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Paradoxon der schwachen jungen Sonne

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Das Paradoxon der schwachen, jungen Sonne bezeichnet den Widerspruch zwischen der vor 3,8 Mrd. Jahren um etwa  30% geringere Strahlungsleistung der jungen Sonne und eindeutigen Hinweisen auf ein deutlich wärmeres Erdklima zu dieser Zeit.[1][2] Als The Faint Young Sun Paradox wurde der Begriff 1972 von dem Astronomen und Buchautor Carl Sagan im englischen Sprachraum geprägt und hat sich seitdem etabliert. [sm 1]

Die Sonne hatte zu Beginn ihrer Aktivität eine etwa 30% geringere Strahlungsleistung als heute. Eine der heutigen nahezu vergleichbare Strahlungsleistung wurde vor etwa einer Milliarde Jahre erreicht. Im Gegensatz dazu sind bereits vor 3,8 Milliarden Jahren Spuren flüssigen Wassers nachzuweisen.[3] Hinweise auf Leben auf der Erde gibt es mindestens 3,5 Milliarden Jahren und bilden sich unter anderem in Chemofossilien und Hinweisen auf versteinerte Stromatolithen ab.[4][5]. Den geologischen Erkenntnissen zufolge war die gesamte frühe Klimageschichte der Erde eine Zeit mit einer fast kontinuierlich, vergleichsweisen warmen Oberflächentemperatur. Eine wichtige Ausnahme stellt eine weltweite Vereisung um etwa 2,4 Milliarden dar. Nach dieser kommt es wieder zu einer längeren Warmzeit, scherzhaft auch als boring billion (langweilige Milliarde) bezeichnet[jko 1], die bedeutende Rätsel aufgibt. Erst danach, seit etwa einer Milliarde Jahre wechseln sich bis zur Gegenwart globale Kalt- und Warmzeiten in regelmäßigen Abständen ab.

Das Paradoxon wirft grundlegende, fächerübergreifende Fragestellungen in Geologie, Astrophysik, Biologie, Klimatologie und Atmosphärenphysik auf. Es spielt für die Deutung der Entstehung von Leben und dessen Dauerhaftigkeit auf der Erde wie im Vergleich mit anderen Planeten eine zentrale Rolle.[jk 1]

Datei:Sonnenleben.png
Sonnenentwicklung von Anfang bis in die ferne Zukunft, in Blau die Strahlungsleistung. Zu Beginn (links) war diese etwa 30% geringer als gegenwärtig (links von der Mitte). Die Klimageschichte im Diagramm darunter ist im selben Maßstab abgebildet. In ferner Zukunft wird die Strahlungsleistung der Sonne noch weiter ansteigen und die Sonne als Roter Riese über die Erdbahn hinaus anwachsen
Datei:Erdgeschichte.jpg
Rekonstruktion des mittleren Temperatur- und Niederschlagsverlaufs der Erde seit Anbeginn (links) vor 3,8 Milliarden Jahren bis zur Gegenwart. E = Eiszeitalter, E (unterstrichen) = Eiszeitalter mit Eisbildungen an den geographischen Polen, W = eisfreies Warmklima.

Erklärungsversuche

Überblick

Klimaeinfluss durch Vulkanausbrüche

Grundsätzlich werden für die Deutung des Paradoxons natürliche Faktoren herangezogen, die bis zur Gegenwart eine Rolle im Klimageschehen auf der Erde einnehmen.

Dazu gehören zunächst die Parameter der Erdbahn und der Erdachse in Bezug auf die Sonne. So werden Eis- und Warmzeiten der jüngeren Zeit bevorzugt über die im Rahmen der Milanković-Zyklen regelmäßig veränderte Erdbahngeometrie gedeutet.

Klimawirksam ist ebenso die Verteilung und das Vorhandensein von Ozeanen und Kontinenten, Fließgewässern und Gletschern und ihre Wechselwirkung mit Luft- und Meeresströmungen. Eine wichtige Rolle spielt zudem der Vulkanismus und dabei in die Atmosphäre verbrachte Gase, Stäube und Aerosole sowie die Folgen von Leben im weitesten Sinne. Die Aktivität von Vegetation, die Erosion und Verwitterung hat über die Bildung und Beschaffenheit von Lockergestein und Böden Einfluss auf die Reflexionseigenschaften der Erdoberfläche sowie die Verdunstung und damit auf die Wolkenbildung und das Klima. [6]

Der sogenannte Treibhauseffekt und die Rolle unterschiedlicher klimawirksamer Treibhausgase wurden wegen ihrer zentralen Rolle im Klimageschehen für die Lösung des Paradoxons und der Entstehung einer warmen jungen Erde als wesentlich angesehen. Im Zusammenhang mit der allgemeinen Klimageschichte, der Entstehung und zu vergangenen und heutigen Regelmechanismen der Atmosphäre wie speziell zur Deutung des Paradoxons wurde dazu vielfältig geforscht.

