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Paläoklimatologie: Fossile Regentropfen geben Hinweise auf urzeitliche Atmosphäre

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Fossile Abdrücke von Regentropfen, die vor rund drei Milliarden Jahren vom Himmel fielen, liefern Wissenschaftlern der University of Washington in Seattle nun Informationen über die frühe Erdatmosphäre. Mit ihren Ergebnissen grenzen Sanjoy Som und seine Kollegen mögliche Lösungen für das so genannte Paradoxon der schwachen jungen Sonne ein: Obwohl sich das Zentralgestirn zu jener Zeit deutlich leuchtschwächer zeigte als heute, herrschten auf der Erde verhältnismäßig hohe Temperaturen.

Um die Spuren in versteinerter Vulkanasche richtig deuten zu können, beobachtete das Forscherteam zunächst die Größenverteilung von Tropfen in heutigen Schauern und analysierte deren Fallverhalten in Laborexperimenten. Mit einer Pipette tröpfelten sie dazu verschieden große Wassertropfen aus einer Höhe von rund 30 Metern auf frische Vulkanasche aus Hawaii und Island. Mit flüssigem Kunststoff und Haarspray fixierten sie die Abdrücke und verglichen sie anschließend mit Latexabdrücken der urzeitlichen Vulkanasche.

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Versteinerte Abdrücke von Regentropfen | Ein Erdmännchen hält Ausschau auf einem geschichtsträchtigen Felsen: Das Gestein weist Abdrücke von Regentropfen auf, die vor rund 2,7 Milliarden Jahren in Südafrika vom Himmel fielen.

Die Größe der vom Regen hervorgerufenen Einschlagkrater sei abhängig von der Tropfengeschwindigkeit und der Zusammensetzung des Materials, in das die Regentropfen fallen, fassen die Forscher zusammen. Durch die Reibung mit der Erdatmosphäre beschleunigen sich die Regentropfen nicht unaufhörlich, sondern erreichen eine bestimmte Endgeschwindigkeit – diese ist umso größer, je geringer die Luftdichte. Da die frische Asche eine ähnliche Zusammensetzung besaß wie das Gestein, in dem sie die versteinerten Abdrücke gefunden hatten, schlossen Som und sein Team nun anhand der Kratergeometrie in den versteinerten Proben zunächst auf die Fallgeschwindigkeit der urzeitlichen Tropfen und schließlich auf die damalige Luftdichte.

Besaßen die Regentropfen aus dem Schauer vor 2,7 Milliarden Jahren die maximal mögliche Größe, muss die Luftdichte unter 2,3 Kilogramm pro Kubikmeter gelegen haben, schreiben die Autoren. Heute liegt der Wert auf Meeresniveau bei 1,2 Kilogramm pro Kubikmeter. Allerdings seien solche großen Tropfen extrem selten, erläutert Som. Und so sei es nicht unwahrscheinlich, dass die Luftdichte ähnlich oder sogar noch niedriger war als heute.

Dieses Ergebnis würde dafür sprechen, dass die frühe Erdatmosphäre erhöhte Konzentrationen an sehr wirksamen Treibhausgasen wie Methan und Ethan aufwies und dadurch die eingestrahlte Wärme gut halten konnte. Zusätzlich könnte auch die Albedo des Planeten, also sein Reflexionsvermögen, geringer gewesen sein, vielleicht weil es weniger Wolken und Eisflächen gab. Bisher spekulieren Wissenschaftler nur, warum die Erde vor zwei bis vier Milliarden Jahren nicht von Schnee und Eis bedeckt war. Schließlich schien die Sonne damals rund 20 Prozent schwächer als heute, doch lassen sich aus dieser Zeit Spuren von fließendem Wasser und damit von einem verhältnismäßig warmen Klima finden.

Der in dieser Studie verwendete Ansatz – erstmals angewendet im Jahr 1851 – könnte weitere Einsichten in dieses Paradoxon und den Klimawandel im Lauf der Erdgeschichte eröffnen. Allerdings können bereits kleine Fehler in der Regentropfengröße zu beträchtlichen Fehlern im abgeleiteten Luftdruck führen, merken William Cassata und Paul Renne von der University of California in Berkeley in einem begleitenden Text an. Auch könnten weitere Faktoren wie der – nicht bekannte – Feuchtigkeitsgehalt der Luft die Form des Einschlagkraters in der Asche beeinflusst haben. Waren die Umstände also besonders ungewöhnlich, wäre vor 2,7 Milliarden Jahren auch eine mehr als doppelt so große Luftdichte wie heute denkbar.

13. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 13. KW 2012

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