Klima über die Grenze zwischen Kreide und Paläogen - Climate across Cretaceous–Paleogene boundary
Das Klima über der Kreide-Paläogen-Grenze (K-Pg oder früher die K-T-Grenze) ist für die geologische Zeit sehr wichtig, da es ein katastrophales globales Aussterben darstellt . Es wurden zahlreiche Theorien vorgeschlagen, warum dieses Aussterben stattfand, darunter ein Asteroid, der als Chicxulub-Asteroid bekannt ist, Vulkanismus oder Veränderungen des Meeresspiegels. Während das Massensterben gut dokumentiert ist, gibt es viele Debatten über die unmittelbaren und langfristigen Klima- und Umweltveränderungen, die durch das Ereignis verursacht werden. Das terrestrische Klima ist zu diesem Zeitpunkt kaum bekannt, was das Verständnis umweltbedingter Veränderungen der biologischen Vielfalt vor dem Einschlag des Chicxulub-Kraters einschränkt . Sauerstoffisotope über die K-T-Grenze legen nahe, dass die ozeanischen Temperaturen in der späten Kreidezeit und durch die Grenze selbst schwankten . Kohlenstoffisotopenmessungen von benthischen Foraminiferen an der K-T-Grenze deuten auf schnelle, wiederholte Schwankungen der ozeanischen Produktivität in den 3 Millionen Jahren vor dem endgültigen Aussterben hin, und die Produktivität und die Ozeanzirkulation endeten unmittelbar nach der Grenze für mindestens Zehntausende von Jahren abrupt , was auf die Zerstörung terrestrischer und mariner Ökosysteme hinweist. Einige Forscher schlagen vor, dass der Klimawandel die Hauptverbindung zwischen den Auswirkungen und dem Aussterben ist. Die Auswirkungen störten das Klimasystem mit langfristigen Auswirkungen, die viel schlimmer waren als die unmittelbaren, direkten Folgen der Auswirkungen.
K-Pg-Grenze
Die K-Pg-Grenze (ehemals K-T) ist ein dünnes Sedimentband , das bis vor 66 Millionen Jahren zurückreicht und als konsistente Schicht auf dem ganzen Planeten an über 100 bekannten verschiedenen Orten gefunden wird. K und T sind die Abkürzungen für die Kreidezeit bzw. die Tertiärperiode , aber der Name Tertiär wurde von der Internationalen Kommission für Stratigraphie durch " Paläogen " als formale Zeit- oder Gesteinseinheit ersetzt , und Pg ist jetzt die Abkürzung. Diese Grenze markiert den Beginn des Känozoikums . Nicht-Vogel-Dinosaurier-Fossilien werden nur unterhalb der K-Pg-Grenze gefunden, was darauf hinweist, dass sie bei diesem Ereignis ausgestorben sind. Darüber hinaus kommen Mosasaurier , Plesiosaurier , Flugsaurier und viele Arten von Pflanzen und Wirbellosen nicht oberhalb dieser Grenze vor, was auf ein Aussterben hinweist. Es wurde festgestellt, dass die Grenze um ein Vielfaches größer als normal an Iridium angereichert ist (30-facher Hintergrund in Italien und 160-facher Hintergrund in Stevns , Dänemark ), was höchstwahrscheinlich auf ein außerirdisches Ereignis oder eine mit diesem Intervall verbundene vulkanische Aktivität hinweist. Die Extinktions- und Strahlungsraten variierten über verschiedene Arten von Organismen hinweg.
Spätkreide- bis K-Pg-Grenzklima
Spätkreideklima
Die Kreidezeit (145–66 Ma) hatte insgesamt ein relativ warmes Klima, das zu einem hohen eustatischen Meeresspiegel führte und zahlreiche flache Binnenmeere erzeugte. In der späten Kreidezeit war das Klima viel wärmer als heute; Während des größten Teils des Zeitraums ist jedoch ein Abkühlungstrend erkennbar. Die Tropen waren in der frühen Kreidezeit viel wärmer und wurden gegen Ende der Kreidezeit viel kühler.