Eine 2003 vorgebrachte alternative Deutung des Paradoxons und der globalen Warm- und Eiszeiten über einen Klimaeinfluss der Kosmischen Strahlung hat eine intensive, kontrovers geführte Debatte hervorgerufen und die Forschung zu der zugrundeliegenden Hypothese intensiviert. Neben dem Einfluss der an den Sonnenflecken abgelesenen Sonnenaktivität spielt sie eine wichtige Rolle in der Kontroverse um die globale Erwärmung.

2009 wurde eine Deutung des Paradoxons über das Spurengas Carbonylsulfid veröffentlicht, die weitere Erkenntnisse zur Entstehung und Zusammensetzung der frühen, reduzierenden Atmosphäre verspricht.

Eine Nebenrolle zur Lösung des Paradoxons nehmen Deutungen ein, die eine Entstehung des Lebens auf der Erde und anderen Himmelskörpern unter kalten Bedingungen für möglich erachten sowie eine größere Strahlungsleistung der Sonne als bei vergleichbaren Sternen annehmen.

Deutungen des Paradoxons über Treibhauseffekte

Hintergrund

Hauptartikel Treibhauseffekt

Überblicksdarstellung des Treibhauseffekts. Kurzwellige Strahlung der Sonne trifft auf die Atmosphäre und Erdoberfläche. Langwellige Strahlung wird von der Erdoberfläche abgestrahlt und in der Atmosphäre fast vollständig absorbiert. Die Zahlen geben die aktuelle Leistung in Watt/Quadratmeter an

In der Erdatmosphäre haben klimawirksame Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon seit Anbeginn zentralen Einfluss auf die Klimageschichte und das heutige Klima. Der natürliche Treibhauseffekt hebt die durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche um etwa 33 °C auf +15 °C an. Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt hätte die heutige untere Atmosphäre im globalen Mittel nur −18 °C und wäre äußerst lebensfeindlich.

Die Treibhauswirkung rührt von einer unterschiedlichen Durchlässigkeit für den kurzwelligen (vor allem ankommenden) Anteil der Sonnenstrahlung gegenüber der langwelligen (vor allem reflektierten) Wärmestrahlung her. Der hauptsächliche Treibhauseffekt wird mit einem Anteil von etwa 36-70 % (ohne Berücksichtigung der Effekte der Wolken) durch Wasserdampf in der Atmosphäre verursacht. Kohlendioxid trägt 9-26 % zum Treibhauseffekt bei, Methan um 4-9 %, und Ozon 3-7 %. Kompliziert wird die Betrachtung durch verschiedene Regelmechanismen, so bei chemischen und physikalischen Reaktionen in der Atmosphäre, die Einfluss auf die Wolkenbildung haben. Beispielsweise kühlen niedrige Wolken die Erdoberfläche durch ihre Sonnenreflexion, hohe Wolken wärmen hingegen, die Wolkenbildung selbst wird darüber hinaus von Kondensationskeimen sowie feinen Partikeln und Spurengasen in der Atmosphäre beeinflusst. Die zugehörigen atmosphärenchemischen Reaktionen und Abläufe sind komplex. Das Klima wie Zusammensetzung und Reaktionen in den verschiedenen Atmosphären der geologischen Vergangenheit, insbesondere in der Frühzeit ist nur mit großem methodischen Aufwand nachzuvollziehen.

Ein wie nachgewiesen, über mehrere Milliarden Jahre weitgehend stabiles Klima setzt starke und weitgehend konstante externe Regelmechanismen voraus, die Veränderungen in der Wolkenbildung hervorrufen können.[jk 1]. Wasser in seinen verschiedenen Aggregatzuständen alleine wirkt einer Abkühlung durch eine geringere Strahlungsleistung der Sonne nicht entgegen. [jko 1]. Die beobachteten Klimaveränderungen müssen deshalb durch die Einwirkung anderer Faktoren auf die Wolkenbildung erklärt werden.

Deutungen zum Paradoxon über spezielle Treibhausgase

Sagan und Mullen [sm 1] schlugen eine klimaktive Rolle von Ammoniak NH3 in der frühen Atmosphäre als Lösung des Paradoxons vor. Einige Planeten außerhalb unseres Sonnensystems weisen eine stark ammoniakhaltige Atmosphäre auf. Dagegen wurde mit Hinweis auf die begrenzte Verweildauer von Ammoniak NH3 in der Erdatmosphäre argumentiert. Nh3 wird unter anderem durch photochemische Vorgänge zersetzt. Sagan und Chyba verweisen auf eine organische Schutzschicht, ähnlich wie bei der Atmosphäre des Saturnmondes Titan[7] die die Stabilität erhöht haben könnte. [8].

