Das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM) vor etwa 55,8 Millionen Jahren war eine nach geologischen Maßstäben sehr kurze, aber extreme Erwärmungsphase, deren Dauer je nach wissenschaftlicher Analyse auf 170.000 bis 200.000 Jahre veranschlagt wird. Der damalige globale Temperaturanstieg erfolgte auf der Basis eines bereits vorhandenen Warmklimas und war mit einem stark erhöhten Eintrag von Treibhausgasen in die Erdatmosphäre und Weltmeere verbunden. Während des PETM stieg die globale Temperatur innerhalb von wahrscheinlich 4.000 Jahren um durchschnittlich 6 °C (nach anderen Studien kurzzeitig um bis zu 8 °C) von etwa 18 °C im späten Paläozän auf mindestens 24 °C am Beginn des Eozäns, wobei eine neuere Analyse erheblich höhere Werte veranschlagte.
Die Wärmeanomalie an der Paläozän-Eozän-Grenze war mit einem ausgeprägten Konzentrationsabfall des stabilen Kohlenstoffisotops 13C verknüpft. Dies deutet darauf hin, dass sich am Beginn des PETM eine große Menge an 13C-abgereichertem Kohlenstoff in Atmo- und Hydrosphäre verteilte. Inzwischen liefern verschiedene Sedimentproben und Isotopenuntersuchungen aussagekräftige Erkenntnisse über die veränderten Umweltbedingungen sowohl in tropischen als auch in den höheren Breiten der nördlichen und südlichen Hemisphäre. Auf diese Weise konnte zum Beispiel durch das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope 13C und 12C ein deutlicher Vegetationsrückgang in Verbindung mit ausgeprägten Dürreperioden während der Wärmeanomalie nachgewiesen werden.
In den Geowissenschaften und besonders in der Paläoklimatologie wird das PETM häufig unter dem Aspekt analysiert, welche Auswirkungen ein massiver, auf wenige Jahrtausende beschränkter Kohlenstoffeintrag in das Klimasystem hat. Dabei werden oft Vergleiche zu den gegenwärtigen anthropogenen Kohlenstoffdioxid-Emissionen und dem Anstieg ihrer Konzentration in der Erdatmosphäre (siehe: Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre) gezogen.
Dauer der Erwärmungsphase Über den benötigten Zeitraum vom Beginn der Erwärmung bis hin zur Erreichung des Temperaturmaximums gibt es in der Wissenschaft eine Reihe unterschiedlicher und zum Teil widersprüchlicher Angaben. Während bis vor kurzem eine „Anlaufzeit“ von rund 18.000 Jahren als realistischer Wert angesehen wurde, beruft sich eine im Jahr 2013 erschienene Publikation auf eine Sedimentfolge im Marlboro-Ton des Salisbury Embayments, die nach Isotopenmessungen eine Freisetzung von 3.000 Gigatonnen Kohlenstoff in nur 13 Jahren nahelegt. Diese These fand in der wissenschaftlichen Literatur jedoch kaum Unterstützung und führte zu mehreren kritischen Stellungnahmen. Die Autoren einer im März 2016 erschienenen Studie veranschlagten die Dauer der Erwärmungsphase aufgrund eines Abgleichs zwischen der Kohlenstoff-Signatur δ13C und der Sauerstoff-Signatur δ18O auf annähernd 4.000 Jahre. Demnach verlief der jährliche Kohlenstoffeintrag in einer Größenordnung von 0,6 bis 1,1 Gigatonnen parallel zur damit gekoppelten Erwärmung. Da das thermisch relativ träge Klimasystem einschließlich der Ozeane ohne signifikante Verzögerung auf den Anstieg der atmosphärischen Treibhausgas-Konzentration reagierte, wird eine innerhalb weniger Jahre stattgefundene Kohlenstoff-Injektion ausgeschlossen.
Neuere Untersuchungen scheinen die Annahme zu belegen, dass sich während eines globalen Warmklimas auch die Klimasensitivität entsprechend erhöht. Für das PETM wird unter Einbeziehung aller kurz- und langfristig wirksamen Rückkopplungsfaktoren eine Klimasensitivität im Bereich von 3,7 bis 6,5 °C postuliert.
