Vor etwa 304 Millionen Jahren veränderte eine rasche Erwärmung eine Erde, die sich eigentlich in einer langen Eiszeit befand.
Zu dieser Zeit bedeckten ausgedehnte Eisschilde einen Teil der Südhalbkugel. Das Klima war jedoch nicht vollständig stabil. Geologische Archive zeigen einen Wechsel zwischen kälteren Phasen und wärmeren Perioden, die unter anderem mit Schwankungen des atmosphärischen Kohlendioxids zusammenhingen.
Die untersuchte Episode zeichnet sich durch ihre Geschwindigkeit auf geologischer Zeitskala aus. Frühere Arbeiten schätzten, dass die CO₂-Konzentration von etwa 350 auf 700 Teile pro Million gestiegen war. Dieser Anstieg soll sich über einen Zeitraum von etwa 300.000 Jahren nach einer ausgeprägten Vergletscherungsphase ereignet haben.
Die Veränderung zeigt sich auch in den früheren Temperaturen der Ozeane. Fossilisierte Muscheln weisen darauf hin, dass die Oberflächengewässer von etwa 25 °C auf 29 °C anstiegen. Diese Erwärmung um 4 °C ging mit einem Rückgang des kontinentalen Eises und einem Anstieg des Meeresspiegels einher.
Um die Bedeutung dieser Episode zu verstehen, muss man die Reaktionen betrachten, die auf diese Erwärmung folgten. Ein Temperaturanstieg kann die Ozeane, das Eis und den Kohlenstoffkreislauf verändern. Diese Veränderungen können die Erwärmung anschließend verstärken, anstatt sie lediglich zu begleiten.
Die neue in PNAS veröffentlichte Studie untersucht diese alte Episode als mögliche Überschreitung einer Klimaschwelle. In einer solchen Situation kann eine relativ begrenzte Störung weitaus größere Veränderungen auslösen. Das Klimasystem reagiert dann nicht mehr streng proportional auf die ursprüngliche Ursache.
Auch die Ozeane erlitten einen starken Sauerstoffverlust. Schätzungen aus früheren Arbeiten zufolge herrschten damals auf etwa 20 % des Meeresbodens sauerstofffreie Bedingungen. Diese Entwicklung fiel mit einem Rückgang der marinen Biodiversität zusammen, der in den Gesteinen aus dieser Zeit dokumentiert ist.
Mit anderen Worten: Diese urzeitliche Erwärmung bestand nicht nur aus ein paar zusätzlichen Grad. Sie zeigt, wie mehrere Mechanismen zusammenwirken können: ein Anstieg des CO₂-Gehalts, der Rückgang des Eises, die Erwärmung der Gewässer und ihre abnehmende Sauerstoffversorgung. Zusammen können sie eine anfängliche Klimastörung innerhalb relativ kurzer Zeit verstärken.
Diese frühe Periode bildet nicht die heutige Welt ab, deren Kontinente, Ozeane und Ökosysteme anders beschaffen sind. Sie bietet jedoch einen realen Fall, anhand dessen sich die Reaktion eines eisbedeckten Planeten auf einen raschen Anstieg des Kohlenstoffgehalts untersuchen lässt. Die Forschenden können nun genauer bestimmen, welche Mechanismen die beobachtete Verstärkung ausgelöst haben und wie stark sie das Klima verändert hat.