Bei den heute bekannten, je nach Klimasensitivität unterschiedlich klimaaktiven Gasen wurde bald nach dem Bekanntwerden des Paradoxon ein erheblich höherer (Faktor Zehntausend) Anteil von CO2 in frühester Zeit diskutiert und war bis in die frühen 90er Jahre vorherrschend. [jko 1]. Aufgrund von Widersprüchen mit geochemischen Erkenntnissen [9] wurde danach zunehmend nach Alternativen gesucht. Andere Autoren schlugen für erhöhte Anteile und Mischungen weitere Klimagase vor, die unter anderem in den Ausgasungen von Vulkanen bis in die Gegenwart vorkommen. Aufgrund ihrer geringen Stabilität in der heutigen sauerstoffreichen Atmosphäre spielen sie heute nur eine geringe Rolle, sind jedoch als klimaaktiv bekannt. Dazu gehören Lachgas N2O oder insbesondere Methan, Ethan und andere Kohlenwasserstoffe.[jh 1]. Die Frage der photochemischen Stabilität stellt sich ebenfalls bei den sehr klimawirksamen Kohlenwasserstoffen und Sulfiden. Begrenzende Faktoren sind die Verweildauer und Stabilität der unterschiedlichen Gase in den verschiedenen Schichten der Atmosphäre wie die Interaktion untereinander.

Die teilweise dramatischen Änderungen in der Zusammensetzung der frühen Atmosphäre [vk 1], insbesondere durch biotisch gebildeten Sauerstoff lassen angesichts des gleichmäßig moderaten warme Klimaverlauf über mehrere Milliarden Jahre und dem periodischen Auf und Ab danach weiter Fragen offen. [jko 1]. 2009 wurde eine Deutung des Paradoxons über einen klimaaktiven Beitrag und photochemisch stabilen Beitrag bestimmter Sulfide veröffentlicht. Diese setzt eine reduzierende frühe Atmosphäre voraus, die bis vor etwa 2,4 Milliarden Jahren bestand.

Deutung über extremes Kohlendioxidtreibhaus

Wolkenbedeckung der Venus
Dünne Atmosphäre des Mars

Wenn das heute in Kalkstein gespeicherten CO2 gänzlich in die Atmosphäre entlassen würde, wäre es in der Atmosphäre mit mehr als dem Zehntausendfachen des heutigen Wertes zu finden und würde mehrere Bar Partialdruck einnehmen.[jk 1] Eine allmähliche Abnahme eines solchen extremen Treibhauses genau parallel der Zunahme der Sonnenleistung sollte das Paradoxon lösen – 1979 vermutete der Astrophysiker Michael H. Hart, dass die Erde genau diesen Weg genommen hätte.[10]. Harts Berechnungen zufolge sei diese allmähliche Abnahme zwischen der ersten Bildung der Atmosphäre vor 4,6 Milliarden Jahren bis zum Einpendeln der Strahlungsleistung der Sonne auf heutigem Niveau extrem unwahrscheinlich und instabil. Die Erde hätte sich demnach bei nur wenigen Prozent Ab- oder Zunahme in ein überhitztes Runaway Greenhouse[11] wie bei der Venus oder in einen komplett überfrorenen Schneeball Erde beziehungsweise einem marsähnlichen, für Leben zu kalten wüsten Planeten mit nur geringer Atmosphäre verwandelt. Hart prägte dabei den Begriff der Continously Habitable Zone (CHZ) - die Entstehung des Lebens war demnach nur möglich, weil sich die Erde genau in dem Abstand zur Sonne befand, der dies erlaubte. Hart nimmt an, dass die CHZ auf etwa dem Erdabstand zur Sonne, also einer Astronomischen Einheit begrenzt ist. Die extreme Instabilität und Unwahrscheinlichkeit des Ablaufs wie des Standorts nutzte Hart zu der vielbeachteteten These (vgl. Fermi-Paradoxon), dass Leben außerhalb der Erde in der gesamten Milchstraße und womöglich im ganzen Universum extrem unwahrscheinlich sei.[jk 1].

Der These einer anfänglich extrem hohen, nur allmählichen Abnahme der Konzentration von CO2 steht, worauf James F. Kasting und andere hinweisen, das in der frühen Klimageschichte einmalige „Archaische Eiszeitalter“[12] vor 2.4 Milliarden Jahren entgegen.[jh 1]. Den geologischen Ablagerungen und Klimazeigern zufolge blieb das verhältnismäßig warme Klima danach durchgehend bis etwa 1 Milliarde Jahre vor unserer Zeit erhalten. Erst danach wechselten sich globale Vereisungen und Warmzeiten periodisch ab.

