Uralte Klimaereignisse: Paläozän Eozän Thermisches Maximum

Das Paläozän-Eozän thermische Maximum (PETM) bei 56 Millionen Jahren vor der Gegenwart ist wohl das beste antike Analogon des modernen Klimawandels. Das PETM umfasste mehr als 5oC Erwärmung in 15-20 Tausend Jahren (tatsächlich etwas langsamer als die Erwärmungsraten der letzten 50 Jahre), angetrieben durch den Eintrag von mehr als 2000 Gigatonnen (ein Gigaton ist eine Milliarde Tonnen!) von Kohlenstoff in die Atmosphäre. Das PETM wurde mit dem größten Massenaussterben in der Tiefsee in den letzten 93 Millionen Jahren und einer bemerkenswerten Diversifizierung des Lebens im Oberflächenozean und an Land in Verbindung gebracht. Wegen seiner potenziellen Bedeutung haben Geologen das Ereignis studiert, und es war in den letzten 25 Jahren das Thema von großem Interesse und mehr als einer kleinen Kontroverse. Auch aus diesem Grund widmen wir der Veranstaltung hier große Aufmerksamkeit.

Beweise für die globale Erwärmung am paläozänen eozänen thermischen Maximum aus einem Kern vor der Küste der Antarktis.

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Das Aussterben der benthischen Foraminiferen ist durch den roten Pfeil dargestellt. Abnehmende Sauerstoffisotopenwerte zeigen die Erwärmung des Oberflächenozeans (planktonische Foraminiferen-Isotopenwerte) und der Tiefsee (benthische Foraminiferen-Isotopenwerte) an. Abnehmende Kohlenstoffisotopenwerte zeigen den Eintrag von Treibhausgasen entweder aus organischen (d.h. biologische) oder vulkanische Reservoirs. Während der 170k-Jahre stiegen die C-Werte, fielen aber nicht auf das vorherige Niveau, O stiegen und fielen zurück.

Bildnachweis: © Kennett & Stott (1991). Mit Genehmigung verwendet.

Die Beweise für die Erwärmung stammen aus einer Vielzahl von Quellen, von denen die überzeugendsten die Sauerstoffisotope von planktonischen und benthischen Foramen in Tiefseekernen sind. Diese Daten deuten auf eine signifikante Erwärmung von 6-8o C der Meeresoberflächengewässer in einer Reihe von Breitengraden sowie von tiefen Gewässern hin. Wir müssen hier nicht ins Detail gehen, aber dies wandelt sich in 4-5 oC der durchschnittlichen Erdtemperatur um, was ziemlich signifikant ist. Zum Vergleich: Die globale Erwärmung seit der industriellen Revolution beträgt etwa 1,2 oC. Heute ist die Erwärmung ein Ergebnis menschlicher Aktivitäten, aber zur Zeit des PETM gab es nur sehr primitive Primaten, und sie fuhren keine Autos (!), also was hat die Erwärmung damals verursacht?

Entsprechend der Sauerstoffisotopenverschiebung ist eine große und negative Änderung der Kohlenstoffisotope um 4 bis 5 Promille, die zur Definition des geologischen Ausmaßes des Ereignisses verwendet wird. Die Isotopenexkursion wurde in Sedimenten identifiziert, die im Ozean abgelagert wurden, und in terrestrischen Umgebungen wie Seen und Flüssen. Es wird eine goldene Spitze genannt, weil es auf der ganzen Welt korreliert werden kann und es markiert einen genauen Zeithorizont, tatsächlich, Die Exkursion ist jetzt die formale Definition der Grenze zwischen dem Paläozän und Eozän. Darüber hinaus ermöglicht die Exkursion in terrestrischen Sedimenten die Korrelation der Veränderungen an Land während der PETM mit denen im Ozean. Unten sehen Sie, wie das PETM im Big Horn Basin in Wyoming aussieht.

