Geschichte der Erdatmosphäre

Die Uratmosphäre

Die vor etwas über viereinhalb Milliarden Jahren entstandene Erde besaß zunächst eine aus Wasserstoff (H₂) und Helium (He) bestehende Gashülle. Diese leichten Gase gingen jedoch in den ersten Millionen Jahren weitgehend an den Weltraum verloren. Dies liegt daran, dass leichte Gase eine hohe Bewegungsenergie haben, insbesondere bei hohen Temperaturen wie sie zu Beginn der Erdgeschichte herrschten. Mit einer großen Bewegungsenergie lässt sich die Schwerkraft überwinden, genau wie bei einer Rakete, die in den Weltraum geschossen wird. Die Erde war daher schutzlos einem Bombardement von Meteoriten ausgesetzt, der den ohnehin heißen Erdkörper noch weiter erhitzte. Trotz einer gegenüber heute um 30-35 % geringeren Sonneneinstrahlung herrschten daher sehr hohe Temperaturen, so dass sich alle Bestandteile in flüssigem oder gasförmigem Zustand befanden.

Die erste Atmosphäre bildete sich durch Ausgasungen der Erde, die sich in einem schmelzflüssigen Zustand befand, sowie durch die Gase, die bei gewaltigen Vulkanausbrüchen entstanden. Diese Prozesse spielten sich vor etwa 4 Milliarden Jahren ab und werden als Ursprung der ersten oder Ur-Atmosphäre gesehen. Die heute noch bei Vulkanausbrüchen austretenden Gase geben eine Vorstellung davon, wie die Uratmosphäre ausgesehen haben muss. Die wichtigsten Entgasungsprodukte waren Wasserdampf und Kohlendioxid, aus denen die Atmosphäre damals zu 90% bestand, daneben in kleineren Mengen aus Methan, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxyd, Stickstoff und anderen. Es gab in dieser Atmosphäre keinen Sauerstoff.

Die sehr hohe Konzentration von Wasserdampf, das damals etwa 4/5 der Atmosphäre ausmachte, und Kohlendioxid lässt ein extremes Treibhausklima vermuten, wie wir es heute auf der Venus finden und in dem kein Leben möglich war. Noch heute herrscht auf der Venus, dem sonnennäheren Nachbarplaneten der Erde, ein starkes Treibhausklima, da 95% der Venusatmosphäre aus CO₂ bestehen. Die Temperaturen betragen dort etwa 700 °C! Auf der Erde lagen sie in der Uratmosphäre deutlich über 100 °C. Und das erklärt auch den hohen Anteil von Wasserdampf, da bei diesen hohen Temperaturen Wasser nur im gasförmigen Zustand existieren konnte.

Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff

Aufgrund der größeren Entfernung der Erde von der Sonne führte eine zunehmende Abkühlung vor etwa 3,5 Mrd. Jahren zur Kondensation des Wasserdampfes und zur Bildung des Urozeans. Die Kondensation entzog der Atmosphäre das wichtigste Treibhausgas, den Wasserdampf. Auch der Anteil des zweitwichtigsten Treibhausgases in der Atmosphäre, nämlich Kohlendioxid, begann zu sinken. Der kondensierte Wasserdampf fiel als Regen auf die Erdoberfläche und wusch das Kohlendioxid gleich mit aus. In dem entstehenden Ozean wurde das Kohlendioxid dann gelöst, verband sich mit Kalzium und sank auf den Meeresboden, wo es über lange Zeiträume in Kalkgestein gebunden und damit der Atmosphäre völlig entzogen wurde.

Da das Sauerstoffmolekül stark oxidierend ist und somit schnell mit anderen Elementen reagiert, war es im Gegensatz zu den anderen Gasen kein Produkt der Vulkanausbrüche. Der Sauerstoff in der Luft muss also durch andere Prozesse erst entstanden sein. Ein solcher Prozesse ist die Dissoziation (Aufspaltung) von Wasserdampfmolekülen durch harte ultraviolette (UV-) Strahlung. Allerdings wird diese UV-Strahlung durch Sauerstoff selbst wieder blockiert, so dass die Produktionsrate viel zu gering ist. Der Hauptgrund für den Anstieg der Sauerstoffkonzentration ist ein anderer.