Vor 70 Millionen Jahren durchlief die Erde in der späten Kreidezeit eine Gewächshausphase . In der Atmosphäre war reichlich CO 2 vorhanden, was zu einer globalen Erwärmung führte . Es wurde eine Theorie vorgeschlagen, dass die Zirkulation des Ozeans die Richtung änderte, wobei zwei Wassermassen im Atlantik die Richtung änderten. Eine der Wassermassen sank auf den Meeresboden, nahm Richtung Süden und landete im tropischen Atlantik. Die andere Wassermasse ersetzte die erste Wassermasse auf der Meeresoberfläche um Grönland, die den Atlantik erwärmte, während der Rest des Ozeans abkühlte.
Stratigraphische, faunale und Isotopenanalysen aus der sehr späten Kreidezeit ( Maastricht ) weisen auf einige wichtige Ereignisse hin. Im Südatlantik, planktischen Foraminiferen Fauna und stabile Carbonat und Sauerstoffisotopen aus Paläoboden Karbonat zwei wichtigen Ereignisse zeigen: späte Kreide Diversifizierung und Massenaussterben am Ende der Kreidezeit, mit beiden Ereignissen von den großen Veränderungen des Klima und die Produktivität begleitet. Bei etwa 70,5 Ma stieg der Artenreichtum um 43%, was mit einer starken Abkühlung des Oberflächen- und Grundwassers zusammenfiel, was die Oberflächenproduktivität erhöhte. Zwischen 70–69 Ma und 66–65 Ma weisen Isotopenverhältnisse auf erhöhte atmosphärische CO 2 -Drücke mit Werten von 1000–1400 ppmV und mittleren Jahrestemperaturen in West- Texas zwischen 21 und 23 ° C hin. Atmosphärische CO 2 - und Temperaturbeziehungen zeigen an, dass eine Verdoppelung von pCO 2 mit einem Temperaturanstieg von ~ 0,6 ° C einherging. Bei 67,5 Ma begannen der Artenreichtum und die Oberflächenproduktivität abzunehmen, was mit einer maximalen Abkühlung auf 13 ° C in Oberflächengewässern zusammenfiel. Das Massensterben in den letzten 500.000 Jahren markiert große klimatische und moderate Produktivitätsänderungen. Zwischen 200 und 400 km vor der K-T-Grenze erwärmten sich Oberflächen- und Tiefwasser schnell um 3 bis 4 ° C und kühlten sich dann während der letzten 100 km der späten Kreidezeit wieder ab. Der Artenreichtum nahm während der späten Kreidezeit ab und 66% der Arten waren zum Zeitpunkt des K-T-Grenzereignisses verschwunden.
Klima über die K-Pg-Grenze
Über die K-Pg-Grenze hinweg nahm die Oberflächenproduktivität leicht ab. Für Nordamerika wird ein Temperaturgradient von ~ 0,4 ° C pro Breitengrad über die K-Pg-Grenze vorgeschlagen. Diese Daten des terrestrischen Klimas und der Meerestemperaturen wurden möglicherweise durch die Vulkangasung von Deccan Traps verursacht , was zu einem dramatischen globalen Klimawandel führte. Diese Beweise zeigen, dass viele der Arten, die zu diesem Zeitpunkt vom Aussterben bedroht waren, auch ohne zusätzliche außerirdische Auswirkungen mit diesen Klima- und Produktivitätsänderungen zusammenhängen.
Durch den Aufprall stieg der atmosphärische CO 2 -Gehalt von 350 bis 500 ppm auf etwa 2300 ppm, was ausgereicht hätte, um die Erdoberfläche ohne Gegenantrieb durch Sulfat- Aerosole um ~ 7,5 ° C zu erwärmen .
Es ist unklar, ob während der späten Kreidezeit kontinentale Eisschilde existierten, da die Schätzungen der Meerestemperatur widersprüchlich waren und Zirkulationsmodelle keine Paläoklimadaten simulierten .
