Paradoxon der schwachen jungen Sonne

mini|Entwicklung von Leuchtkraft (rot), Radius (blau) und effektiver Temperatur (grün) der Sonne während ihres Daseins als Hauptreihenstern in Einheiten der heutigen Werte. Die Leuchtkraft war vor drei bis vier Milliarden Jahren 20 bis 25 % geringer als jetzt. mini|Rekonstruktion des mittleren Temperatur- und Niederschlagverlaufs der Erde vom Archaikum bis zur Gegenwart

Unter dem Paradoxon der schwachen jungen Sonne versteht man den noch nicht vollständig geklärten Widerspruch zwischen der geringen Strahlungsleistung der jungen Sonne in der frühen Erdgeschichte und dem nicht entsprechend kälteren Klima zu jener Zeit. Auf diese Diskrepanz wiesen erstmals die Astronomen Carl Sagan und George Mullen 1972 hin.Sagan und Mullen 1972.

Sagan schlug eine vergleichsweise hohe Konzentration von Treibhausgasen als mögliche Erklärung vor. Über Jahrzehnte geführte kontroverse Diskussionen in Geologie, Astrophysik, Planetologie, Klimatologie und Atmosphärenwissenschaften machten das Paradoxon zu einer „der großen offenen Fragen der Paläoklimatologie“.Warum die frühe Erde kein Schneeball war: das „Paradoxon der schwachen jungen Sonne“. Pressemitteilung vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (17. Dezember 2012). Zitat: „Das Paradoxon der schwachen jungen Sonne ist seit seiner Entdeckung vor vier Jahrzehnten eine der großen offenen Fragen der Paläoklimatologie“. Eine abschließende Deutung wird von manchen Autoren beansprucht,Minik T. Rosing, Dennis K. Bird, Norman H. Sleep, Christian J. Bjerrum: No climate paradox under the faint early sun. In: Nature. Band 464, 1. April 2010, doi:10.1038/nature08955, abstract online, S. 744–747. ist aber keineswegs unumstritten.Georg Feulner: The Faint Young Sun Problem. Reviews of Geophysics 50, Juni 2012, doi:10.1029/2011RG000375 (freier Volltext).

Ausmaß des Problems Aus dem Standardsonnenmodell lässt sich für die Zeit vor 4,4 Milliarden Jahren eine 25 bis 30 % geringere Strahlungsleistung ableiten.D. O. Gough: Solar Interior Structure and Luminosity Variations. In: Solar Physics. 74, 1981, S. 21–34, , doi:10.1007/BF00151270. Gleichzeitig wurde anhand geochemischer Analysen die Existenz von flüssigem Wasser an der Erdoberfläche bereits in der frühesten Erdgeschichte nachgewiesen.Simon A. Wilde u. a.: Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. In: Nature. 409, 2001, S. 175–178. doi:10.1038/35051550 Ohne relativ milde klimatische Bedingungen hätte Wasser aber nur als Eis vorkommen können. Bereits in dieser frühen Zeit sind die ersten Lebensspuren nachgewiesen, die ebenso flüssiges Wasser voraussetzten. Das Paradoxon setzt zu einer Zeit an, in der eine erste Atmosphäre gerade entstanden war, und dauert über mehrere Milliarden Jahre fort, während derer sich Kontinente und Ozeane bildeten. Dies gilt ebenso bei der Betrachtung der frühen Marsatmosphäre.

Überblick mini|Vulkanausbruch des Pinatubo Zur Erklärung des Paradoxons werden Faktoren berücksichtigt, die in der gesamten irdischen Klimageschichte eine Rolle spielten. Anfangs wurden für die Lösung des Problems hohe Treibhausgaskonzentrationen in der frühen Atmosphäre vermutet. Die Kenntnisse über die damalige atmosphärische Beschaffenheit und die damit verknüpften Klimabedingungen haben seit den 1970er Jahren erheblich zugenommen. So gilt eine ursprünglich sehr hohe Konzentration der heute relevanten Treibhausgase aufgrund geochemischer Beschränkungen als fraglich.J. F. Kasting: Earth's early atmosphere. (Abstract online) In: Science. Vol 259, Issue 5097, 1993, S. 920–926.