Jacob D. Haqq-Misra und andere (inklusive Kasting) favorisierten statt einem reinen Kohlendioxidtreibhaus 2007 ein Gemisch aus Methan CH4, Wasserdampf und Kohlendioxid.[jh 1]. 2000 hatte Kasting zusammen mit Pavlov die Rolle von CH4 betont [13] und hatten 2001 die Abschirmung von Ammoniak durch organische Spurengase in der Urathmosphäre bezweifelt.[14].

Untersuchungen von verschiedenen Isotopenverhältnissen zufolge waren hingegen die grundsätzlichen Elemente des Kohlenstoffzyklus bereits vor 4 Milliarden Jahren etabliert.[JV 1]. Ein nur bis zu 100fach höherer Wert der CO2-Konzentration (wie anderer Treibhausgase) im Vergleich zu heute ist nicht weiter strittig, kann das Paradoxon aber nicht auflösen.[ns 1]. Mit einem deutlich erhöhten Anteil von Kohlendioxid in der Atmosphäre hätte sich mit terrestrischem Eisen das Eisenkarbonatmineral Siderit in erheblicher Menge bilden müssen. Dies ist bislang nicht entsprechend nachgewiesen worden. Jacob D. Haqq-Misra et al. sehen das Fehlen von Siderit allein nicht als Auschlußkriterium an.[jh 1].

Deutung des Paradoxons über Carbonylsulfid

Yuichiro Ueno, Matthew S. Johnson et al. untersuchten im Jahr 2009 das Verhältnis von Schwefelisotopen in Gestein, das aus der Frühzeit der Erde stammt. Sie verglichen es mit verschiedenen Gasen, die in der Atmosphäre wie in Vulkanausgasungen vorkommen. Demnach hätte sich Carbonylsulfid OCS in einer frühen, reduzierenden Erdatmosphäre ansammeln können und so das Paradoxon ausgleichen können. Die Verteilungsraten für verschiedene Schwefelisotope in Gesteinen konnten dabei als sehr guter Nachweis für die unterschiedliche Zusammensetzung der frühen Atmosphäre verwendet werden. Die photolytische Zersetzung von Schwefeldioxid war zuvor als begrenzender Faktor angenommen worden. Die Gruppe untersuchte zudem spektralanalytisch eine Reihe von Klimagasen zu derem Verhalten im Bereich des Ultraviolett. Demnach ist speziell OCS nicht nur ein sehr wirkungsvolles und stabiles Treibhausgas, sondern darüber hinaus im Gegensatz zu anderen in der Lage, zusätzlich die Zersetzung von Schwefeldioxid zu verhindern.[UE 1]. Die Untersuchungen an den schwefelhaltigen Sedimenten wurden zu verschiedenen Szenarien zur Abschirmung des ultravioletten Lichts in Bezug gesetzt. Den Autoren zufolge ist die in den Gesteinen aufgefundene auffällige Anreicherung des SchwefelIsotopisotops 33S nur mit der Anwesenheit von OCS in der damaligen Atmosphäre und dessen spezifischer abschirmenden Wirkung zu erklären.[UE 1].

Mit OCS kann demnach das Paradoxon bis zur starken Abkühlung im späten Archaikum vor 2,4 Milliarden Jahren gedeutet werden.[UE 1]. Dabei interpretieren die Autoren diese huronische Vereisung (oder Archaisches Eiszeitalter vor 2,4 Milliarden Jahren) mit den von frühen Lebensformen damals zunehmenden freigesetzten Sauerstoff.

Die für OCS notwendige reduzierende Atmosphäre ist danach nicht mehr gegeben. Mögliche weitere Einschränkungen aufgrund widersprüchlicher geochemischer Befunde zur Rolle von Schwefelverbindungen in der Atmosphäre und einer möglicherweise bereits in der Zeit vor 2,4 Milliarden Jahren einsetzenden früheren Sauerstoffproduktion wurden bereits 2006 bei Kasting diskutiert. Grundsätzlich wurde eine wichtige Rolle von Schwefelverbindungen und das Zusammentreffen der huronischen Vereisung und der zunehmender Rolle des Sauerstoffs bereits von Kasting und anderen bereits angenommen.[jko 1].

Biotische Aktivität und Verwitterung als mögliche Regelmechanismen für das Treibhaus

Als Regelmechanismus für die klimaaktiven Treibhausgase wird in etlichen Studien die Silikatverwitterung und deren Wechselwirkung mit der Kohlendioxidkonzentration in Ozeanen und Atmosphäre in der frühen Erdgeschichte vorgeschlagen. [15][16] . Die anfänglich hohe Konzentration des Treibhausgases sei mit der Bildung von Kontinenten nach etwa einer Milliarde Jahren[17] durch die Ablagerung großer Menge Karbonate abgebaut worden. Anschließend wird eine Wechselwirkung zwischen Erwärmung durch den Treibhauseffekt von Kohlendioxid in der Atmosphäre und Abkühlung durch Bildung von Karbonaten angenommen.