Frühes paläogenes Klima
Das Paläozän (die erste Epoche des Paläogens) folgte unmittelbar dem Asteroideneinschlag, der die Dinosaurier und die Kreidezeit zerstörte. Es markiert den Übergang zwischen den Dinosauriern des Mesozoikums und der Entstehung der größeren Säugetiere des Eozäns (Känozoikum). Zu Beginn der Periode herrschten kühlere Temperaturen und ein trockeneres Klima als vor dem Asteroiden. Dies ist höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass atmosphärischer Staub das Sonnenlicht über einen längeren Zeitraum reflektiert. Im letzten Teil der Epoche erwärmten sich die Temperaturen jedoch erheblich, was dazu führte, dass keine vergletscherten Pole und grüne tropische Wälder vorhanden waren. Das wärmere Klima erhöhte die Meerestemperaturen und führte zu einer Vermehrung von Arten wie Korallen und anderen Wirbellosen.
Eine veröffentlichte Studie aus dem Jahr 2018 schätzte, dass die frühen paläogenen jährlichen Lufttemperaturen über Land und in mittleren Breiten durchschnittlich 23–29 ° C (± 4,7 ° C) betrugen, was 5–10 ° C über den meisten früheren Schätzungen liegt. Oder zum Vergleich, 10 bis 15 ° C höher als die aktuellen Jahresmitteltemperaturen in diesen Gebieten, schlagen die Autoren auch vor, dass die aktuelle atmosphärische Kohlendioxid-Flugbahn, wenn sie fortgesetzt wird, diese Temperaturen wieder herstellen könnte.
Das globale Klima des Paläogens ging von den heißen und feuchten Bedingungen der Kreidezeit zu einem Abkühlungstrend über, der bis heute anhält, möglicherweise ausgehend von den Auslöschungsereignissen an der K-T-Grenze. Diese globale Abkühlung wurde regelmäßig durch warme Ereignisse wie das Paläozän-Eozän-Wärmemaximum unterbrochen . Der allgemeine Abkühlungstrend wurde teilweise durch die Bildung des antarktischen Zirkumpolarstroms verursacht, der die ozeanischen Wassertemperaturen signifikant abkühlte. Die Pole der Erde waren kühl und gemäßigt; Nordamerika, Europa , Australien und Südamerika waren warm und gemäßigt; äquatoriale Gebiete waren warm; und das Klima rund um den Äquator war heiß und trocken.
Im Paläozän war das Erdklima um bis zu 15 ° C viel wärmer als heute und das atmosphärische CO2 lag bei etwa 500 ppmV.
Theorien zum Massensterben
Die Ereignisse an der K-Pg-Grenze waren der Einfluss mehrerer Theorien darauf, wie der Klimawandel und das Aussterben stattgefunden haben könnten. Diese Hypothesen konzentrierten sich entweder auf Aufprallereignisse oder auf erhöhten Vulkanismus oder auf beides. Paläontologen sind sich einig, dass die Hauptursache ein Asteroideneinschlag war, der die Biosphäre der Erde schwer zerstörte , katastrophale Veränderungen des Erdklimas verursachte und eine neue Ära des Klimas und des Lebens einleitete.
Asteroideneinschlag
Die Theorie mit der bislang größten Unterstützung bezieht sich auf einen Aufprall eines oder mehrerer Asteroiden. Die 1980 vorgeschlagene Alvarez-Hypothese lieferte dafür Beweise. Luis Alvarez und ein Forscherteam fanden weltweit Sedimentschichten an der K-T-Grenze, die konzentriertes Iridium enthielten, das viel höher war als andere Sedimentschichten. Iridium ist in der Erdkruste äußerst selten, in den meisten Asteroiden und Kometen jedoch sehr häufig , da Asteroiden eine Iridiumkonzentration von etwa 455 Teilen pro Milliarde aufweisen, während die Erdkruste typischerweise nur etwa 0,3 Teile pro Milliarde enthält. Sie interpretierten es als Trümmer eines Aufpralls, der sich rund um den Globus ablagerte.