2009 wurden sulfidische Treibhausgase identifiziert, die in der frühen reduzierenden Atmosphäre bis zur Großen Sauerstoffkatastrophe vor 2,4 Milliarden Jahren ein wirksamer Klimafaktor gewesen sein könnten. Eine 2003 vorgebrachte Erklärung des Paradoxons und der globalen Warm- und Kaltzeiten aufgrund einer Klimabeeinflussung durch kosmische Strahlung löste eine kontrovers geführte Debatte aus und intensivierte die Forschung auf diesem Sektor. Ein klimabestimmender Einfluss kosmischer Strahlung in der Gegenwart konnte in Folgestudien jedoch nicht bestätigt werden.

Gegenwärtig wird versucht, das archaische Erdklima mit vergleichsweise einfachen Klimamodellen zu simulieren. Unter den Voraussetzungen einer niedrigen Albedo, eines hohen Stickstoffanteils und eines spärlichen Auftretens von Kondensationskernen für die Wolkenbildung wäre das Vorhandensein von flüssigem Wasser in den Tropenregionen auch damals möglich gewesen. Gleiches gilt für die Analyse der frühen Marsatmosphäre. Weitere Nebenthesen behandeln unter anderem mögliche Abweichungen der Erdbahnparameter, eine Veränderung der physikalischen Konstanten und der solaren Strahlungsstärke über das Standardmodell hinaus, ebenso wird in einigen Studien eine Lebensentstehung auf der Erde und auf anderen Himmelskörpern unter vergleichsweise kalten Bedingungen diskutiert.

Erd- und klimageschichtlicher Hintergrund Nach der Entstehung des Mondes vor etwa 4,5 Milliarden Jahren, bei der der Erdmantel tief aufgeschmolzen war, dauerte es etwa 2 Millionen Jahre, bis die Erdwärme für die Oberflächentemperatur vernachlässigbar wurde. Verzögernde Faktoren waren eine isolierende Atmosphäre aus Wasserdampf (H2O) und die Dissipation von Rotationsenergie durch Gezeitenreibung.Kevin J. Zahnle et al.: The Tethered Moon. Earth and Planetary Science Letters 427, 2015, doi:10.1016/j.epsl.2015.06.058, arXiv:1508.01467. Als das Wasser kondensierte, begann ein mindestens 10 Millionen Jahre währender galoppierender Treibhauseffekt (englisch runaway greenhouse effect) auf der Basis von anfangs etwa 100 bar Kohlendioxid (CO2), ehe das Gas großteils als Karbonat subduziert warKevin J. Zahnle et al.: Emergence of a Habitable Planet. Space Science Reviews 129, 2007, doi:10.1007/s11214-007-9225-z (siehe auch Kohlenstoffkreislauf).

Nach aktueller Einschätzung, vorbehaltlich neuer Mondgesteinproben, gab es kein Großes Bombardement der Erde durch Asteroiden und Kometen vor 4,1 bis 3,8 Milliarden Jahren, sondern eine allmähliche Abnahme der Einschläge,Adam Mann: Bashing holes in the tale of Earth’s troubled youth. Nature 553, 2018, doi:10.1038/d41586-018-01074-6. die den Erdmantel lediglich lokal aufschmolzen und zwischen denen relativ kühle Bereiche existierten, mit Wasser in flüssigerElizabeth B. Watson, Theresa M. Harrison: Zircon thermometer reveals minimum melting conditions on earliest Earth. Science 308, 2005, doi:10.1126/science.1110873. und fester Form. Vulkanausgasungen bestanden damals wie heute überwiegend aus Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff (H2S) sowie kleineren Anteilen von Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Helium, Methan und Ammoniak.

Eine vermutlich kurzzeitige Glazialphase in Form der Pongola-Vereisung ereignete sich vor etwa 2,9 Milliarden Jahren, auf die 500 Millionen Jahre später die Paläoproterozoische Vereisung folgte, wahrscheinlich verursacht durch die Große Sauerstoffkatastrophe und mit einer Dauer von ungefähr 300 Millionen Jahren das längste Eiszeitalter der Erdgeschichte. Daran schloss sich eine längere Warmzeit an, scherzhaft boring billion (langweilige Milliarde) genannt.nach H. D. Holland: The oxygenation of the atmosphere and oceans. In: Phil. Trans. R. Soc. Band 361, 2006, S. 903–915. doi:10.1098/rstb.2006.1838, zitiert bei Kasting und Ono 2006. Erst danach, seit etwa einer Milliarde Jahren, wechselten sich bis in die jüngste Erdgeschichte längere Warm- mit kürzeren Kaltzeiten ab.