Der Gaia-Hypothese von James Lovelock zufolge ist das Leben auf der Erde selbst der wesentliche Regelmechanismus,[jk 1] ohne den die Erde möglicherweise das Schicksal von Mars oder Venus erfahren hätte. Kasting stimmt einer wichtigen Rolle des Lebens beim Kohlenstoffzyklus wie dem Einfluss auf Verwitterung und Sauerstoffgehalt zu, dennoch blieben die wesentlichen Einflussfaktoren physikalischer wie abiotischer Natur.[jk 1].

Astrophysikalische Deutungen

Möglicher Klimaeinfluss der galaktischen kosmischen Strahlung

Spiralarme der Milchstraße

Der israelische Astrophysiker Nir Shaviv deutet das Paradox durch die Einbeziehung von Sonnenwind und galaktischer kosmischer Strahlung auf das frühe Erdklima.[ns 1]. Er bezieht sich dabei auf die umstrittene Hypothese von Henrik Svensmark zum Klimaeinfluss Kosmischer Strahlung. Demnach trage stärkere kosmische Strahlung durch vermehrte Wolkenbildung zu einer Abkühlung bei. Der stärkere Sonnenwind der jungen Sonne hätte die Erde zunächst vor der galaktischen kosmischen Strahlung abgeschirmt. Im Zusammenspiel mit einer moderaten Menge an Treibhausgasen wie Wasserdampf, Methan, CO2 und anderen reiche dies aus, um eine kontinuierliche Warmzeit zu erklären.[ns 1] Die kalte Phase um 2,4 Milliarden Jahren stimme mit einer damals erhöhten galaktischen kosmischen Strahlung durch erhöhte Sternbildungsraten in der Milchstraße überein. Ein Beitrag von Klimagasen, insbesondere Kohlendioxid wird nicht abgestritten, aber dessen Wirksamkeit, die Klimasensitivität im untersten Bereich der vom Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC angegebenen Bandbreite angesiedelt.[ns 1]. Eine erhöhte Sternbildungsrate findet sich zudem zu Zeiten von Schneeball Erde vor knapp einer Milliarde Jahren.[JV 1].

Für den Zeitverlauf danach verweist Shaviv auf das seither eingetretenen Reifestadium der Sonne mit einer der heutigen entsprechenden Strahlungsintensität. In seiner Deutung des Paradoxons über den kosmischen Strahlungseinfluss sieht er die parallel alle 143 +/-10 Millionen Jahre stattfindenden Spiraldurchgänge des Sonnensystems durch die Milchstraße als Ursache für Wechsel von Kalt- und Warmzeiten. Dieser findet seitdem im globalen Maßstab im Abstand von etwa 135 +/-9 Millionen Jahre statt. Der Einfluss der Spiralarmdurchgänge wäre zuvor durch den erhöhten Sonnenwind abgeschirmt gewesen.[ns 1].

Hintergrund und Kontroverse

Shavivs hatte zunächst 2002 in der Physical Review anhand von Studien zu Eisenmeteoriten einen möglichen Zusammenhang zwischen Kosmischer Strahlung und Klima in geologischer Zeit beschrieben[18] was Anfang 2003 in der Zeitschrift Discover als eine (Nr. 34) von 100 Top Science Stories 2002 charakterisiert wurde. [19]. Dies baute er 2003 zusammen mit Berechnungen zum möglichen Klimaeinfluss der kosmischen Strahlung weiter aus[20] und veröffentlichte 2003 einen Deutungsvorschlag zum Paradoxon.[ns 1].

2003 kam es nach einer gemeinsamen Veröffentlichung mit dem Leibnizpreisträger Jan Veizer [21] zu einer heftigen wissenschaftlichen Kontroverse mit klassischen modellbasierten Klimatologen. Veizers Vorarbeiten, geochemische Untersuchungen zu einem möglicherweise geringerem Zusammenhang zwischen CO2 Gehalt der Atmosphäre in geologischer Vorzeit warrn 2000 noch bei Nature angenommen worden[22]. Die vorgeschlagene gemeinsame Veröffentlichung mit Shaviv wurde 2002/2003 von Nature abgelehnt und erschien 2003 bei GSA Today. Shaviv und Veizer wurde bei dieser Veröffentlichung unter anderem von Stefan Rahmstorf grundlegende methodische Schwächen und Fehlinterpretationen unterstellt.[23] Die Kontroverse wie die grundsätzliche These wurde nach einem Austausch erboster Presserklärungen[24] in überregionalen Tages- und Wochenzeitungen und Wissenschaftsjournalen in Deutschland (Die Zeit, Spektrum der Wissenschaft) wie international (unter anderem Prawda, Sciences et Avenir) thematisiert. Bei den IPCC-Berichten nimmt sie mittlerweile ein untergeordnetes Kapitel ein.[25] Übereinstimmend wird das Fehlen eines anerkannten physikalischen Mechanismus für die Klimawirkung der kosmischen Strahlung als Hauptproblem angesehen. Demungeachtet haben die Veröffentlichungen weitere Forschung zu dem Thema mit ausgelöst und beflügelt[26]. Die Wechselwirkung der Kosmischen Strahlung mit dem Sonnenwind, chemischen Reaktionen in der Atmosphäre und dem Erdmagnetfeld sind komplex. Genauso ist die Interaktion mit anderen Klimaeinflüssen jenseits der Treibhausgase wie insbesondere Meeresströmungen und vulkanischer Aktivität nicht abschließend geklärt und nach wie vor Gegenstand laufender Forschungsarbeiten.[25] [27].

