Dienstag, 17. November 2009

Früher Treibhauseffekt durch höheren Stickstoffgehalt der Atmosphäre?

Wurde die junge Erde durch einen höheren Stickstoffgehalt der Atmosphäre gewärmt? In der Frühgeschichte unseres Planeten lag die Strahlung der ebenfalls noch jungen Sonne deutlich unter ihrem heutigen Level. Ihre Strahlkraft betrug vor 2,5 Mrd. Jahren nur rund 83% von heute. Unter den Bedingungen der heutigen Atmosphäre wäre es also recht ungemütlich kühl auf der Erde gewesen. Da aber bis auf Ausnahmen (Snowball Earth) die Erde im Archaikum und Proterozoikum kein glitzernder Eisball gwesen ist, muss die Zusammensetzung der Erdatmosphäre anders als heute gewesen sein. Möglicherweise befanden sich mehr so genannte Treibhausgase in der Atmosphäre, wie Methan oder Kohlendioxid. Aber auch Ammoniak oder Stickoxide kommen dafür in Frage. Allerdings würde Ammoniak zu rasch aus der Atmosphäre ausgewaschen und der Gehalt an Kohlendioxid war zwar rund 25 mal so hoch wie heute, dieser Wert würde aber nicht ausreichen. Methan war unter den Bedingungen der präkmbrischen Atmosphäre vermutlich nur ein schwaches Treibhausgas und hätte mehr als das 600 -ache des heutigen Wertes erreichen müssen (> 1000 ppm). Wie weit Stickoxide beteiligt waren, ist unklar. Und für Wasserdampf, eines der stärkeren Treibhausgase, ist die Temperatur ausschlaggebend. Auch eine verringerte Wolkenbildung könnte die Albedo verringert und so zu einer Erwärmung beigetragen haben.
Ein erhöhter Gehalt der Atmosphäre mit Stickstoff würde ebenfalls helfen. Die Absorptionslinien der Treibhausgase würden verbreitert, ein Vorgang, der im englischen als "pressure broadening" bezeichnet wird. Dadurch kann mehr Strahlung absorbiert werden. Und bezogen auf ihre Masse enthält die Atmosphäre der Venus rund 3,4 mal so viel Stickstoff wie die Erdatmosphäre. Was also liegt da näher, für die frühe Erdatmosphäre einen höheren Gehalt an Stickstoff zu vermuten?
Doch auch wenn mehr Stickstoff hilft, das Paradoxon der frühen und schwächeren Sonne und einer trotzdem über lange Zeiträume eisfreien jungen Erde zu erklären, bleibt eine Frage: Wo ist der überschüssige Stickstoff heute abgeblieben? Und wie wurde er aus der Atmosphäre entfernt? Stickstoff findet sich in der Atmosphäre, den Gesteinen der Erdkruste und des Erdmantels. Während die Erdatmosphäre rund 4 x 1018 kg Stickstoff enthält, finden sich in den Ozeanen und in der Biosphäre deutlich weniger. Im Gestein liegt Stickstoff meist als NH4+ vor und ersetzt das Kalium. Verschiedenen Schätzungen zufolge (hier, hier und hier) kommen auf 2,1 x 1018 kg Stickstoff für die Gesteine der kontinentalen Erdkruste, die ozeanische schlägt nur mit 1,2 x 1016 zu buche. Damit dürfte die Menge des in den Gesteinen der Kruste gespeicherten Stickstoffes rund die Hälfte der Stickstoffmenge betragen, die sich heute in der Atmosphäre befindet. Die kontinentale Kruste als das Hauptreservoir der Kruste betrug im Archaikum möglicherweise nur rund 10% der heutigen kontinentalen Kruste. Am Ende des Proterozoikums hatte sich bereits 90 % der heutigen kontinentalen Kruste gebildet. Mit der Bildung der Kontinentalen Kruste nahm auch ihre Bedeutung als Stickstoffspeicher zu. Der Stickstoff aus der Atmosphäre wurde über biogene Fixierung zuerst in Sedimente eingetragen und von dort dann in den Kreislauf der Gesteine.
Auf dem Weg der Subduktion Wege kann er es sogar in den Erdmantel geschafft haben. Würde man die heutige Aktivität der Erde annehmen, würden auf diese Weise weniger als die Hälfte der heute in der Atmosphäre befindlichen Stickstoffmenge in den Erdmantel transportiert werden. Aber in früheren Erdzeitaltern war die Aktivität der Erde größer und damit die Menge des subduzierten Stickstoffes. Außerdem wird heute in den gut durchlüfteten Ozeanen Ammonium, einer der der Hauptträger des Stickstoffes im Sediment, rasch oxidiert. Unter den anoxischen Bedingungen der Ozeane im Archaikum und im Proterozoikum dürfte vermehrt Ammonium im Sediment vorgekommen und somit in höheren Raten subduziert worden sein. Da der Entzug des Stickstoffes aus der Atmosphäre weitgehend durch biologische Aktivitäten gesteuert wird, dürfte der Verlust des Stickstoffes aus der Atmosphäre mit dem Aufkommen der Photosynthese und der dadurch gesteigerten biologischen Aktivität zusammenfallen, jedoch bevor in den tiefen Ozeanen sauerstoffreiches Wasser die Aufnahme des Stickstoffes in die Sedimente gedrosselt hat.
Goldblatt et al.: Nitrogen-enhanced greenhouse warming on early Earth. Nature GeosciencePublished online: 15 November 2009 | doi:10.1038/ngeo692


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