Frühzeitliche Wälder veränderten den CO2-Gehalt in der Atmosphäre nicht so stark wie bisher angenommen

Die Kontinente der Erde wurden vor etwa 385 Millionen Jahren von hohen Bäumen und Wäldern bewachsen. Zuvor beherrschten flache, strauchartige Pflanzen mit Gefäßgewebe, Stämmen, flachen Wurzeln und ohne Blüten das Land. In den einschlägigen Fachbüchern ist zu lesen, dass die Atmosphäre damals einen viel höheren CO2-Gehalt aufwies als heute und dass ein intensiver Treibhauseffekt zu einem viel wärmeren Klima führte. Früher ging man davon aus, dass das Aufkommen von Wäldern den CO2-Abbau in der Atmosphäre förderte und die Erde in eine lange Kälteperiode mit Eisbedeckung an den Polen führte. Die Rekonstruktion des atmosphärischen CO2-Gehalts in der geologischen Vergangenheit ist schwierig und stützte sich bisher auf Näherungswerte, die von bestimmten Annahmen ausgehen mussten. Klimawissenforschende sind sich einig, dass CO2 sowohl heute als auch in der Vergangenheit eine entscheidende Rolle für das Weltklima spielt. Eine große Herausforderung für die Erdsystemforschung besteht daher darin, zu verstehen, was die CO2-Konzentration in der Atmosphäre gesteuert hat.

"Wir haben ein komplexes Modell für den Gasaustausch zwischen Pflanzenblättern und der Umgebungsluft an der ältesten Gattung vaskulärer Landpflanzen, den Keulenmoosen, kalibriert. Mit diesem Ansatz konnten wir den CO2-Gehalt in der Luft allein aus Beobachtungen am Pflanzenmaterial berechnen", sagt Tais W. Dahl vom Globe-Institut der Universität Kopenhagen, der die Studie in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam, auch vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, leitete.

Die neue Methode stützt sich auf drei Beobachtungen, die sowohl in lebenden Pflanzen als auch in fossilem Pflanzengewebe gemacht werden können, darunter das Verhältnis zweier stabiler Kohlenstoffisotope sowie die Größe und Dichte der Spaltöffnungen, durch die die Pflanze CO2 aufnimmt. Die Forschenden kalibrierten die Methode an lebenden Klumpfußgewächsen und stellten fest, dass dieser Ansatz den CO2-Gehalt der Umgebung im Gewächshaus genau wiedergeben kann. Die Wissenschaftler sammelten Daten von 66 Fossilien dreier verschiedener Klumpfußarten, die an 9 verschiedenen Orten weltweit gefunden wurden und 410 bis 380 Millionen Jahre alt sind. In allen Fällen war der atmosphärische CO2-Gehalt nur 30-70 % höher (525 - 715 ppm) als heute (415 ppm). Dies ist weit weniger als bisher angenommen (2000-8000 ppm). Ppm steht für parts-per-million und ist die Einheit zur Messung der Kohlendioxidkonzentration in der Luft.

Das Team nutzte ein Paläoklimamodell, um zu zeigen, dass die Erde ein gemäßigter Planet mit mittleren tropischen Oberflächentemperaturen von 24,1-24,6 °C war. "Wir haben ein vollständig gekoppeltes Atmosphäre-Ozean-Modell verwendet, um herauszufinden, dass die Pole der Erde mit Eis bedeckt waren, als die Wälder entstanden. Dennoch konnten Landpflanzen in den tropischen, subtropischen und gemäßigten Zonen gedeihen", erklärt Georg Feulner vom Potsdam-Institut für Klimaforschung, der die Studie mitverfasst hat.

Die neue Studie deutet darauf hin, dass Bäume über längere Zeiträume hinweg eine unbedeutende Rolle für den atmosphärischen CO2-Gehalt spielen, da die ersten Bäume tiefere Wurzelsysteme hatten und besser entwickelte Böden produzierten, die mit einem geringeren Nährstoffverlust verbunden sind. Aufgrund des effizienteren Nährstoffrecyclings in den Böden haben Bäume tatsächlich einen geringeren Verwitterungsbedarf als die flache, strauchartige Vegetation, die vor ihnen entstand. Diese Erkenntnis steht im Widerspruch zu der bisherigen Annahme, dass Bäume mit einem tieferen Wurzelsystem den CO2-Abbau durch verstärkte chemische Verwitterung und Auflösung von Silikatgestein fördern.

Die verwendeten Erdsystemmodelle zeigen, dass primitive strauchartige Gefäßpflanzen bereits zu einem früheren Zeitpunkt in der Geschichte, als sie sich erstmals auf den Kontinenten ausbreiteten, einen massiven Rückgang des atmosphärischen CO2 verursacht haben könnten. Das Modell zeigt, dass vaskuläre Ökosysteme gleichzeitig zu einem Anstieg des O2-Gehalts in der Atmosphäre geführt hätten.