Ergebnisse und mögliche Synthese mit den Deutungen über klimaaktive Gase und Aerosole

Eine Erklärung des Paradoxons über den Zusammenhang von kosmischer Strahlung und Klima schließt einen moderaten Einfluss von klimaaktiven Gasen[ns 1] und Aerosolen keineswegs aus. Neuere Arbeiten zu dem Zusammenhang, so im dänischen SKY Experiment untersuchen speziell das Zusammenspiel von schwefelhaltigen Aerosolen mit kosmischer Strahlung in höheren Schichten der Atmosphäre[28], ähnlich beim CLOUD Projekt beim Forschungszentrum CERN. [29]. Eine abschließende Deutung des Paradoxons im möglichen Gesamtzusammenhang ist jedoch noch nicht erfolgt.

Tageslänge und Erdrotation

Veranschaulichung der Erdrotation

Weitere mögliche Einflussfaktoren sind die Verteilung der Landmassen und eine ehemals schnellere Erdrotation. Mit keinem oder nur geringen Landmassen wäre auf Basis eines einfachen Modells der Meeresströmungen eine Erwärmung von etwa 4 °C anzunehmen, mit einer Tageslänge von 14 Stunden pro Tag wären 1.5° C Temperaturerhöhung anzunehmen.[ns 1] Für das Paradoxon selbst[ns 1] wie den gesamten Zeitverlauf in den ersten drei Milliarden Jahren und zur Deutung des regelmäßigen Wechsels von Eis- und Warmzeiten in der Folge genügen diese Einflüsse nicht.[vk 2]

Vermutung einer starken, jungen Sonne

Im Zusammenhang mit dem Paradoxon wurde eine höhere frühe Strahlungsleistung der Sonne – abweichend von astrophysikalischem Standardmodell – diskutiert [gr 1]. Eine moderat (10%) schwerere Sonne reicht im Vergleich zum Standardmodell aus, um das Paradoxon in der unmittelbaren Frühzeit auszugleichen. Für eine solche Hypothese sprechen laut Thomas Graedel bei der Sonne und anderen Sternen auffällige Abreicherung von Spurenelementen wie Beryllium[gr 1]. Gegen die Annahme sprechen der lange und gleichmäßige Verlauf des frühen warmen Klimas über mehrere Milliarden Jahre. Ein höheres Anfangsgewicht hätte aufgrund der Standardannahmen zur Seismik der Sonne eine nur kurzzeitige, erheblich erhöhte Strahlungsleistung über nur wenige hundert Millionen Jahre zur Folge gehabt.[ns 1], indirekt abgeschätzte Masseverluste der frühen Sonne sind anderen zufolge dafür zu klein[30] Das erhöhte Anfangsgewicht konnte bei Vergleichsmessungen einzelner Indikatoren an benachbarten, heute jungen Sonnen nicht bestätigt werden.[31][32]

Wird dem Aktualismusprinzip der Naturgeschichte zufolge die Geschichte der Sonne mit dem Verlauf bei anderen, benachbarten Sternen in verschiedenen Altersstufen gleichgesetzt, ergibt sich ein gleichmäßiger Masseverlust, der das Paradoxon zu keiner Phase erklären kann.[ns 1]

Eine über drei Milliarden Jahre gleichmäßig starke junge Sonne steht zudem mit der anderweitig gesicherten Klimageschichte, so den zeitweisen Vergletscherungen bei 2,4 (vgl Abbildung) und zu Zeiten von Schneeball Erde etwa eine Milliarde Jahre vor heute nicht in Übereinstimmung.[JV 1].

Biologische Deutung – Leben auf einer jungen, kalten Erde

In den letzten Jahrzehnten gelang es, Lebensformen auf der Erde unter sehr kalten Umweltbedingungen nachzuweisen, so bei dem unter dem Eis der Antarktis befindlichen Wostoksee. John Priscu zufolge sollte dies ebenso beim Mars anzuwenden sein.[33][34]. Im Gegensatz zu der Annahme von Hart liegt demnach der Mars noch in der Continously Habitable Zone im Sonnensystem. Als mögliche Deutung des Paradoxons [35] spielt sie eher eine periphere Rolle.