Foto des PETM im Big Horn Basin, Wyoming. Diese Gesteine wurden von Flüssen und Auen abgelagert. Sie enthalten einen erstaunlichen Fossilienbestand einschließlich früher Primaten und Blätter.

Bildnachweis: © Peter Wilf. Mit Genehmigung verwendet.

Der CO2-Gehalt in der Atmosphäre stieg während des PETM um das 3-4-fache. Unabhängig davon, ob es aus Autos, Fabriken oder aus nicht menschlichen Quellen stammt, ist CO2 ein Treibhausgas, das die Atmosphäre erwärmt. Infolgedessen waren die Oberflächentemperaturen der Ozeane auf dem Höhepunkt des Ereignisses extrem warm, insbesondere in den hohen Breiten. Vor der Küste der Antarktis, einem Ort, der heute fast gefriert, waren die Ozeane auf dem Höhepunkt des PETM etwa 20oC (68 von)! Stellen Sie sich vor, Sie springen heute aus der Antarktis in den Ozean! Tropische Meerestemperaturen waren wirklich heiß. Ein kürzlich erschienenes Papier zeigt, dass die Temperaturen vor der Küste von Westafrika waren 36 o C das ist 97 von! Jetzt bin ich im August in Miami geschwommen und es fühlt sich an wie eine Badewanne bei 88 von, aber 97 von ist praktisch unbewohnbar! Das PETM war auch mit großen Veränderungen in den Eigenschaften der Tiefsee verbunden. Anders als heute, wenn Tiefseegewässer durch Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt gekennzeichnet sind, PETM tiefe Gewässer waren 10-15o C. Dies scheint nicht so warm den ganzen Tag, aber es besteht kein Zweifel, dass eine grundlegende Veränderung in der Art und Weise Zirkulation im Ozean verursacht wird gearbeitet. Der Meeresspiegel war während der PETM etwas höher, und die Kontinente befanden sich in verschiedenen Positionen, wie auf der Karte unten gezeigt.

Karte, die die Verteilung der Kontinente um den Atlantischen Ozean während der PETM zeigt. Die Karte zeigt, dass der Meeresspiegel höher war.

Bildnachweis: © Chris Scotese. Mit Genehmigung verwendet.

Wahrscheinlich war die Ursache für diese warmen tiefen Gewässer, dass sie von anderen Oberflächenmeeren kamen als heute (siehe Modul 6 für weitere Details zu den Quellen moderner tiefer Gewässer), kombiniert mit der Erwärmung, die im Oberflächenmeer stattfand. Da wärmeres Wasser weniger Sauerstoff enthält als kaltes Wasser, waren PETM-Tiefengewässer an vielen Orten wahrscheinlich nahe an einem Zustand, der als Hypoxie bekannt ist (wir werden mehr darüber in Modul 6 erfahren). Das Wort Hypoxie klingt nicht zu belastend, aber stellen Sie sich für eine Minute vor, Sie sind ein Fisch und benötigen Sauerstoff zum Atmen. Hypoxie wäre für eine solche Kreatur wirklich schrecklich gewesen! Schließlich führte der Eintrag von so viel CO2 in den Ozean dazu, dass das Meerwasser saurer wurde und zu einem Zustand führte, der als Ozeanversauerung bekannt ist (tut mir leid, dass ich weiter springen muss, aber wir werden in Modul 7 viel mehr darüber erfahren!). Die Versauerung der Tiefsee während des PETM wird gut angenommen und wird durch vollständige Auflösung aller CaCO3-Schalen beobachtet, die auf den Meeresboden geregnet haben. Für Kreaturen, die eine Hülle zum Schutz vor Raubtieren und zum Schutz der weichen Zellteile vor dem rauen Ozean benötigen, wäre die Versauerung katastrophal gewesen. Im Vergleich dazu erlebte der flache Ozean eine viel geringere Abnahme seines Säuregehalts und Shelly-Kreaturen blühten dort weiter.