Die großen Massenaussterben der Erdgeschichte galten lange als Werk gewaltiger Vulkanausbrüche. Eine neue Modellstudie rückt nun einen zweiten, bislang kaum beachteten Prozess in den Vordergrund: Gase, die frei werden, wenn Magma tief liegendes Gestein aufheizt. Schwefel und Kohlenstoff aus diesem Gestein könnten das Klima abrupt zwischen Kälte und Hitze hin und her geworfen haben. Genau diese Sprünge könnten für zahlreiche Arten tödlich gewesen sein.
Massenaussterben markieren die dramatischsten Einschnitte in der Geschichte des Lebens. Innerhalb geologisch kurzer Zeiträume verschwand jeweils ein großer Teil aller Tier- und Pflanzenarten, manchmal mehr als die Hälfte, in besonders schweren Fällen fast alles Leben in den Meeren. Über die Auslöser wird seit Jahrzehnten gestritten. Als wichtigster Verdächtiger gelten seit Langem sogenannte magmatische Großprovinzen, riesige Gebiete, in denen über lange Zeit enorme Mengen Lava an die Oberfläche traten. Der dabei ausgestoßene Kohlenstoff sollte die Atmosphäre aufheizen, während vulkanischer Schwefel kurzzeitig für Abkühlung sorgte. Dieses Bild galt vielen Fachleuten als weitgehend gesichert. Eine Arbeitsgruppe aus Geologie und Atmosphärenforschung zeigt nun jedoch, dass ein wesentlicher Teil der Geschichte gefehlt haben könnte.
Das Team der Florida State University um den Meteorologen Michael Diamond und die Geologin Emily Stewart verband dafür Erkenntnisse aus der Tiefengeochemie mit Methoden der Atmosphärenforschung. Der Ausgangspunkt war eine einfache Beobachtung: Dort, wo Magma in den Untergrund eindringt, bleibt es nicht bei der eigentlichen Eruption. Die glühende Schmelze heizt auch das umliegende Gestein stark auf, ohne dass es selbst schmilzt. Enthält dieses Gestein Schwefel und Kohlenstoff, etwa in ausgedehnten Schieferbecken, werden diese Elemente als Gase frei. Bislang galt dieser Weg als unbedeutend für das Klima, weil Schwefel nur wenige Tage in der Luft bleibt. Die Forschenden gingen der Frage nach, ob ein solcher Nachschub über lange Zeiträume dennoch ganze Ökosysteme aus dem Gleichgewicht bringen kann. Ihre Antwort fällt deutlich aus.
Der entscheidende Vorgang heißt Kontaktmetamorphose. Steigt Magma in Sedimentgesteine auf, wirkt es wie eine gigantische Herdplatte auf das Umgebungsgestein. Liegen dort schwefel- und kohlenstoffreiche Ablagerungen, treiben Hitze und Druck die flüchtigen Bestandteile aus. Solche Bedingungen herrschten in mehreren magmatischen Großprovinzen der Erdgeschichte, etwa in der Ferrar-Provinz der heutigen Antarktis oder in den Sibirischen Trapps im Norden Russlands. Beide entstanden in Phasen, in denen sich riesige Mengen Schmelze durch schwefel- und kohlenstoffhaltige Schichten schoben. Nach den Berechnungen der Gruppe konnte auf diesem Weg über Jahrhunderte hinweg so viel Schwefel in die Atmosphäre gelangen, dass sich dort dauerhaft kühlende Aerosolschleier bildeten. Der Prozess lief langsamer und stetiger ab als bei einem explosiven Ausbruch, wirkte dafür aber über einen viel längeren Zeitraum.
Wie stark dieser Effekt ausfallen kann, beschreibt die im Fachjournal Science Advances erschienene Analyse anhand von Klimasimulationen im Detail. Schwefel und Kohlenstoff entfalten darin gegensätzliche Wirkungen. Der Schwefel bildet feine Sulfatpartikel, die Sonnenlicht zurückwerfen und die Erde für kurze Zeit abkühlen, verschwindet aber rasch wieder. Der Kohlenstoff dagegen bleibt über Jahrhunderte, Jahrtausende oder sogar Jahrmillionen in der Atmosphäre und heizt sie langfristig auf. Selbst nach einer schwefelbedingten Kältespitze bleibt das Klima daher am Ende wärmer als zuvor. Aus diesem Gegenspiel entsteht kein gleichmäßiger Trend, sondern ein Hin und Her zwischen kalten und warmen Phasen. Für Lebewesen ist nicht der einzelne Extremwert das größte Problem, sondern die Geschwindigkeit, mit der sich die Bedingungen wiederholt umkehren.
