Verbesserte chemische Verwitterung: Eine Lösung für die Klimakrise?

29. August 2023

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by Petra Giegerich, Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Könnte die Mischung von Schotter mit Ackerboden die globalen Temperaturen senken? Forscher der Universität Mainz haben globale Erwärmungsereignisse vor 40 und 56 Millionen Jahren untersucht, um Antworten zu finden. Ihre Forschungsarbeit wurde kürzlich in Nature Geoscience veröffentlicht.

Die Erde wird heißer und die Folgen sind in diesem Sommer überall auf der Welt sichtbar geworden. Rückblickend auf die Erdgeschichte sind Ereignisse der globalen Erwärmung keine Seltenheit: Vor etwa 56 Millionen Jahren, während des sogenannten Paläozän-Eozän-Thermalmaximums (PETM), stiegen die Temperaturen im Durchschnitt um 5 bis 8° Celsius. Diese Entwicklung hing höchstwahrscheinlich mit zunehmendem Vulkanismus und der damit verbundenen Freisetzung großer Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre zusammen. Die höheren Temperaturen hielten etwa 200.000 Jahre lang an.

Bereits 2021 hatte Professor Philip Pogge von Strandmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) den Effekt untersucht, der nach der PETM-Erwärmung schließlich zu einer globalen Abkühlung und Klimaerholung führte. Kurz gesagt: Regenwasser kombinierte sich mit dem atmosphärischen Kohlendioxid, was zu Kohlensäure führte, die zu einer verstärkten Verwitterung des Gesteins führte und so Kalzium und Magnesium freisetzte.

Flüsse transportierten dann Kalzium, Magnesium und Kohlensäure in die Ozeane, wo sich Kalzium, Magnesium – und auch Kohlendioxid – zu unlöslichem Kalkstein vereinigten.

„Mit anderen Worten: Es gibt einen Rückkopplungseffekt, der hilft, das Klima zu kontrollieren. Hohe Temperaturen beschleunigen den chemischen Verwitterungsprozess des Gesteins, reduzieren den Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre und ermöglichen eine Erholung des Klimas“, sagte Pogge von Strandmann.

Die Klimaerwärmung kam 16 Millionen Jahre nach dem PETM während des Klimaoptimums des mittleren Eozäns (MECO) erneut vor. Obwohl durch die vulkanische Aktivität ungefähr die gleichen Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wurden wie während des PETM, dauerte es deutlich länger, bis sich das Klima wieder stabilisierte. Der Erwärmungseffekt hielt gewaltige 400.000 Jahre an, doppelt so lange wie im PETM. Warum verlief die Erholung in dieser Zeit so langsam?

Auf der Suche nach einer Antwort begannen Pogge von Strandmann und Co-Autoren, darunter Erstautor Alex Krause, mit der Analyse 40 Millionen Jahre alter ozeanischer Karbonate und Tonmineralien, um die Ergebnisse mit denen ähnlicher 56 Millionen Jahre alter Exemplare zu vergleichen .

„Genau wie während des PETM kam es auch im MECO zu verstärkter Verwitterung und Erosion. Allerdings gab es vor 40 Millionen Jahren deutlich weniger freiliegendes Gestein auf der Erdoberfläche. Stattdessen war die Erde großflächig von einem globalen Regenwald bedeckt, dessen Boden bestand größtenteils aus Tonmineralien“, erklärte der Forscher.

Im Gegensatz zu Gestein verwittert Ton nicht; Tatsächlich ist es das Produkt der Verwitterung. „Trotz der hohen Temperaturen verhinderte der weit verbreitete Lehmboden also eine wirksame Verwitterung des Gesteins, einen Prozess, der als Bodenabschirmung bezeichnet wird“, sagte der Geowissenschaftler.

Wie können wir dieses Wissen in der heutigen Welt nutzen? „Wir erforschen das Paläoklima, um herauszufinden, ob und wie wir unser heutiges Klima positiv beeinflussen können. Eine Möglichkeit wäre, die chemische Verwitterung von Gesteinen anzukurbeln. Um dies zu erreichen, könnten wir fein gebrochenes Gestein auf unsere Felder pflügen“, sagt Pogge von Strandmann. Die feinkörnigen Gesteinspartikel würden schnell erodieren, dabei atmosphärisches Kohlendioxid binden und so eine Erholung des Klimas ermöglichen.

Solche Negativ-Emissions-Technologien (NETs), bei denen Kohlendioxid absorbiert wird, sind weltweit Gegenstand intensiver Forschung. Kommt es bei der Verwitterung jedoch gleichzeitig zu einer Tonbildung, wären die Effekte des Prozesses deutlich weniger effizient, wie Pogge von Strandmann herausgefunden hat. Ton speichert Kalzium und Magnesium, die sonst ins Meer gelangen würden. Das Kohlendioxid würde weiterhin in die Ozeane strömen, dort aber nicht gebunden werden und wieder in die Atmosphäre entweichen können. In diesem Fall hätte der Verwitterungseffekt nahezu keinen Einfluss auf das Klima.

Sollten sich die Gesteinspartikel durch die Verwitterung vollständig auflösen, wäre das erweiterte Verwitterungskonzept zu 100 % effizient. Wenn jedoch alle verwitterten Materialien in Ton umgewandelt würden, würde dies wiederum den Effekt völlig zunichte machen.

In der Realität dürfte das tatsächliche Ergebnis irgendwo zwischen den beiden Extremen liegen: Während es im PETM zu einer verstärkten Gesteinserosion kam, so dass sich das Klima schneller normalisierte, überwiegte während des MECO die Tonbildung. Das Ausmaß, in dem sich das zerkleinerte Gestein auflöst und wie viel davon als Ton erhalten bleibt, hängt von einer Reihe lokaler Faktoren ab, beispielsweise den weltweit bereits vorhandenen Ton- und Gesteinsvorkommen.

Um also festzustellen, ob der Prozess der verstärkten Verwitterung ein sinnvoller Ansatz ist, müsste zunächst ermittelt werden, wie viel Ton während des Verwitterungsprozesses an jedem potenziellen Standort gebildet wird.

Mehr Informationen: Alexander J. Krause et al., Verbesserte Tonbildung ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung des mitteleozänen Klimaoptimums, Nature Geoscience (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-01234-y

Zeitschrifteninformationen:Naturgeowissenschaften

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