Die Zusammensetzung der Atmosphäre im Phanerozoikum

Im Vergleich zu wesentlich älteren Abschnitten der Erdgeschichte wie dem Archaikum oder dem frühen Proterozoikum lagen die Anteile von Sauerstoff und CO2 in der Atmosphäre während des Phanerozoikums zumindest in einem ähnlichen Dimensionsbereich wie heute. Allerdings waren sie in den letzten 600 Ma doch recht heftigen Änderungen unterworfen, die ihre Ursachen in vielfältigen Bereichen wie plattentektonischen Aktivitäten, Verwitterungsprozessen, pflanzlichen Aktivitäten, der Evolution der Organismen usw. haben.
 

Der aus diversen Quellen errechnete oder interpretierte Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt der Erdatmosphäre im Verlaufe des Phanerozoikums. Neben den absoluten Werten (Skalen links und rechts) ist zum Vergleich auch der heutige Wert angegeben (rote und blaue Strichellinie).

(umgezeichnet nach Van Andel 1994 aus Brenchley & Harper 1998)


Der Sauerstoffanteil hatte, anders als noch bis vor wenigen Jahren vermutet, wohl schon vor dem Kambrium in etwa das heutige Level erreicht. Er sank dann im Verlaufe des Altpaläozoikums unwesentlich ab, um mit dem Devon und vor allem im Karbon extrem (auf einen vorher und nachher nie erreichten Wert) anzusteigen. Der Grund hierfür liegt im Entstehen der ersten ausgedehnten Wälder auf der Erde und der damit verbundenen Steigerung der photosynthetischen Sauerstoffproduktion. Danach sank der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre schnell wieder ab, im Zuge allgemeiner Klimaabkühlungen, zusätzlich aber wohl auch infolge der Entwicklung der sauerstoffzehrenden Tierwelt und der allgemeinen Anpassung der Regelkreisläufe an die "neuen" Quellen. Das folgende Mesozoikum verzeichnet wieder leicht steigende Sauerstoffgehalte (durch Wiederansteigen der Bioproduktion durch vermehrtes Gedeien der Pflanzenwelt in der mesozoischen "Greenhouse"-Ära, in der Kreide wohl auch durch die Neuevolution der effizienteren Angiospermen). Im Verlaufe des Känozoikums sanken die Sauerstoffgehalte infolge der sukzessiven Klimaabkühlungen (känozoische "Icehouse"-Ära) wieder ab.

Der Kohlendioxidanteil der Atmosphäre ist besonders stark mit der vulkanischen Entgasung an mittelozeanischen Rücken, also mit der plattentektonischen Aktivität, korreliert. Deshalb stieg er im Zuge des Zerfalls des Rodinia-Superkontinentes zu Beginn des Phanerozoikums zuerst stark an, um anschließend mit dem zunehmenden Aufbau des Pangäa-Superkontinentes in mehreren Stufen wieder abzusinken. Ein besonders starker Abfall ist mit erdgeschichtlich relativ schnellen Aufkommen erster weitausgedehnter Wälder im Karbon und dementsprechend hohem CO2-Entzug aus der Atmosphäre verbunden. Beide Faktoren kamen hier zusammen (wenngleich langfristig natürlich die zur Kernzeit Pangäas geringe plattentektonischen Aktivität die größere Rolle spielte), so dass die Erde anschließend bis in die Trias hinein in eine ausgeprägte (und damit CO2-arme) "Icehouse"-Ära geriet. Im Jura und besonders in der Kreide stieg der CO2-Gehalt wieder an, um, parallel zum O2-Gehalt, im Känozoikum auf das heutige Niveau abzusinken. Eine kurzfristiger Rückgang während des Überganges vom Jura zur Kreide zeigt sich auch in der Temperaturentwicklung.

Klimayzklen 1. Ordnung ("Sandberg-Zyklen") der letzten 600 Millionen Jahre. Mehrfach wechselten langfristige Kaltphasen (Icehouse) und Warmphasen (Greenhouse). Der CO2-Gehalt der Atmosphäre korreliert sowohl mit den Temperaturen als auch mit der Skelett-Mineralogie einiger Gruppen mariner Kalkschaler. Umgezeichnet nach Sandberg (1983).

Die intensiven Beziehungen zwischen Plattentektonik, CO2-Gehalt der Atmosphäre und Temperaturen zeigen sich auch in langfristigen Klimazyklen (nach ihrem Erstautoren auch "Sandberg-Zyklen genannt), die die letzten 600 Ma der Erdgeschichte beherrschten. Bei geringen CO2-Gehalten dominieren kältere Klimate ("Icehouse"-Ären, nicht immer, aber oft mit Eiszeiten), bei hohen Gehalten an diesem Treibhausgas wärmere Klimate ("Greenhouse"-Ären). Wir leben derzeit mitten in einer solchen "Icehouse"-Ära, die nächste Vereisung kommt bestimmt!