Sie kamen zu dem Schluss, dass der Asteroid einen Durchmesser von etwa 9,97 Kilometern hatte, was einen Aufprall mit etwa der gleichen Energie wie 100 Billionen Tonnen TNT verursachen würde . Ein Aufprall dieser Größenordnung würde dann eine große Staubwolke erzeugen, die das Sonnenlicht blockieren und die Photosynthese für viele Jahre hemmen würde . Die Staubpartikel in der Dampf -reichen Schlagwolke aus dem Krater ausgeworfen und über die Atmosphäre der Erde stieg, umhüllt die Erde, und dann durch die Atmosphäre rund um den Planeten abstammen , die vom Erreichen der Erdoberfläche Sonnenlicht blockiert. Staub verdeckte das Sonnenlicht bis zu sechs Monate lang, wodurch die Photosynthese gestoppt oder stark beeinträchtigt wurde und somit die kontinentalen und marinen Nahrungsketten ernsthaft gestört wurden. Dies würde dann das meiste Pflanzenleben und Phytoplankton töten, was auch viele der Organismen töten würde, deren Überleben von ihnen abhing. Schwefelsäureaerosole wurden ebenfalls in die Atmosphäre ausgestoßen, wodurch etwa 20 Prozent des einfallenden Sonnenlichts blockiert wurden. Es würde Jahre dauern, bis diese schwefelhaltigen Aerosole vollständig aus der Atmosphäre verschwunden sind. Die Aufprallstelle enthielt auch schwefelreiche Sedimente, sogenannte Verdampfungsprodukte , die mit Wasserdampf unter Bildung von Sulfat-Aerosolen reagiert hätten. Sean Gulick, ein Wissenschaftler an der Universität von Texas, postulierte, dass eine Erhöhung der atmosphärischen Konzentration der Sulfatverbindungen die Auswirkungen auf zwei Arten tödlicher hätte machen können: Änderung des Klimas durch Sulfat-Aerosole in der oberen Atmosphäre mit kühlender Wirkung und Erzeugung saurer Regen aus Wasserdampf, der die untere Atmosphäre von Sulfat-Aerosolen spülen kann. Frühere Studien hatten darauf hingewiesen, dass beide Effekte möglicherweise auf die Auswirkungen zurückzuführen sind, jedoch in geringerem Maße.
Viele andere globale Katastrophen könnten als Folge des Asteroideneinschlags aufgetreten sein. Analysen der Flüssigkeitseinschlüsse zeigen, dass der Sauerstoffgehalt während dieser Zeit sehr hoch war; Dies würde Hinweise auf eine intensive Verbrennung stützen. Dies lässt den Schluss zu, dass globale Feuerstürme möglicherweise auf die anfängliche Brandstiftung zurückzuführen sind. Wenn globale, weit verbreitete Brände aufgetreten wären, hätte der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre zugenommen und einen vorübergehenden Treibhauseffekt verursacht, sobald sich die Staubwolke abgesetzt hat.
Deccan-Fallen
Die Ausbrüche der Deccan-Falle waren mit einer tiefen Mantelwolke verbunden. Die Theorie besagt, dass vor etwa 66 Millionen Jahren die Mantelwolke am Hotspot von Réunion durch die Erdkruste brannte und Westindien mit Basaltlava überflutete . Die Basaltlava bedeckte über 1.609.344 Quadratkilometer Indiens unter aufeinanderfolgenden Lavaströmen. Während des massiven Ausbruchs, der weltweit zum Klimawandel beitrug, wurden vulkanische Gase, hauptsächlich Schwefeldioxid , freigesetzt. Die plötzliche Abkühlung durch die Schwefelgase wurde zu dieser Zeit zu einem Hauptstressor für die biologische Vielfalt . Ein schneller Ausbruch der riesigen Lavafelder der Deccan-Fallen hätte die Erdoberfläche mit CO2 überflutet, Oberflächensysteme und -senken überwältigt und eine schnelle Erwärmung des K-T-Übergangs im Gewächshaus, chemische Veränderungen in den Ozeanen und das Massensterben ausgelöst.