Genau an dieser Stelle liegt der Kern der neuen Deutung. Nach Ansicht der Forschenden sind es nicht einzelne Hitze- oder Kältephasen, die ein Massenaussterben auslösen, sondern die abrupten Klimasprünge zwischen beiden Zuständen. Arten, die sich über viele Generationen an stabile Bedingungen angepasst haben, geraten unter Druck, wenn sich Temperatur, Niederschlag und Meereschemie innerhalb weniger Jahrhunderte mehrfach umkehren. Die metamorphe Freisetzung von Schwefel und Kohlenstoff liefert einen Mechanismus, der solche Schwankungen erzeugen und über lange Zeit aufrechterhalten kann. Damit fügt sich ein Baustein in ein Bild, das bislang vor allem den direkten Vulkanausbruch in den Mittelpunkt stellte. Der eigentliche Schaden entstünde demnach weniger durch die Eruption selbst als durch das aufgeheizte Gestein in ihrem Umfeld.
Zu den bekanntesten dieser Krisen zählt das Große Sterben am Ende des Perm vor rund 252 Millionen Jahren, bei dem der Großteil aller Meeresarten verschwand. Frühere Untersuchungen hatten hier eine verhängnisvolle Kettenreaktion im Klimasystem nachgezeichnet, die eng mit den Sibirischen Trapps verknüpft ist. Die neue Studie ergänzt dieses Szenario um einen bislang unterschätzten Gaslieferanten und zeigt, wie eng vulkanische und metamorphe Prozesse ineinandergreifen. Ob sich der metamorphe Beitrag für jede einzelne Aussterbekrise beziffern lässt, ist damit allerdings noch nicht gesagt.
Für die Geowissenschaften ist das Ergebnis auch deshalb bemerkenswert, weil die Frage nach den Ursachen der großen Aussterbeereignisse lange als weitgehend geklärt galt. Der Blick war fest auf den Vulkanismus gerichtet. Erst die Kombination mit der Atmosphärenforschung lenkte die Aufmerksamkeit auf Hinweise, die zuvor kaum beachtet worden waren. Bemerkenswert ist dabei ein weit verbreiteter Denkfehler: Man ging davon aus, dass Schwefel nur dann langfristig kühlen kann, wenn er bis in die Stratosphäre geschleudert wird. Die Modellrechnungen legen nun nahe, dass auch die stetige metamorphe Freisetzung genügt, um über Jahrhunderte kühlende Sulfatschleier zu erzeugen. Damit verschiebt sich der Fokus von der spektakulären Eruption hin zu den unscheinbaren Gesteinsschichten, die in ihrer Umgebung aufgeheizt werden.
Nach Darstellung der Florida State University brachte erst der interdisziplinäre Blick die entscheidende Wende, weil er Belege sichtbar machte, die aus rein geologischer Perspektive übersehen worden waren. Der Prozess, der Arten auslösche, sei letztlich ein Umschwung des Klimas zwischen heißen und kalten Zuständen. Die Metamorphose liefere dafür einen weiteren, bisher unterschätzten Antrieb.
Dass irdische Aussterbekrisen nicht immer nur eine einzige Ursache haben, zeigen auch ganz andere Erklärungsansätze. So diskutieren Fachleute etwa, ob nahe Supernovae hinter zwei früheren Massensterben stehen könnten. Solche Szenarien schließen einander nicht aus, sondern zeigen, wie viele Faktoren im erdgeschichtlichen Klima zusammenspielen. Die metamorphe Schwefelfreisetzung reiht sich in diese wachsende Liste möglicher Mitverursacher ein und macht deutlich, dass die großen Krisen selten monokausal zu erklären sind.
Bei aller Tragweite bleibt die Arbeit ein Modell. Sie stützt sich auf Simulationen und geochemische Abschätzungen, nicht auf eine direkte Messung urzeitlicher Atmosphären. Wie viel Schwefel und Kohlenstoff im Einzelfall tatsächlich frei wurde, hängt von der Zusammensetzung des jeweiligen Gesteins ab und lässt sich für vergangene Epochen nur eingrenzen. Die Forschenden betonen selbst, dass die großen Aussterbeereignisse komplexer sind als lange angenommen und sich kaum auf einen einzigen Auslöser reduzieren lassen. Ihr Beitrag besteht vor allem darin, einen zusätzlichen, physikalisch plausiblen Mechanismus in die Debatte einzubringen. Als Nächstes wollen sie im Gesteinsarchiv nach weiteren Spuren solcher metamorpher Gasfreisetzungen suchen und ihre Modelle verfeinern. Bestätigt sich das Bild, müsste die Rolle des reinen Vulkanismus bei mehreren Krisen der Erdgeschichte neu gewichtet werden.
Science Advances, Metamorphic sulfur release as a driver of sustained cooling and mass extinction; doi:10.1126/sciadv.aee2277