Nach dem Abflauen des PETM und einer längeren „Erholzeit“ (englisch Recovery phase) kam es 2 Millionen Jahre später mit dem Eocene Thermal Maximum 2 (ETM-2, 53,6 mya) zu einer weiteren starken Klimaerwärmung mit einer Dauer von ebenfalls maximal 200.000 Jahren. Dieser schlossen sich im Zeitraum vor 53,3 bis 52,8 Millionen Jahren drei kürzere und schwächer ausgeprägte Wärmeanomalien an.
Klimatische und biologische Folgen des PETM 250px|mini|Schalen benthischer (= am Meeresboden lebender) Foraminiferen aus Nordamerika Verschiedene Untersuchungen belegen, dass die Ozeane während des PETM erhebliche Wärmemengen speicherten. Für subpolare Gewässer (westliche sibirische See) wurden 27 °C ermittelt, und Sedimentbohrkerne aus der Küstenregion vor Tansania belegen Temperaturen bis maximal 40 °C. Dies bewirkte in Verbindung mit einem erheblichen Input von Kohlenstoffdioxid eine Versauerung der Meere bis in tiefere Schichten und die Entstehung anoxischer Milieus. Insgesamt kam es in den Meeren im Verlauf des PETM zu einer Entwicklung, die zumindest im Ansatz starke Ähnlichkeit mit einem Ozeanischen anoxischen Ereignis aufwies. Begünstigt wurde dieser Prozess durch eine deutliche Abschwächung beziehungsweise Verlagerung der Tiefenwasserströmungen sowie durch die erhöhte Einschwemmung festländischer Verwitterungsprodukte in die Ozeane aufgrund rasch verlaufender Erosionsvorgänge. Darüber hinaus stieg im Verlauf des Temperaturmaximums der Meeresspiegel aufgrund der thermischen Expansion (Wärmeausdehnung) des Ozeanwassers um 3 bis 5 Meter. Eisschilde, die hätten abschmelzen können, gab es nicht.
Auch wenn der klimatische Ausnahmezustand des PETM nach erdgeschichtlichem Maßstab nur von kurzer Dauer war, beeinflusste er nachhaltig die Biodiversität und Paläoökologie des gesamten Planeten. Die Ausdehnung der tropischen Klimazone bis in höhere Breiten führte zu weiträumigen Migrationsbewegungen von Flora und Fauna. Obwohl bei steigenden Temperaturen der Wasserdampfgehalt der Luft und damit die Niederschlagsneigung zunehmen, herrschte während des PETM in vielen Gebieten offenbar ein arides Klima, verbunden mit einer Abnahme der Pflanzenvielfalt einschließlich der Ausbildung von Trockenstress-Symptomen. Es wird angenommen, dass polarnahe Regionen eine erhöhte Niederschlagsintensität verzeichneten, im Gegensatz dazu traten Dürreperioden vor allem in den Subtropen auf.
Schnelle morphologische Veränderungen und evolutionäre Anpassungen geschahen nicht nur in terrestrischen Habitaten, sondern vielfach auch im Ozean. Hier kam es zu einem Massensterben der benthischen Foraminiferen mit einem Artenschwund zwischen 30 und 50 Prozent, mit hoher Wahrscheinlichkeit bedingt durch die Erwärmung der tieferen ozeanischen Schichten um etwa 4 bis 5 °C und einem damit verbundenen Sauerstoff-Defizit. An der Destabilisierung der marinen Biotope hatte darüber hinaus die Versauerung des Meerwassers mit einer relativ starken Abnahme des pH-Werts entscheidenden Anteil. Davon in Mitleidenschaft gezogen, jedoch nur partiell vom Aussterben bedroht waren in der Tiefsee angesiedelte Organismen (Seeigel, Muscheln, Schnecken) sowie nahezu alle Planktongruppen.
Der meridionale Temperaturgradient (das Temperaturgefälle vom Äquator zu den Polargebieten) war zur Zeit des PETM erheblich flacher als im übrigen Känozoikum. Dies gilt auch für die oberflächennahen Regionen der Ozeane. Die Temperaturdifferenz der Meere zwischen äquatorialen und polaren Bereichen betrug über große Teile des Paläozäns 17 °C (gegenwärtig: 22 °C) und verringerte sich während des PETM auf 6 °C. Dadurch herrschte in den Polargebieten ein warm-gemäßigtes Klima.
