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Biologische Pumpe könnte Urzeit-Eiszeit angestoßen haben
Im frühen Karbon begann die Erde vom Treibhaus- in ein Eiszeitklima zu wechseln. Bariumisotope aus zwei nordamerikanischen Kalksteinprofilen und Modellsimulationen deuten nun darauf hin, dass eine um etwa 30 Prozent stärkere biologische Pumpe der Ozeane mehr organischen Kohlenstoff in die Tiefe transportierte und so zur Abkühlung beigetragen haben könnte.
Nanjing (China). Der Beginn der spätpaläozoischen Eiszeit zählt zu den markanten Klimawenden der Erdgeschichte. Im frühen Karbon fiel er mit einer rund vier Millionen Jahre dauernden positiven Kohlenstoffisotopen-Exkursion zusammen, der Tournaisian Isotope Carbon Excursion (TICE). Sie wird mit verstärkter Einlagerung organischen Kohlenstoffs und sinkendem atmosphärischem CO₂ in Verbindung gebracht, doch der Auslöser dieser Kohlenstoffsenke blieb unklar.
Forscher der Nanjing University (NJU) um Prof. Feifei Zhang haben nun untersucht, ob eine verstärkte marine biologische Pumpe diesen Wandel mit angetrieben haben könnte. Sie beschreibt den Transport von Kohlenstoff, der durch Plankton an der Meeresoberfläche gebunden wird und als organisches Material in tiefere Wasserschichten und Sedimente gelangt.
Das Team analysierte Bariumisotope in zwei Kalksteinprofilen des Antler-Vorlandbeckens in Nevada und Montana, die rund 1.300 Kilometer voneinander entfernt liegen. 47 Proben aus der Pahranagat Range und 30 Proben vom Sacagawea Peak decken denselben geologischen Abschnitt ab. In beiden Profilen verschoben sich die Werte von δ¹³⁸Ba deutlich in positive Richtung.
In Nevada stieg δ¹³⁸Ba von -0,15 auf bis zu 1,12 Promille und erreichte damit die größte bislang in geologischen Proben dokumentierte positive Verschiebung. Solche schweren Bariumisotopensignaturen entstehen, wenn eine stärkere biologische Pumpe vermehrt Barium zusammen mit absinkendem organischem Kohlenstoff aus dem Oberflächenwasser entfernt. Die nahezu gleichen zeitlichen Muster an beiden Standorten sprechen nach Ansicht der Autoren gegen ein rein lokales Signal.
Die Bariumisotope erfassen dabei vor allem regionale Veränderungen im Becken und liefern keine direkte globale Produktivitätskurve. Gerade deshalb nutzte das Team zusätzlich ein Erdsystemmodell, um zu prüfen, welche globale Änderung mit den beiden Sedimentprofilen vereinbar wäre.
Besonders wichtig ist die zeitliche Reihenfolge der geochemischen Signale. Der erste deutliche Anstieg von δ¹³⁸Ba setzte bereits ein, bevor Uranisotope eine Ausbreitung sauerstoffarmer bis sauerstofffreier Meeresbereiche anzeigen. Damit spricht die Studie dafür, dass zunächst die Exportproduktion zunahm und der anschließende Abbau des zusätzlichen organischen Materials dem Wasser Sauerstoff entzog.
Um die Größenordnung zu prüfen, kombinierten die Forscher die Proxydaten mit dem Erdsystemmodell cGENIE. Die beobachteten Veränderungen ließen sich in den Simulationen mit einer globalen Zunahme der Exportproduktion um ungefähr 30 Prozent nachvollziehen. In einer entscheidenden Modellphase wurde dafür der Phosphatvorrat des Ozeans um rund ein Drittel erhöht, während der Anteil sauerstofffreier Meeresböden im Modell auf etwa 32 Prozent wuchs. Für die Pahranagat Range ergibt das Modell zeitweise einen Anstieg der lokalen Exportproduktion um fast 60 Prozent.
Eine stärkere biologische Pumpe hätte mehr organischen Kohlenstoff im Ozean versenkt und dessen langfristige Einlagerung im Sediment begünstigt. Dadurch wäre der Atmosphäre CO₂ entzogen worden, während unabhängige Sauerstoffisotopendaten von fossilen Conodonten während der TICE auf eine Abkühlung äquatorialer Meerestemperaturen um ungefähr fünf Grad Celsius hindeuten.
Das Modell bildet diese Entwicklung mit einer schrittweisen Verringerung des atmosphärischen CO₂ vom Achtfachen auf das Zweifache des vorindustriellen Werts ab. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass dies keine exakte Rekonstruktion ist, weil cGENIE das damalige Erdsystem vereinfacht und sowohl die notwendige Nährstoffzunahme als auch die Klimareaktion von den gewähl