Das frühe Erdklima war allem Anschein nach wärmer als heute und geologische Hinweise auf Fließgewässer sind im Gegensatz zu Vereisungen seit frühester Zeit weit verbreitet. Pointiert ausgedrückt, gibt es Hinweise auf wasserbasiertes Leben ähnlich dem heutigen auf der Erde, allerdings in primitiver Form, „seit es Steine gibt“.[JV 1] Für das Fortdauern von Leben auf der Erde während zwischenzeitlicher globaler Vereisungen wie bei der Betrachtung möglichen Lebens auf anderen Planeten und Monden ist der Befund Priscus zentral.

Methodische Herausforderungen

Datei:Zircon crystal NASA Img.jpg
Polierte Oberfläche des ältesten bislang auf der Erde gefundenen Zirkons[36]

Bereits die Rekonstruktion der jüngeren Klimageschichte, für die es eine Vielzahl indirekter Klimazeiger (vgl. Proxy (Klimaforschung)) gibt, wurde bereits von Kontroversen begleitet. Für die Deutung des Paradoxon sind jedoch paläoklimatische Bestimmungsmethoden notwendig. Diese werden um so schwieriger und weniger, je weiter in die geologische Vergangeheit zurückgegangen wird und je weniger fossile Lebenspuren erhalten sind. Die einleitend erwähnten Hinweise auf eine frühe Kruste und Gewässer an der Oberfläche der Erde vor mehr als 4,4 Milliarden Jahren wurden unter anderem anhand von Untersuchungen an kleinen Zirkonkristallen aus Westaustralien erbracht. Mit der Uran-Blei-Datierung wurden sie als bisher älteste Minerale auf der Erde identifiziert [36] Daneben wurden Hinweise auf eine bereits damals vorhandene kontinentale Kruste und Ozeanen gefunden. [37]. Zirkone können mehrfach den Kreislauf der Gesteine durchlaufen. Sie sind gegenüber geologischen Einflüssen wie Verwitterung und selbst hochgradiger Gesteinsmetamorphose äußerst resistent und erlauben neben einer radiometrischen Altersbestimmung auch isotopengeochemisch Hinweise auf ihre Entstehungsbedingungen zu finden. Entsprechende Studien erfordern eine aufwendige Probennahme und Aufbereitung sowie eine hochauflösende komplexe Analytik, so der der Elektronenstrahlmikroanalyse und Massenspektrometrie. Ähnlich aufwendig gestalten sich Datenreihen zum Temperaturverlauf in der frühen geologischen Vergangenheit. [38].

Seitenaspekte

Panoramaaufnahme der 4000 km langen Valles Marineris

Das Paradoxon betrifft ebenfalls unseren Nachbarplaneten Mars, als auf dessen Oberfläche flüssiges Wasser nicht hätte vorkommen sollen. [sm 1]. Hingegen war nach den Ergebnissen der bisherigen Sondierungen die Marsatmosphäre in der Vergangenheit (vor Milliarden Jahren) wesentlich dichter und auf der Oberfläche des Roten Planeten reichlich flüssiges Wasser vorhanden. Regelmäßige, teilweise möglicherweise auf wasserbasierter Erosion zurückgehende Großstrukturen wie bei den sogenannten Marskanälen, in umfangreichen Grabenbruchsystemen wie die Valles Marineris bis hin zur kleinräumigen Kryoturbationen gaben und geben daher nach wie vor Anlass zu unterschiedlichsten Spekulationen.

Das Paradoxon wird unter anderem im Umfeld von Junge-Erde-Kreationisten und Anhängern des sogenannten Intelligent Design als (Schein)Argument gegen die vielfältigen wissenschaftlichen Datierungen des Alter der Erde auf etwa 4,6 Milliarden Jahre herangezogen.[39].

