Verborgener Klima-Regler entdeckt: Wie der Ozean die Erde über Millionen Jahre kühlte

Der verborgene Klima-Regler im Ozean: Wie Phosphat die Erde über Millionen Jahre kühlte Was geschieht mit dem Kohlenstoff, wenn ein Planet über Jahrmillionen von einer heißen Treibhauswelt zu einem deutlich kühleren Klima wechselt?

Diese scheinbar einfache Frage beschäftigt die Geowissenschaften seit Langem. Bekannt ist, dass die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre während der vergangenen rund 60 Millionen Jahre insgesamt sank. Die Erde kühlte sich ab, an den Polen entstanden große Eisschilde und der Planet wechselte schrittweise vom sogenannten Treibhaus- in einen Eishauszustand.

Doch ein entscheidendes Puzzleteil fehlte: Wo blieb ein großer Teil des Kohlenstoffs?

Eine neue Untersuchung liefert nun eine überraschende Antwort. Demnach könnte ein bislang unterschätztes Zusammenspiel aus Meeresspiegel, Sauerstoffgehalt und Phosphat dafür gesorgt haben, dass immer mehr organischer Kohlenstoff dauerhaft im Meeresboden verschwand.

Der Mechanismus wirkte nicht innerhalb weniger Jahre oder Jahrhunderte. Er entfaltete sich über Millionen Jahre – langsam, gewaltig und weitgehend unsichtbar.

Die Studie wurde von Forschenden der University of Oxford, der Syracuse University und der Universität Kopenhagen erarbeitet und im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht. Sie kombiniert geochemische Messreihen, Kohlenstoffisotope, Daten zur Phosphorablagerung und Rekonstruktionen des Sauerstoffgehalts früherer Ozeane.

Der Ozean als langfristiger Kohlenstoffspeicher Die Weltmeere nehmen nicht nur Wärme auf. Sie sind auch ein zentraler Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs.

Mikroskopisch kleine Algen und andere marine Organismen nutzen Kohlendioxid und Nährstoffe für ihr Wachstum. Stirbt dieses Plankton ab, sinkt ein Teil des organischen Materials in tiefere Wasserschichten. Ein großer Anteil wird dort wieder zersetzt und gelangt zurück in den Kreislauf.

Ein kleiner Teil erreicht jedoch den Meeresboden, wird von Sedimenten bedeckt und langfristig eingeschlossen. Damit verschwindet der darin gespeicherte Kohlenstoff für sehr lange Zeit aus dem direkten Austausch mit der Atmosphäre.

Diese sogenannte biologische Kohlenstoffpumpe ist grundsätzlich bekannt. Die neue Studie deutet jedoch darauf hin, dass die langfristige Einlagerung von organischem Kohlenstoff in Meeressedimenten während der vergangenen 60 Millionen Jahre eine deutlich größere Rolle gespielt haben könnte als bisher angenommen.

Ein unscheinbarer Nährstoff wird zum Schlüssel Im Mittelpunkt der Entdeckung steht Phosphat – eine chemische Form des Elements Phosphor.

Phosphor ist für nahezu alles Leben unverzichtbar. Er wird unter anderem für Zellmembranen, den Energiestoffwechsel und die Erbinformation benötigt. Im Meer begrenzt die verfügbare Menge an Phosphat deshalb häufig, wie stark mikroskopische Organismen wachsen können.

Mehr verfügbares Phosphat kann die biologische Produktion erhöhen. Dadurch entsteht mehr organisches Material, von dem wiederum ein Teil in die Tiefe sinkt und im Sediment gespeichert werden kann.

Nach den neuen Berechnungen hing die Menge des verfügbaren Phosphats eng mit dem jeweiligen Meeresspiegel zusammen.

Hoher Meeresspiegel: Phosphat bleibt an den Küsten hängen In besonders warmen Phasen der Erdgeschichte gab es weniger Eis an den Polen. Der Meeresspiegel lag deutlich höher und große Teile der heutigen Kontinentalränder waren von flachem Wasser bedeckt.

Diese breiten Schelfmeere wirkten wie riesige Nährstofffallen.

Flüsse transportierten Phosphor aus verwitternden Gesteinen vom Land in Richtung Meer. In den flachen Küstenzonen lagerten sich gleichzeitig große Mengen Sediment ab. Phosphat wurde dort gebunden und begraben, bevor es den offenen Ozean erreichen konnte.