Auf die rasch zunehmende Erwärmung reagierten einige Familien und Gattungen der Säugetiere mit einer deutlichen Tendenz zur Kleinwüchsigkeit (englisch Dwarfing). Dies betraf sowohl räuberische Lebensformen wie die ausgestorbenen Creodonta und Oxyaenidae als auch die frühen Vertreter der Pferdeverwandten. Darüber hinaus konnte anhand von Ichnofossilien nachgewiesen werden, dass sich kleinere Lebensformen (zum Beispiel Insekten oder Würmer der Klasse Clitellata) ebenfalls den veränderten Umweltbedingungen anpassten und bis zu 46 Prozent ihrer ursprünglichen Größe einbüßten. Als Gründe für die Reduzierung der Körpermaße gelten die mit dem extremen Warmklima einhergehenden Dürreperioden und der dadurch bedingte Mangel an ausreichender Nahrung mit entsprechender Rückwirkung auf Pflanzenfresser und indirekt auf Carnivoren. Zusätzlich begünstigten der unmittelbare Einfluss des tropischen Klimas sowie stark schwankende Niederschlagsraten laut mehreren Studien phänotypische Reaktionen beziehungsweise mikroevolutionäre Veränderungen im Hinblick auf das Größenwachstum.
Eine Tendenz zur „Verzwergung“ erfasste auch viele marine Arten, darunter die Ostrakoden (Muschelkrebse). Speziell diese Entwicklung resultierte sehr wahrscheinlich aus der Erwärmung und Versauerung der Tiefseeregionen und einer damit verknüpften Störung der Remineralisierungsprozesse von organischem Kohlenstoff. Vergleichbare, aber etwas weniger ausgeprägte biologische Entwicklungen wurden für die Dauer des nachfolgenden Eocene Thermal Maximum 2 ebenfalls festgestellt.
Auswirkungen auf die Wälder Der Frage, wie sich eine erhöhte CO2-Konzentration im PETM auf die Vegetation, insbesondere Wälder auswirkt, konnten Dunn und sein Team näher kommen. Sie untersuchten die Form von versteinerten Blattzellen in Sedimentkernen aus dem Hanna-Becken in Wyoming (USA). Aufgrund des Pflanzenwachstums und der Weise, wie sie sich dem Licht entgegen strecken, lässt sich ableiten, wie viel vom Kronendach beschattet wurde, und im Vergleich dazu, wie viel dem Sonnenlicht ausgesetzt war. Für das „Grün“ des Waldes fanden sie eine Metrik, die sie als „leaf area index“ (Blattflächenindex) bezeichneten. Aus ihren Erhebungen folgte, dass es dem Wald damals nicht gut ging. Erhöhung des CO2-Konzentration beflügelt normalerweise das Wachstum. Hier aber fanden sie nur am Anfang des PETM eine Zunahme des Indexes, in den nächsten Tausend Jahren kam es aber zu einem Rückgang um bis zu 61 % und bis zu Ende des PETM verblieb dieser Index bei 35 % des Ausgangswertes. Das multidisziplinäre Wissenschaftlerteam vermutete, dass der anfängliche „Düngungseffekt“ später von Hitzestress und Wassermangel aufgehoben wurde und dass der Wald während dieser Warmzeit sich von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle entwickelte.
Mögliche Ursachen und damit verbundene Mechanismen
Die Entdeckung der Wärmeanomalie des PETM ist relativ jungen Datums und geschah eher zufällig gegen Ende der 1980er-Jahre. Die ursprüngliche Zielsetzung der daran beteiligten Forscher lautete, im Rahmen des Ocean Drilling Program anhand von Sedimentproben genauere Daten über das Massenaussterben an der Kreide-Paläogen-Grenze zu sammeln. Bei der Analyse der Bohrkerne, die auch die Zeit des Paläozän-Eozän-Übergangs einschloss, wurden Hinweise auf eine abrupte Erwärmung der damaligen Tiefsee vor rund 56 Millionen Jahren gefunden. In wissenschaftlicher Form publiziert wurden die neuen Erkenntnisse erstmals 1991 in der Fachzeitschrift Nature.
In den Jahrzehnten danach entwickelte sich das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum zu einem der Schwerpunkte paläoklimatologischer Forschung, zumeist auf interdisziplinärer Basis und dokumentiert in mehreren tausend Studien. Viele Details zum Fragenkomplex des PETM konnten inzwischen relativ umfassend mithilfe von Isotopenanalysen und der Auswertung eines breiten Spektrums an Proxydaten geklärt werden. Für die Kernfrage nach der genauen Ursache des PETM steht die Antwort indes noch aus. Die folgenden Abschnitte beschreiben jene Hypothesen, die aktuell im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Diskussion stehen.
Plattentektonik und Vulkanismus