Obwohl Iridium eine wichtige Grundlage für die Chicxulub-Impakttheorie war, wurde vorgeschlagen, dass Iridium aus dem Vulkanismus der Mantelwolke stammen könnte. Der Erdkern ist reich an Iridium, und es wird vermutet, dass die Mantelwolke das Iridium während der Eruptionen vom Kern an die Oberfläche transportiert hat. Tatsächlich setzt der Hotspot-Vulkan, der die Deccan-Fallen produziert hat, noch heute Iridium frei.
Es ist der gegenwärtige Konsens der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dass die Deccan-Fallen entweder nur zusammen mit dem Chicxulub-Aufprall zum Aussterben beigetragen haben oder dass der Chicxulub-Impac der Hauptverursacher des Aussterbens war. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Deccan-Vulkanismus und dem Massensterben ist aufgrund des Fehlens intertrappäischer mariner Sedimente mit altersdiagnostischen Mikrofossilien, die Isotopendaten enthalten, die die Eruptionen mit dem Aussterben korrelieren, unklar geblieben .
Meereshöhe
Als Beweis wurde eine Theorie für den Rückgang des Meeresspiegels in der Zeit von Maastricht, dem letzten Zeitalter der späten Kreidezeit, vorgeschlagen. Es zeigt, dass der Meeresspiegel zu dieser Zeit des Känozoikums stärker gesunken ist als zu irgendeinem Zeitpunkt während des Mesozoikums. In Gesteinsschichten repräsentierten zu dieser Zeit die frühesten Schichten den Meeresboden, spätere Schichten Küstenlinien und die neuesten kontinentale Umgebungen. Die Schichten zeigen keine Verzerrung oder Neigung, die mit Bergen zusammenhängt, so dass der Rückgang des Meeresspiegels höchstwahrscheinlich die Ursache ist. Ein massiver Rückgang des Meeresspiegels hätte den Rand des Festlandsockels stark verringert, was zu einem Massensterben führen könnte, aber nur für Meerestiere. Diese Regression hätte höchstwahrscheinlich einen Klimawandel verursacht, indem sie Meeresströmungen und Winde gestört und damit die globalen Temperaturen erhöht hätte. Weitere Folgen sind der Verlust epeirischer Meere und die Ausweitung der Süßwasserumgebung. Obwohl die Ausdehnung des Süßwassers für Süßwasserwirbeltiere von Vorteil war, litten die Arten der Meeresumwelt immer noch.
Betroffene Arten
Arten, die von der Photosynthese abhängig waren, litten am meisten, da das Sonnenlicht durch atmosphärische Partikel blockiert wurde, die die Sonnenenergie reduzierten, die die Erdoberfläche erreichte. Photosynthetisierende Organismen wie Phytoplankton und Pflanzen begannen auszusterben, was dazu führte, dass auch pflanzenfressende Arten unter ihrer starken Abhängigkeit von Pflanzen als Nahrung litten. Infolgedessen starben auch viele Raubtiere aus.
Coccolithophoriden und Weichtiere (einschließlich Ammoniten ) starben aus oder erlitten große Verluste. Zum Beispiel wird angenommen, dass Ammoniten die Hauptnahrung von Mosasauriern waren, einer Gruppe riesiger mariner Reptilien, die an der Grenze ausgestorben sind.
Allesfresser , Insektenfresser und Aasfresser überlebten das Aussterben aufgrund der erhöhten Verfügbarkeit ihrer Nahrungsquellen. Säugetiere und Vögel, die das Aussterben überlebten, ernährten sich von Insekten, Würmern und Schnecken, die sich dann von toten Pflanzen- und Tiermaterien ernährten. Wissenschaftler nehmen an, dass diese Organismen den Zusammenbruch pflanzlicher Nahrungsketten überlebten, weil sie sich von Detritus und nicht lebendem organischem Material ernährten .