Entstehung des Lebens

Im Urozean der Erde entstanden vor etwa 3,5 Milliarden Jahren oder früher die ersten Organismen, nämlich Bakterien und einfachste Einzeller. Diese Lebewesen konnten natürlich noch keinen Sauerstoff atmen, da es keinen gab (man nennt sie daher anaerob) und gewannen daher Energie durch Milchsäuregärung. Dies ist ein sehr ineffizienter Prozess durch Abbau organischer Substanzen. Die anaeroben Bakterien lebten im Wasser in einer ausreichenden Tiefe, um von der tödlichen UV-Strahlung geschützt zu sein. Andererseits waren sie auf die Zufuhr organischer Nahrung angewiesen, die nur in den obersten Schichten produziert wurde. Sie hatten daher keine Chance sich weiter auszubreiten. Im Laufe der Zeit wurden somit Mutanten bevorzugt. Diese Organismen entwickelten die Photosynthese und banden auf diese Weise weiteres Kohlendioxid, wodurch der CO₂-Gehalt der Atmosphäre weiter gesenkt wurde. Die ersten Kohlenstoff bindenden Organismen waren die Cyanobakterien, die sich vor ca. 2,7 Mrd. Jahren entwickelten.

Die Bedeutung der Photosynthese

Bei der Photosynthese nimmt ein Lebewesen Kohlendioxid und Wasser auf, verarbeitet unter der Einwirkung von Sonnenlicht den Kohlenstoff zu körpereigenen Bestandteilen und gibt Sauerstoff sozusagen als Abfallprodukt wieder ab. Dieser Prozess ist noch heute die Grundlage des Lebens auf der Erde, da fast alle Pflanzen so aus unbelebten (anorganischen) Stoffen belebte (organische) Stoffe machen, die zusammen mit dem freigewordenen Sauerstoff die Nahrungs- und Energiequelle anderer Lebewesen bilden.

Die Photosynthese kann aber nur dann als Sauerstoffquelle gewirkt haben, wenn die Bakterien beim Absterben nicht wieder durch den Sauerstoff rückoxidiert wurden, ansonsten würde dieselbe Menge der Umgebung entzogen, die sie zu Lebzeiten frei gesetzt hatten. Für die Entsorgung des organischen Materials (also der toten Bakterien) sorgte der Prozess der Sedimentation: Die tote Materie sinkt auf den Boden des Meeres und bildet immer höhere Schichten, an die der Sauerstoff nicht gelangen kann.

Entwicklung des Lebens

Die ersten Lebewesen auf der Erde produzierten also letztlich einen Überschuss an Sauerstoff, der zunächst mit Eisen, Schwefel und anderen oxidierbaren Substanzen reagierte, sich später aber in der Atmosphäre anreicherte. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre blieb allerdings über die lange Zeit des gesamten Archaikums (4 - 2,5 Milliarden Jahre vor heute) sehr gering und betrug deutlich weniger als 1% des heutigen Anteils.

Vor ca. 1,5 Milliarden Jahren war ein O₂-Gehalt von 1% des heutigen Wertes erreicht, der ausreichte, um den Prozess der Milchsäuregärung durch die viel effizientere Respiration (Atmung) abzulösen. Die Atmung stellt die Umkehrung der Fotosynthese dar: Aus organischem Material (z.B. dem Gras, das die Kuh isst; der Kuh, die wir essen, ...) wird durch Verbrauch von Sauerstoff Energie gewonnen. Nicht zuletzt dank dieser gesteigerten Effizienz konnten sich auch vielzellige Lebewesen entwickeln.

Die abnehmende Oxidation im Meer und die zunehmende Photosynthese dieser höher entwickelten Pflanzen ließ danach den Sauerstoffgehalt aber zunehmend ansteigen. Vor 2 bis 2,3 Milliarden Jahren gab es einen deutlichen Sprung. Im oberen Silur (vor etwa 400 Millionen Jahren) war ein Pegel von etwa 10% des heutigen Werts erreicht. Bei dieser Konzentration wird die UV-Strahlung bereits so stark abgeschirmt, dass auch Lebewesen auf dem Land existieren konnten. Durch die Senkung des CO₂- und den Anstieg des O₂-Gehalts inklusive Abschirmung der UV-Strahlung war so eine Atmosphäre entstanden, die eine Voraussetzung für die Entwicklung höherer Lebensformen war. Es entstanden riesige Wälder, in denen Dinosaurier lebten, und schließlich der Mensch. Bemerkenswert ist dabei, dass die Entstehung des Lebens selbst diese Bedingungen erst ermöglicht hat. Insofern hat das Leben auf der Erde sich seine eigenen Grundlagen erschaffen. Die Entwicklung der Atmosphäre ist also das Resultat einer Evolution, bei der die Erdatmosphäre und die Lebewesen sich gegenseitig beeinflusst haben.

Literatur

• W. Oschmann: Vier Milliarden Klimageschichte im Überblick, in: DWD Klimastatusbericht 2003
• Lozán, J.L., L. Karbe (2011): Herkunft des Wassers, Entstehung des Lebens im Meer und der Verbleib des früheren Kohlendioxids, in: Lozán, J.L., u.a. (Hrsg): Warnsignal Klima: Die Meere - Änderungen & Risiken, Hamburg 2011, 43-51

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Kontakt: Dieter Kasang