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Salz könnte die Schneeball-Erde vor 700 Millionen Jahren zusätzlich abgekühlt haben
Bei Schneeball-Erde-Episoden zwischen etwa 715 und 635 Millionen Jahren vor heute könnte Salz die Abkühlung zusätzlich verstärkt haben. Ein neues Klimamodell zeigt, dass ausfallende Salzkristalle auf tropischem Meereis besonders viel Sonnenlicht reflektieren und dadurch eine weitere positive Rückkopplung auslösen können. Dieser Effekt könnte einen bereits vereisten Planeten vor allem in der frühen Phase einer Schneeball-Erde noch stärker abgekühlt haben.
Tromsø (Norwegen). Während der sogenannten Schneeball-Erde-Episoden war der Planet vermutlich weitgehend von Eis bedeckt, wobei selbst die Tropen stark vereist waren. Für solche extremen Klimazustände ist die Albedo besonders wichtig, also der Anteil des Sonnenlichts, den eine Oberfläche zurück ins All reflektiert. Helle Flächen nehmen weniger Strahlungsenergie auf und können dadurch eine bestehende Abkühlung weiter verstärken.
Die bekannte Eis-Albedo-Rückkopplung beruht genau auf diesem Prinzip, weil sich mit wachsender Eisfläche auch die globale Reflexion erhöht. Forscher der UiT – The Arctic University of Norway (UiT) um Aksel Samuelsberg haben nun untersucht, ob auf sehr kaltem Meereis zusätzlich eine Salz-Albedo-Rückkopplung wirksam gewesen sein könnte.
Beim Gefrieren von Meerwasser bleibt ein Teil der gelösten Salze zunächst in flüssigen Soleeinschlüssen innerhalb des Eises zurück. Sinkt die Temperatur weiter, kristallisieren einzelne Salze aus, während die Eisoberfläche in den trockenen Tropen zugleich durch Sublimation Masse verlieren kann. Dabei geht Eis direkt in Wasserdampf über und kann eine dünne Schicht aus zurückbleibenden Salzkristallen freilegen.
Solche Salzkrusten können außergewöhnlich hell sein, weshalb Samuelsberg und seine Kollegen im Modell für Hydrohalit-Kristalle eine Albedo von 0,93 ansetzten. Eine entsprechende Oberfläche reflektiert damit rund 93 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung, wobei der verwendete Wert auf früheren Laboruntersuchungen sehr kalter Salzkrusten beruht.
Die Forscher integrierten diesen Effekt in ein vereinfachtes eindimensionales Energiebilanzmodell, das die mittlere Oberflächentemperatur nach geografischer Breite beschreibt. Berücksichtigt werden unter anderem die einfallende Sonnenstrahlung, der Wärmetransport zwischen niedrigen und hohen Breiten sowie die temperaturabhängige Reflexion der Oberfläche. Für das Ausfallen des vollständigen Salzgemischs setzte das Team zunächst eine Schwellentemperatur von minus 36 Grad Celsius an.
Mit der zusätzlichen Salz-Albedo-Rückkopplung entstehen im Modell zwei stabile Zustände einer vollständig vereisten Erde, die sich durch ihre tropische Oberfläche unterscheiden. In einem bleibt das dortige blanke Meereis salzfrei, während sich im zweiten Zustand Salzkristalle auf dem schneefreien tropischen Meereis ablagern. Der Schneeball-Zustand mit dieser hellen Salzschicht ist im Modell deutlich kälter als die salzfreie Variante.
Entscheidend ist außerdem, welcher dieser Zustände aus einem zuvor warmen Klima überhaupt erreichbar ist. Für die von den Forschern untersuchten plausiblen Modellparameter führt die Abkühlung aus einem warmen Ausgangszustand nicht in den wärmeren, salzfreien Schneeball-Zustand. Sobald erste Salzablagerungen entstehen, verschiebt sich das System stattdessen in den kälteren Zustand mit salzbedecktem Meereis in den tiefen Tropen.
Die Rückkopplung muss dabei nicht erst beginnen, wenn das gesamte Salzgemisch des Meerwassers bei etwa minus 36 Grad Celsius ausfällt. Einzelne Mineralphasen können schon bei höheren Temperaturen kristallisieren, darunter Mirabilit bei ungefähr minus acht und Hydrohalit bei etwa minus 23 Grad Celsius. Im Modell bleibt der Übergang zum salzbedeckten Zustand auch für Schwellentemperaturen oberhalb von minus 36 Grad Celsius möglich.
Die Modellrechnung zeigt damit einen physikalisch plausiblen zusätzlichen Kühlmechanismus, beweist aber nicht, dass Salzkristalle die damalige Vereisung tatsächlich in diesem Ausmaß verstärkten. Die eigentliche An