Einzelnachweise

  • Graedel T.E. et al (1991): Early solar mass loss – A potential solution to the weak sun paradox, Geophys. Res. Lett., 18, 1881–1884.
  1. ↑ a b Graedel et al 1991
  1. ↑ a b c d Haqq-Misra et al.
  1. ↑ a b c d e f Kasting 1988 Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „zit“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.
  1. ↑ a b c d e Kasting und Ono 2006
  • Killops, Vanessa Jane (Hrsg.) (2005): Introduction to organic geochemistry, Ausgabe 2, illustriert, Verlag Wiley-Blackwell, 2005 ISBN 0632065044
  1. ↑ Überblicksabbildung Seite 16
  2. ↑ Vergleiche die Überblicksdarstellung S. 262
  1. ↑ a b c Sagan und Mullen 1972
  1. ↑ a b c d e f g h i j k Shaviv 2003
  1. ↑ a b c Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag; kein Text angegeben für Einzelnachweis mit dem Namen MJo.
  • ↑ a b c d Veizer 2005 Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „JVC“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.
    • Andere:
    1. ↑ Gough, D. O. (1981): Solar Interior Structure and Luminosity Variations., Solar Phys., 74: 21–34. doi:10.1007/BF00151270
    2. ↑ Caldeira, K. & Kasting, J. F. (1992): Susceptibility of the early Earth to irreversible glaciation caused by carbon dioxide clouds. Nature. 359: 226-228. doi:10.1038/359226a0
    3. ↑ Windley, B. (1984): The Evolving Continents. Wiley Press, New York
    4. ↑ Schopf, J. (1983): Earth’s Earliest Biosphere: Its Origin and Evolution. Princeton University Press, Princeton, N.J.
    5. ↑ S. J. Mojzsis, G. Arrhenius, K. D. McKeegan, T. M. Harrison, A. P. Nutman & C. R. L. Friend, Evidence for life on Earth before 3,800 million years ago, Nature 384, 55 - 59 (1996) doi:10.1038/384055a0
    6. ↑ Frequently Asked Question 6.1, What Caused the Ice Ages and Other Important Climate Changes Before the Industrial Era? in Jansen, E., J. Overpeck, K.R. Briffa, J.-C. Duplessy, F. Joos, V. Masson-Delmotte, D. Olago, B. Otto-Bliesner, W.R. Peltier, S. Rahmstorf, R. Ramesh, D. Raynaud, D. Rind, O. Solomina, R. Villalba and D. Zhang, 2007: Palaeoclimate. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
    7. ↑ Vivien Gornitz (Hrsg.), Encyclopedia of Paleoclimatology and Ancient Environments, Springer 2009, ISBN 1402045514, en detail S. 334-335
    8. ↑ Carl Sagan, Christopher Chyba, The Early Faint Sun Paradox: Organic Shielding of Ultraviolet-Labile Greenhouse Gases, Science 23.5. 1997, Bd. 276. Nr. 5316, S. 1217 - 1221 doi:10.1126/science.276.5316.1217
    9. ↑ Rye, R., P.H. Kuo, and H.D. Holland, Atmospheric carbondioxide concentrations before 2.2-billion years ago, Nature 378, 603-605, 1995
    10. ↑ Michael H. Hart, "An explanation for the absence of extraterrestrials on Earth", Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 16, 128-135 (1975), Reprint als Michael H. Hart, "Atmospheric evolution, the Drake equation, and DNA: Sparse life in an infinite universe", in Michael H. Hart and Ben Zuckerman (eds.), Extraterrestrials, Where are They? (Elmsford: Pergamon Press, 1982), 154-165
    11. ↑ Kasting, J. F. (1988): Runaway and Moist Greenhouse Atmospheres and the Evolution of Earth and Venus, in Icarus Bd.74 S. 472–494, doi:10.1016/0019-1035(88)90116-9
    12. ↑ in der amerikanischen Literatur „huronische Vereisung“
    13. ↑ Pavlov, A.A., Kasting, J.F., Brown, L.L., Rages, K.A., and Freedman,R., (2000) Greenhouse warming by CH4 in the atmosphere of early Earth, J. Geophys. Res. 105:11981–11990
    14. ↑ Pavlov, A.A., Brown, L.L., and Kasting, J.F. (2001) UV shielding of NH3 and O2 by organic hazes in the Archean atmosphere, J. Geophys. Res. 106:23267–23287
    15. ↑ Walker, J. C. G. (1985): Carbon Dioxide on the Early Earth, Origins of Life, 16: 117–127.
    16. ↑ Walker, J. C. G., Hays, P. B. & Kasting, J. F. (1981): A negative feedback mechanism for the long-term stabilization of the earth's surface temperature, J. Geophys. Res., 86: 9776-9782
    17. ↑ Veizer, J. (1976) in Windley, B. F. (ed.): The Early History of the Earth. John Wiley and Sons, p. 569, London
    18. ↑ Shaviv, Nir J. (2002), Cosmic Ray Diffusion from the Galactic Spiral Arms, Iron Meteorites, and a Possible Climatic Connection, Physical Review Letters, Bd. 89, Issue 5, Id 051102, doi:10.1103/PhysRevLett.89.051102
    19. ↑ Discover (Zeitschrift), Aussriss der Sonderausgabe des Magazins 1/2003 zum Wissenschaftsjahr 2002
    20. ↑ Nir J. Shaviv (2003): The spiral structure of the Milky Way, cosmic Rays, and ice age epochs on Earth New Astronomy 8, 39–77
    21. ↑ Nir J. Shaviv und Ján Veizer (2003): Celestial driver of Phanerozoic climate? In: Geological Society of America. Band 13, Nr. 7, Juli 2003, S. 4–10
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