auf die bewässerten Felder und die Ölquellen in der Umgebung. «Während der letz­ten Eiszeit», so erklärt er mir, «war die Polecat Bench das Bett des Shoshone River.» Irgend­wann verlagerte sich der Fluss nach Osten und bahnte sich seinen Weg durch die weicheren, älteren Sedimente, die das Bighorn Basin füllen. Das Gleiche geschah weiter westlich mit dem Clarks Fork River. Die Polecat Bench liegt heute zwischen den beiden Flüssen und erhebt sich 150 Meter über ihre Täler. Wind und Sturzbäche formten die Flanken im Laufe der Jahrtausende zu zerklüftetem Ödland, ganze Stapel von Sedi­mentschichten kamen zum Vorschein. In ihnen hat Gingerich eine explosionsartige Evolution von Säugetieren nachgewiesen.

An der äußersten Südspitze windet sich auf halber Höhe ein 30 Meter dickes rotes Band durch die Gesteinsfalten und Wasserrinnen – wie der bunte Streifen in einer Zuckerstange. In diesem Band hat Gingerich Fossilien der ältesten Säugetiere aus der Gruppe der Unpaarhufer ent­deckt, außerdem Überreste von Paarhufern und Primaten. Ähnliche Versteinerungen fanden Forscher seither auch in Asien und Europa.

In den ersten 20 Jahren, in denen Gingerich in mühsamer Kleinarbeit den Übergang vom Paläozän zum Eozän dokumentierte, sahen die meisten Wissenschaftler in dieser Epoche ein­fach nur eine Zeit, in der eine Gruppe von Fossilien einer anderen Platz machte. Diese Wahrnehmung änderte sich 1991: Damals analysierten die Meeresforscher James Kennett und Lowell Scott die Kohlenstoff-Isotope – ver­schiedene Formen von Kohlenstoff-Atomen – in einem Sedimentbohrkern, den sie im Meeres­boden des Atlantiks unweit der Antarktis ent­nommen hatten. Genau an der Grenze zwischen Paläozän und Eozän fanden sie bei Fossilien von Foraminiferen, winzig kleinen Lebewesen, eine auffällige Verschiebung des Isotopenverhältnis­ses – ein Indiz dafür, dass dort eine riesige Men­ge an Kohlenstoff innerhalb weniger Jahrhun­derte ins Meer gelangt war.

Anfang der neunziger Jahre stießen die beiden Wissenschaftler Paul Koch von der Carnegie Institution und James Zachos, damals an der Universität von Michigan tätig, an der Polecat Bench auf die gleichen Spuren einer weltweiten Umwälzung. Sie fanden kleine kar­bonatreiche Klumpen aus allen Sedimentschich­ten, außerdem die Zähne eines frühen Säuge­tiers namens Phenacodus. Als Koch und Zachos das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope im Bo­den und im Zahnschmelz der Tiere analysierten, entdeckten sie den gleichen Spitzenwert wie in den Foraminiferen. Jetzt wurde klar, dass das PETM eine Phase der globalen Erwärmung war und sich nicht nur auf unauffällige Meeresbewohner auswirkte, sondern auch auf große Landtiere. Und die Wissenschaftler erkannten den Kohlenstoff-Spitzenwert als charakteristi­sche Spur freigesetzter Treibhausgase: Mit seiner Hilfe konnten sie das PETM weltweit nachwei­sen. Doch woher kam der ganze Kohlenstoff? Die Verursacher der gewaltigen Emissionen von heute sind wir selbst – aber vor 56 Millionen Jahren gab es uns Menschen ja noch nicht.

Am Ende des Paläozäns drifteten Europa und Grönland auseinander, und der Nordatlantik tat sich auf. Das könnte zu gewaltigen Vulkanaus­brüchen geführt haben, die das Kohlendioxid aus den Sedimenten am Meeresboden heraus­kochten. Brände könnten sich durch Torfsedi­mente aus dem Paläozän gefressen haben, Ruß solcher Feuer hat man bisher freilich noch nicht gefunden. Oder ein riesiger Komet könnte ein­geschlagen und große Kohlenstoff-Mengen frei­gesetzt haben, auch dafür gibt es keine Belege.

Nach der ältesten und beliebtesten Hypo­these stammte ein großer Teil des Koh­lenstoffs aus Ablagerungen von Methan­hydrat, einer eisähnlichen Verbindung, in der Wassermoleküle eine Art Käfig um jeweils ein Methanmolekül bilden. Große Methanhydrat-Vorkommen liegen unter der arktischen Tundra und unter dem Meeresboden am Fuß der Kon­tinentalsockel. Zur Zeit des PETM könnte eine Erwärmung – durch Vulkane oder eine gering­fügige Verlagerung der Erdumlaufbahn – dazu geführt haben, dass Hydrate schmolzen. Die Folge: Die Methanmoleküle entwichen aus ihren „Käfigen“ und stiegen in Blasen auf.