Die Folge: Im offenen Meer stand weniger Phosphat für das Wachstum von Plankton zur Verfügung. Die biologische Produktion blieb vergleichsweise niedrig, weniger organischer Kohlenstoff sank zum Meeresboden und ein größerer Anteil des Kohlendioxids verblieb langfristig in der Atmosphäre.

Die Forschenden vergleichen den Vorgang mit dem Schmutzrand einer langsam ablaufenden Badewanne: Die Zone, in der Material zurückbleibt, wandert mit dem Wasserstand und verändert dabei ihre Größe.

Sinkende Meere öffneten den Weg zum offenen Ozean Als sich die Erde abkühlte und an den Polen zunehmend Eis bildete, fiel der Meeresspiegel. Die überfluteten Kontinentalschelfe wurden kleiner – und damit schrumpfte auch die Fläche, auf der Phosphat besonders effizient in Küstensedimenten festgehalten wurde.

Mehr Phosphat gelangte nun in den offenen Ozean.

Dort kurbelte es das Wachstum des Phytoplanktons an. Mehr Organismen bedeuteten mehr organisches Material und damit grundsätzlich auch mehr Kohlenstoff, der in Richtung Meeresboden transportiert werden konnte.

Gleichzeitig hatte dieser Produktivitätsschub eine zweite Wirkung: Beim Abbau des absinkenden Materials verbrauchten Mikroorganismen Sauerstoff. In Teilen des Ozeans breiteten sich dadurch sauerstoffarme Zonen aus.

Genau diese Sauerstoffarmut verstärkte den Prozess möglicherweise weiter. Unter sauerstoffarmen Bedingungen kann gebundenes Phosphat leichter aus Sedimenten freigesetzt werden. Der zusätzliche Nährstoff förderte wiederum neues Wachstum – und damit die Produktion und Ablagerung weiteren organischen Kohlenstoffs.

Es entstand eine sich verstärkende Rückkopplung:

Mehr Phosphat führte zu mehr biologischer Produktion, mehr Kohlenstofftransport in die Tiefe und langfristig zu weniger Kohlendioxid in der Atmosphäre.

Der überraschende „Sweet Spot“ des Meeresspiegels Besonders stark war der Mechanismus offenbar nicht bei den niedrigsten Meeresspiegelständen, sondern in einem mittleren Bereich.

Die Forschenden identifizierten einen möglichen „Sweet Spot“ bei einem globalen Meeresspiegel von ungefähr zehn bis 40 Metern über dem heutigen Niveau. In dieser Phase konnten sauerstoffarme Wassermassen genau jene kohlenstoff- und phosphatreichen Sedimente an den Kontinentalrändern erreichen, aus denen besonders viel Phosphat freigesetzt werden konnte.

Dadurch wurde die Speicherung organischen Kohlenstoffs über Zeiträume von mehreren Millionen Jahren verstärkt.

Fiel der Meeresspiegel weiter, verlagerten sich die sauerstoffarmen Wasserschichten zunehmend in größere Tiefen. Sie verloren den Kontakt zu den besonders nährstoffreichen Schelfsedimenten. Die Rückkopplung wurde schwächer.

Dieser selbstbegrenzende Effekt ist entscheidend. Ohne ihn hätte eine immer stärkere Kohlenstoffeinlagerung theoretisch zu einer extremen und möglicherweise globalen Vereisung beitragen können. Stattdessen scheint der Mechanismus nur innerhalb bestimmter räumlicher und chemischer Bedingungen besonders wirksam gewesen zu sein.

Die Erde besaß damit keinen einfachen Ein-Aus-Schalter, sondern ein fein abgestimmtes Netzwerk aus Rückkopplungen.

Warum das Eozän so lange warm blieb Die Ergebnisse könnten auch erklären, warum die Erde während des Eozäns vor etwa 56 bis 34 Millionen Jahren über lange Zeit ungewöhnlich warm blieb.

Damals lagen die Meeresspiegel weit über dem heutigen Niveau. Große Kontinentalflächen waren von flachen Meeren bedeckt. In diesen Regionen wurde besonders viel Phosphat in Sedimenten eingeschlossen.

