Erstaunliche stabiles Verhalten trotz Eis- und Warmzeiten

08.06.2015: Dass Verwitterung mit dem Wetter zu tun hat, geht bereits aus dem Wort hervor. Um so erstaunlicher ist das Forschungsergebnis einer Gruppe von Geowissenschaftlern, die feststellen konnten, dass die Unterschiede in der Verwitterung von Gestein in den letzten zwei Millionen Jahren ziemlich gleichmäßig war, trotz der ausgeprägten Kalt- und Warmzeiten, zwischen denen das Erdklima in diesem langen Zeitraum hin- und herschwankte. In Meeressedimenten, die von den Flüssen der Erde Jahr für Jahr aus der Verwitterung von Silikatgesteinen gespeist werden, stellten die Forscher einen sehr gleichmäßigen Eintrag fest: die Schwankungsbreite der Verwitterungsraten lag unter zehn Prozent.

Die Oberfläche der Erde wird ständig verändert: chemische Reaktionen zwischen Wasser und Gestein lösen Minerale auf, bilden Boden und waschen abgetragene Bestandteile als Sediment in die Ozeane. Dabei wird der Atmosphäre Kohlenstoff entzogen und in den Ozeane ablagert, womit die Erdtemperatur vor dem Eingriff des Menschen über Millionen Jahre in einem für das menschliche Leben günstigen Bereich gehalten wurde.

Die Wissenschaftler erwarten eigentlich eine hohe Fluktuation zwischen den Verwitterungsraten in Kalt- und Warmzeiten. Messen Geowissenschaftler heute den Transport von verwittertem Gestein in den Flüssen der Erde, so finden sie langsamere Raten in den trockenen und kalten Regionen. In den Kaltzeiten waren die Temperaturen niedriger, die Niederschläge geringer und die Vegetationbedeckung war in vielen Erdregionen weniger dicht als in den Warmzeiten. Also sind die Verwitterungsraten in den Kaltzeiten geringer. Umgekehrt werden in den Warmzeiten beschleunigte Verwitterungsreaktionen durch mehr Niederschlag, höhere Temperaturen, mehr Vegetation und schmelzendes Gletschereis erwartet. „Anstelle dieser durch das Klima gesteuerten unterschiedlichen Verwitterungsraten von Gestein fanden wir eigentlich keine spürbaren Unterschiede in der Gesteinsverwitterung über zwei Millionen Jahre“, stellt der Geochemiker Friedhelm von Blanckenburg vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ als Hauptautor der Studie fest.

Zusammen mit seinem GFZ-Kollegen Julien Bouchez, derzeit am Institut de Physique du Globe de Paris , nutzte er eine moderne geochemische Technik, die seit wenigen Jahren am GFZ eine zentrale Funktion in der Vermessung der Geschwindigkeiten von Erdoberflächenprozessen einnimmt. Man vergleicht die Konzentration von zwei Isotopen des Elementes Beryllium (Be). Das Isotop ⁹Be wird in Silikatgesteinen auf der Erde gefunden; ¹⁰Be hingegen ist ein sehr seltenes radioaktives Isotop, dass durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre erzeugt wird. von Blanckenburg: "¹⁰Be ist wie eine Uhr. Es regnet auf die Kontinente und Ozeane in mehr oder weniger konstanter Geschwindigkeit. ⁹Be hingegen zeigt, wieviel gelöstes Gestein von den Kontinenten in die Ozeane gewaschen wird.“

Durch die Bestimmung des Verhältnisses von ¹⁰Be zu ⁹Be in Sedimentschichten des Meeres konnte die vergangene Verwitterung für die letzten zwei Millionen Jahre rekonstruiert werden, mit dem überraschenden Resultat, dass es kaum Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten gab.

Nun berechneten die Wissenschaftler Kate Maher und Dan Ibarra von der Stanford University (USA) aus Klimamodellen den Wasserabfluss der größten Flüsse der Erde für die letzte Kaltzeit und speisten die Daten in ein mathematisches Verwitterungsmodell ein. Das Resultat war dasselbe. „Weil der globale Wasserabfluss stark von den großen tropischen Flüssen gesteuert werden, deren Wassermengen sich zwischen Warm- und Kaltzeiten kaum geändert haben, hat sich auch die globale Gesteinsverwitterung kaum geändert“, sagt von Blanckenburg.

Trotz dieser Erklärung bleiben Fragen offen: Warum hatte das Schmelzen der Gletscher und der Eintrag großer Mengen an abgemahlenem Gestein am Ende der Kaltzeiten keinen Einfluss, und warum sehen wir nicht den Einfluss der global veränderten Vegetation auf die Verwitterung?

Friedhelm von Blanckenburg, Julien Bouchez, Daniel E. Ibarra, Kate Maher: „Stable runoff and weathering fluxes into the oceans over Quaternary climate cycles”, Nature Geoscience, Advance online Publication, 08.06.2015, DOI: 10.1038/ngeo2452