Eine beunruhigende Vorstellung: Ein Me­thanmolekül in der Atmosphäre heizt die Erde mehr als 20 Mal so stark auf wie ein Kohlendioxid-Molekül. Nach zehn bis 20 Jahren oxi­diert es zu Kohlendioxid und verursacht noch lange eine weitere Erwärmung. Viele Fachleute glauben, dass uns heute wieder ein solches Sze­nario bevorsteht: Der Temperaturanstieg durch das Verfeuern fossiler Brennstoffe könnte in der Tiefsee und im Eis des Nordens unkontrolliert Methan freisetzen.
Koch und Zachos gelangten zu dem Schluss, dass die Durchschnittstemperatur im Bighorn Basin während des PETM um rund fünf Grad Celsius anstieg. Das ist mehr als die Erwärmung seit der letzten Eiszeit. Es ist auch ein wenig mehr als das, was die Klimamodelle dort für das 21. Jahrhundert voraussagen – aber nicht mehr als das, was in den kommenden Jahrhunderten bevorsteht, wenn die Menschen weiterhin fossile Brennstoffe verfeuern.

Was sich im Bighorn Basin abgespielt hat, war eine umfassende Neuordnung des Lebens. Der Paläobotaniker Scott Wing vom National Mu­seum of Natural History der Smithsonian Insti­tution hat in diesem Gebiet über 36 Jahre hin­weg fossile Blätter gesammelt– mehr als er jemals gründlich untersuchen könnte. Jedes Jahr im Spätsommer packt er eine Kiste Fossilien nach der anderen aus und sagt sich, er werde im nächsten Jahr vernünftig sein und in Washing­ton bleiben, um seine Kataloge auf den aktuellen Stand zu bringen. Aber kaum ist der Juli gekom­men, gräbt er wieder – immer in der Hoffnung, «dass der Blitz einschlägt».

Vor ein paar Jahren geschah das tatsächlich

«Zehn Jahre habe ich nach einer solchen Fos­silienlagerstätte gesucht», sagt Wing. Wir sitzen auf einem Hügel südlich des Highway 16 zwi­schen Ten Sleep und Worland im Westen der Bighorn Mountains und bearbeiten das Gestein eines Grabens, den Wings Assistenten ausgeho­ben haben. Die Musik unserer Hämmer ist das einzige Geräusch weit und breit – meist ein dumpfes Klopfen, dann ein widerhallendes Kling-Kling wie von einer Stimmgabel und ein Knacken, sobald das Gestein nachgibt. Wenn wir lange genug klopfen, spaltet es sich entlang der Linie, die zwei alte Schlammschichten trennt. Ist die Bruchebene dann freigelegt wie die Schokoladencreme in einem Doppelkeks, kommt ein so vollkommen erhaltenes Blatt zum Vorschein, dass man mit der Lupe noch die Spu­ren erkennt, die Insekten vor 56 Millionen Jah­ren hineingefressen haben.

Das Bighorn Basin sah im Paläozän und Eozän ähnlich aus wie heute der Norden Floridas. Der Boden war sumpfig, die tiefe Ebene von einem dichten Wald aus Birken, Platanen, Urmammutbäumen, Palmen und im­mergrünen, den Magnolien ähnlichen Bäumen bedeckt. Als sich der Planet erwärmte, trockne­ten die Sümpfe aus. Neue Pflanzenarten wan­derten – teilweise vom Golf von Mexiko – in das Becken ein, auf einer Süd-Nord-Strecke von fast 1600 Kilometern. Darunter viele Bohnen, keine Gartenbohnen, sondern Bäume, die den heutigen Mimosen ähneln.

Die Blätter aus der Zeit des PETM waren nicht nur von Ungeziefer angeknabbert, sondern auch viel kleiner als ihre Vorfahren aus dem Pa­läozän. «Der Grund», sagt Wing, «war eine um 40 Prozent geringere Niederschlagsmenge.» Durch den Rückgang des Regens trocknete auch der Boden jedes Jahr derart aus, dass das darin enthaltene Eisen zu Rost wurde. Dieser Boden bildet die breiten roten Streifen, die sich heute durch die Hügellandschaft ziehen. Als dann das PETM seinen Höhepunkt erreichte, verschwan­den die roten Schichten – aber nicht, weil das Klima insgesamt feuchter wurde, sondern weil der Regen schubweise fiel. Die Flüsse traten re­gelmäßig über die Ufer und überschwemmten das Land, so dass der Boden weggespült wurde, bevor er tiefer werden konnte.