Im offenen Ozean fehlte dadurch ein Teil des Nährstoffs. Die biologische Produktion und die langfristige Einlagerung organischen Kohlenstoffs blieben geringer. Gleichzeitig waren große Teile des Meeres vergleichsweise gut mit Sauerstoff versorgt, sodass weniger Phosphat aus Sedimenten zurück ins Wasser gelangte.

Der neu beschriebene Mechanismus war während dieser Zeit offenbar weitgehend abgeschwächt. Mehr Kohlendioxid konnte in der Atmosphäre verbleiben und das warme Klima über Millionen Jahre aufrechterhalten.

Millionen Jahre Klimageschichte aus winzigen Fossilien Um Sauerstoffbedingungen aus längst vergangenen Ozeanen zu rekonstruieren, untersuchte das Team unter anderem fossile Schalen von Foraminiferen. Diese winzigen Meeresorganismen nehmen während ihres Lebens verschiedene chemische Elemente aus dem Wasser auf.

Von besonderer Bedeutung ist dabei das Verhältnis von Iod zu Kalzium in ihren Kalkschalen. Es kann Hinweise darauf liefern, wie viel Sauerstoff sich zum damaligen Zeitpunkt im Meerwasser befand.

Die Forschenden verbanden diese Daten mit Aufzeichnungen über Kohlenstoffisotope und die Anreicherung von Phosphor in Tiefseesedimenten. So entstand ein Bild davon, wie sich biologische Produktion, Sauerstoffgehalt und Kohlenstoffablagerung im Verlauf des Känozoikums gegenseitig beeinflusst haben könnten.

Ein „Thermostat“ – aber kein Schutzschild für die Gegenwart Die Vorstellung eines natürlichen Erdthermostats klingt beruhigend. Sie darf jedoch nicht missverstanden werden.

Die untersuchte Rückkopplung arbeitet über geologische Zeiträume von Hunderttausenden bis Millionen Jahren. Der heutige Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen vollzieht sich dagegen innerhalb von Jahrzehnten und Jahrhunderten.

Natürliche Kohlenstoffsenken an Land und im Meer nehmen zwar einen erheblichen Anteil der vom Menschen freigesetzten Emissionen auf. Sie können den schnellen zusätzlichen Ausstoß jedoch nicht vollständig ausgleichen. Der Weltklimarat bewertet die Begrenzung weiterer Erwärmung deshalb weiterhin als unmittelbar von der Begrenzung der kumulierten menschlichen Kohlendioxidemissionen abhängig.

Auch sauerstoffarme Meereszonen sind im heutigen Ozean kein wünschenswerter Klimaschutzmechanismus. Sie können Lebensräume verkleinern, Nahrungsketten verändern und erhebliche ökologische Schäden verursachen.

Die Studie liefert daher keinen Anlass, auf eine automatische Selbstheilung des Klimas zu warten.

Ihre positive Botschaft liegt an anderer Stelle.

Je besser wir die Erde verstehen, desto besser können wir handeln Die Entdeckung zeigt, wie eng Klima, Meeresspiegel, Leben, Nährstoffe und Meereschemie miteinander verbunden sind.

Phosphat ist weit mehr als ein Dünger für Algen. Über die biologische Produktivität kann es beeinflussen, wie viel Kohlenstoff im Ozean zirkuliert und wie viel davon langfristig im Meeresboden gespeichert wird.

Solche Erkenntnisse helfen dabei, Modelle des langfristigen Kohlenstoffkreislaufs zu verbessern. Sie ermöglichen ein genaueres Verständnis vergangener Warmzeiten und Abkühlungsphasen – und damit auch eine bessere Einschätzung der Prozesse, die das zukünftige Klima beeinflussen könnten.

Vor allem erinnert die Forschung daran, dass die Erde kein starres System ist. Sie besitzt zahlreiche Rückkopplungen, durch die sich Atmosphäre, Ozeane, Gesteine und Lebewesen gegenseitig verändern.

Dieses Wissen macht die Klimakrise nicht kleiner. Aber es erweitert unsere Möglichkeiten, ihre Zusammenhänge zu verstehen, Risiken früher zu erkennen und Entscheidungen auf eine bessere wissenschaftliche Grundlage zu stellen.