Das Paradoxon wird gelegentlich im Umfeld von Junge-Erde-Kreationisten und Anhängern des sogenannten Intelligent Design als Argument gegen die übereinstimmenden wissenschaftlichen Datierungen herangezogen, die das Alter der Erde auf etwa 4,6 Milliarden Jahre festlegen.Detaillierte Betrachtung im Usenet unter Talk.origins Gegenargumente zu solarem Kreationismus Gegenargumente zu Faint young sun Kreationismus.

Einfluss der Atmosphäre

miniatur|hochkant=2|Beispiel einer Modellrechnung von 2009 zur mittleren jährlichen Strahlungsbilanz der Erde für den Zeitraum von März 2000 bis Mai 2004. Die Berechnungen wurden erstellt teils aufgrund von Satellitendaten (CERES) und teils aufgrund von Annahmen (Hypothesen). Die Breite der breiten Pfeile deutet die Proportionen des Energieflusses an., Fig. 1, S. 314. Eine spätere Modellrechnung von 2013 ergab einen Energieüberschuss von 0,6 W/m², mit einem Unsicherheitsbereich von 0,2 bis 1,0 W/m².Martin Wild, Doris Folini, Christoph Schär, Norman Loeb, Ellsworth G. Dutton, Gert König-Langlo: The global energy balance from a surface perspective. In: Climate Dynamics. 40, 2013, S. 3107, , Fig. 1, S. 3108, PDF.

Die Treibhauswirkung beruht auf der unterschiedlichen Durchlässigkeit für den kurzwelligen (vor allem ankommenden) Anteil der Sonnenstrahlung gegenüber der langwelligen (vor allem reflektierten) Wärmestrahlung. In der Erdatmosphäre haben Treibhausgase wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ozon seit Anbeginn zentralen Einfluss auf das Klima. Der natürliche Treibhauseffekt hebt die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche gegenwärtig um etwa 33 °C auf +15 °C an. Ohne diesen Effekt würde die bodennahe Luftschicht im globalen Mittel nur lebensfeindliche −18 °C aufweisen. Mit der gegenwärtigen Zusammensetzung der Atmosphäre wäre die Oberflächentemperatur am Beginn der Erdgeschichte bei sonst gleichen Bedingungen (Landverteilung, Albedo) global um ca. 20 °C kälter gewesen.S. Rahmstorf, H. J. Schellnhuber: Der Klimawandel. 6. Auflage. C.H. Beck, 2007, S. 14.

Ein über mehrere Milliarden Jahre weitgehend stabiles Klima setzt wirkungsvolle Regelmechanismen voraus. Wasser in seinen verschiedenen Aggregatzuständen alleine wirkt einer Abkühlung durch eine geringere Strahlungsleistung der Sonne nicht entgegen.Kasting und Ono 2006. Die beobachteten Klimaveränderungen müssen deshalb durch die Einwirkung anderer Faktoren, wie z. B. die Wolkenbildung, erklärt werden. So kühlen niedrige Wolken die Erdoberfläche durch ihre Sonnenreflexion, hohe Wolken wärmen hingegen. Die Wolkenbildung wird u. a. von Kondensationskernen, Schwebeteilchen und Spurengasen beeinflusst. Eine wichtige Rolle spielt hierbei der Vulkanismus durch die in die Atmosphäre emittierten Gase, Staubpartikel und Aerosole.

Die über längere Zeiträume variierende Vegetationsausbreitung hat im Zusammenhang mit Erosion, Verwitterung und Bodenstruktur Einfluss auf die Reflexionseigenschaften der Erdoberfläche sowie auf die Verdunstung und damit auf Wolkenbildung und Klima.Climate Change 2007: The Physical Science Basis, S. 448. Ein signifikanter Faktor sind daneben die Erdbahnparameter (Exzentrizität, Präzession und Neigung der Erdachse). Die durch die sogenannten Milanković-Zyklen verursachte Verteilung und Schwankung der Sonneneinstrahlung ist relativ geringfügig, fungiert jedoch im Klimasystem als „Impulsgeber“ und gilt als Hauptursache für den Wechsel der Warm- und Kaltphasen innerhalb des gegenwärtigen Eiszeitalters. Nach neueren Erkenntnissen kann ein Teil der Zyklen als stabile Einflussgröße über mehrere hundert Millionen Jahre zurückverfolgt und chronologisch eingeordnet werden.

Klimaeinfluss der Plattentektonik