Noch auffälligere Belege für katastrophale Überschwemmungen im PETM hat der schwe­dische Geologe Birger Schmitz in den östlichen Pyrenäen gefunden. Zusammen mit seinem spanischen Kollegen Victoriano Pujalte von der Universität des Baskenlandes in Bilbao wies er den charakteristischen Kohlen­stoff-Spitzenwert am Fuß einer Felsformation nach, die heute zwar hoch im Gebirge liegt, damals aber wahrscheinlich zu einer Küstenebene gehörte. Ein Geröllfeld war vom Wasser in den entstehenden Bergen freigelegt und in eine Überschwemmungsebene gespült worden, die sich nach Überzeugung der Wissenschaftler über mehrere tausend Quadratkilometer er­streckte. Manche Gesteinsbrocken maßen einen halben Meter im Durchmesser. Sie konnten nur von heftigen Wasserbewegungen dorthin ver­frachtet worden sein.

Der Spitzenwert der Kohlendioxid-Konzen­tration in der Atmosphäre ging im Laufe einiger Jahrhunderte oder Jahrtausende zurück. Weil sich die Karbonate am Meeresboden auflösten und der Versauerung entgegenwirkten, konnte der Ozean mehr Kohlendioxid aufnehmen. Gleichzeitig löste sich das Kohlendioxid auch in den Regentropfen, die Kalzium aus dem Gestein ins Meer spülten. Dort verband es sich mit den Karbonat-Ionen zu neuem Kalziumkarbonat. Dieser Verwitterungsprozess spielt sich ständig ab, während des PETM verlief er aber schneller, weil das Klima wärmer war und der Regen mehr Säure enthielt. Nach und nach reinigte der Re­gen die Atmosphäre von dem überschüssigen Kohlendioxid, und schließlich lagerte sich der Kohlenstoff am Meeresboden in Form von Kalk­stein ab. Auf diese Weise näherte sich das Klima sehr langsam wieder den früheren Verhältnissen an. «Es war ganz ähnlich wie heute mit den fos­silen Brennstoffen», sagt Zachos. «Wir nehmen das, was in Jahrmillionen gewachsen ist, und setzen es in einem erdgeschichtlichen Augen­blick frei. Irgendwann wird das System es wieder im Gestein einschließen, aber das dauert Hun­derttausende von Jahren.»

Matt Huber arbeitet an der Purdue-Univer­sität in West Lafayette, im US-Bundesstaat In­diana. Er versucht aufzuzeigen, was geschehen wird, wenn die Menschen sämtliche Vorräte an fossilen Brennstoffen verbrauchen. Das Klima­modell, das Huber dazu verwendet, wurde vom National Center for Atmospheric Research in Colorado entwickelt und gehört zu denen, die am wenigsten den Einfluss von Kohlendioxid berücksichtigen. Dennoch gelangt er zu katastrophalen Ergebnissen. In seiner «vernünftigs­ten Annahme eines schlechten Szenarios» – sei­ne schlimmste Befürchtung ist das «Szenario der weltweiten Verbrennung» – werden Regionen, in denen heute die Hälfte der Weltbevölkerung lebt, nahezu unbewohnbar.

In großen Teilen Chinas, Indiens, Südeuropas und der Vereinig­ten Staaten würden die Durchschnittstempera­turen im Sommer Tag und Nacht, Jahr für Jahr deutlich über 40 Grad liegen. Klimaforscher sprechen nach Hubers Angaben nicht oft über solche trostlosen langfristigen Voraussagen. «Grundsätzlich bemühen wir uns immer dar­um, uns selber zu korrigieren», sagt er. «Wenn wir auf etwas wirklich Schlimmes stoßen, halten wir erst einmal inne. Aber wenn wir so weiter­machen, gibt es wirklich keine Unsicherheit mehr. Wir sind auf dem Weg ins Eozän. Und wie das aussieht, wissen wir.»

Durch das Verfeuern fossiler Brennstoffe wur­den seit dem 18. Jahrhundert mehr als 300 Mil­liarden Tonnen Kohlenstoff freigesetzt – ver­mutlich weniger als ein Zehntel dessen, was noch im Boden liegt oder was während des PETM in die Atmosphäre gelangte. Im vergan­genen Jahr haben die globalen Treibhausgas-Emissionen erneut einen Rekordwert erreicht.
Was wird geschehen, wenn wir auch den Rest unserer Vorräte verbrennen? Vielleicht gibt es der Evolution erneut einen Schub, vielleicht führt es zu einem massenhaften Artensterben. Aber ganz gleich, was mit der Menschheit geschieht, in einigen Zigmillionen Jahren dürfte es auf der Erde grundlegend anders aussehen, als es vielleicht möglich gewesen wäre – hätten wir unser Leben nicht ein paar Jahrhunderte lang auf diese Weise angeheizt.

(NG, Heft 10 / 2011, Seite(n) 106 bis 123)