Der Entwicklung der Erdatmosphäre hat sich ein internationales Forscherteam unter Leitung der Universität Innsbruck gewidmet. Anhand von 538 Proben des Pflanzenharzes Bernstein haben die Mineralogen die Zusammensetzung der Erdatmosphäre der vergangenen 220 Millionen Jahre rekonstruiert. Unter anderem stellten die Wissenschaftler fest, dass der atmosphärische Sauerstoffgehalt über weite Strecken wesentlich niedriger war als bisher angenommen.
Mischungsverhältnis der Gase in der Luft hat sich immer wieder verändert
Das, was wir als Luft bezeichnen, ist ein Gemisch aus etlichen Gasen in der Erdatmosphäre. Den größten Anteil in der Luft haben die Gase Stickstoff mit 78 Prozent und Sauerstoff mit 21 Prozent. Der Anteil des Edelgases Argon beträgt knapp ein Prozent, andere Gase wie Kohlenstoffdioxid, Neon, Helium, Methan oder Wasserstoff sind nur in Spuren vorhanden. Konstant ist das Mischungsverhältnis dieser Atmosphärengase aber nicht. In der Entwicklung der Erdatmosphäre hat sich die Zusammensetzung mehrmals grundlegend verändert.
Versuche, die Geschichte der Erdatmosphäre zu rekonstruieren, gestalten sich schwierig, denn es fehlt an geeignetem Probenmaterial. Zu den wenigen Materialien, die über geologisch lange Zeiträume hinweg zuverlässige Daten hinsichtlich der Erdgeschichte konservieren können, zählen fossile Harze wie Bernsteine. „Gegenüber anderen organischen Materialien haben Bernsteine den großen Vorteil, dass sie chemisch und isotopisch nahezu unverändert erhalten bleiben“, erklärt Ralf Tappert vom Institut für Mineralogie und Petrographie der Universität Innsbruck. Der Mineraloge erstellte gemeinsam mit Kollegen aus Kanada, den USA und Spanien eine Studie zur chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre seit dem Erdzeitalter der Trias, also vor etwa 250 Millionen Jahren.
Dabei machten sich die Mineralogen, Paläontologen und Geochemiker die durch Polymerisation bedingten konservierenden Eigenschaften der Pflanzenharze zu Nutze. „Pflanzen binden im Zuge der Photosynthese atmosphärischen Kohlenstoff, der in seiner isotopischen Zusammensetzung über Millionen von Jahre in den Harzen erhalten bleibt und uns Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre ermöglicht“, erklärt Ralf Tappert. Isotope bezeichnen die Varianten von Elementen, denn die Atome desselben Elementes können verschiedene Anzahl von Neutronen besitzen.
Theorie über den Gigantismus von Dinosauriern ist widerlegt
Das Forschungsteam analysierte insgesamt 538 Proben von Bernsteinen aus allen wichtigen Vorkommen weltweit, wobei die ältesten Proben etwa 220 Millionen Jahre alt sind und aus den Dolomiten in Italien stammen. Um größere Datensicherheit zu erhalten, verglich das Team die alten Bernsteine zusätzlich mit einer großen Anzahl an modernen Harzen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Sauerstoffgehalt während der letzten 220 Millionen Jahre deutlich unter den heutigen 21 Prozent lag. „Unsere Untersuchungen ergaben Werte zwischen 10 und 15 Prozent“, sagt Tappert. Diese Sauerstoffkonzentration wäre nicht nur niedriger als heute, sondern auch wesentlich geringer als von Experten bisher angenommen wurde. Für die Kreidezeit (vor 65 bis 145 Millionen Jahren) beispielsweise wurden bisher Sauerstoffwerte von bis zu 30 Prozent angenommen.
Die Forscher sehen diese geringen Sauerstoffkonzentrationen auch in Verbindung zu klimatischen Entwicklungen in der Erdgeschichte. Besonders niedrige Sauerstoffwerte sind offenbar an Intervalle mit hohen Temperaturen und damit hohen CO2-Konzentrationen gebunden. Tappert geht davon aus, dass Sauerstoff Einfluss auf die Anteile von Kohlendioxid haben kann oder dessen Eintrag in die Atmosphäre unter bestimmten Umständen sogar noch ankurbelt. Der durch den starken Vulkanismus während der Kreidezeit verursachte hohe CO2-Gehalt in der Erdatmosphäre wäre von einer Abnahme der Sauerstoffkonzentration begleitet gewesen. Umgekehrt hätten die vergleichsweise niedrigen Temperaturen während der Eiszeiten der vergangenen 50 Millionen Jahre und das Ausbleiben von größeren vulkanischen Aktivitäten zu höheren Sauerstoffwerten in der Atmosphäre geführt.
Die wechselnden Mischungsanteile der Atmosphärengase haben auch einen indirekten Einfluss auf das Klima und auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Ein bekanntes Beispiel sind die Dinosaurier. Viele Theorien zum Gigantismus der Tiere fanden eine Erklärung in den angeblich hohen Sauerstoffgehalten der Erdatmosphäre. Diese These betrachtet Tappert als widerlegt: „Der Einfluss des Sauerstoffes auf die Entwicklungsgeschichte des Lebens soll durch unsere Studie nicht geschmälert werden, aber der extreme Größenwuchs von Dinosauriern kann dadurch jedenfalls nicht erklärt werden.“ Die Wissenschaftler plädieren hier für weitere Untersuchungen und streben die Analyse noch älterer Pflanzenharze an.
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