Die Erde kühlte sich 60 Millionen Jahre ab — und niemand wusste, wohin das CO₂ verschwand

Über einen Zeitraum von 60 Millionen Jahren verlor die Erdatmosphäre Kohlendioxid und der Planet kühlte ab. Das war bekannt. Doch wo das CO₂ letztlich landete, konnten Wissenschaftler nicht erklären. „Wir hatten erstaunlich wenig Verständnis darüber, wohin dieses Kohlenstoff ging“, sagte Ros Rickaby von der Universität Oxford, Hauptautor der neuen Studie. Die Antwort fanden die Forscher nun: Es wurde unter dem Meeresboden abgelagert – durch eine Kette von Ozeanprozessen, die auf Meeresspiegel und Phosphorrecycling basierten und wie ein langsamer planetarischer Thermostat während des Känozoikums wirkten.

Die Studie, veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences, rekonstruierte 60 Millionen Jahre geologischer Daten: antike Meeresspiegel, Sauerstoffkonzentrationen im Ozean, Phosphatverfügbarkeit und Raten der organischen Kohlenstoffablagerung in Schelfsedimenten. Heraus kam ein bisher unbekannter Rückkopplungsmechanismus, der vier Systeme verband – jedes für sich erforscht, aber nie als Einheit betrachtet.

Wie die Kette funktioniert

Der Thermostat beginnt mit dem Meeresspiegel. Lag dieser etwa 10 bis 40 Meter höher als heute – ein Bereich, den das Team als „idealen Zustand“ identifiziert –, passierte etwas Besonderes auf den Kontinentalschelfen. Die Sauerstoffkonzentrationen in diesen flachen Gewässern sanken unter einen kritischen Schwellenwert, während organische Materie zerfiel und sauerstoffarme Zonen schuf – genau dort, wo kohlenstoffreiche Schelfsedimente am stärksten freilagen.

Diese sauerstoffarmen Bedingungen hatten eine spezifische Wirkung auf Phosphor. Normalerweise bindet Phosphat an Sedimentpartikel in Anwesenheit von Sauerstoff; ohne Sauerstoff wird es wieder ins Wasser abgegeben. Dieses recycelte Phosphor fördert das Wachstum von Algen und Plankton, die Kohlenstoff aus den Oberflächengewässern aufnehmen. Sterben diese Organismen ab und sinken zu Boden, nehmen sie den Kohlenstoff mit. Unter den sauerstoffarmen Bedingungen, die zunächst die Phosphorfreisetzung auslösten, wird der organische Kohlenstoff begraben statt zersetzt – und bleibt über Millionen Jahre dort.

Das Ergebnis ist ein sich selbst verstärkender Kreislauf: Der Meeresspiegel setzt den Prozess in Gang, niedriger Sauerstoff setzt Phosphor frei, Phosphor treibt marine Produktivität, diese begrabene Kohlenstoff senkt atmosphärisches CO₂. Der Vorgang hält an, solange die richtigen Meeresspiegelbedingungen bestehen – und kann Millionen Jahre dauern, bevor sich das System neu ausgleicht.

„Unser Co-Autor Christian Bjerrum untersuchte vor zwei Jahrzehnten mit einem Computermodell den Zusammenhang zwischen Meeresspiegel, Ozeansauerstoff und Phosphat“, sagte Zunli Lu von der Syracuse University. „Jetzt haben wir endlich die geologischen Aufzeichnungen zusammengetragen, um diese Hypothese zu testen.“

Wenn der Thermostat abgeschaltet wurde

Die Daten des Teams zeigen, dass der Mechanismus nicht kontinuierlich lief. Während des Eozäns, vor etwa 56 bis 34 Millionen Jahren, stiegen die Meeresspiegel so stark an, dass sie den „idealen Zustand“ überschritten. Dadurch überlappten sich die sauerstoffarmen Zonen nicht mehr mit den kohlenstoffreichen Schelfsedimenten – zwei Bedingungen, die für die Rückkopplung notwendig sind. Die Kohlenstoffablagerung schwächte sich ab. CO₂ blieb in der Atmosphäre und heizte den Planeten auf. Aus geologischer Sicht war das Eozän eine warme Periode: so warm, dass tropische Wälder in Wyoming wuchsen und Krokodile nördlich des Polarkreises lebten.

Die Rückkehr des Systems – verbunden mit Meeresspiegeländerungen durch die Vereisung der Antarktis – fiel zusammen mit der anhaltenden Abkühlung, die die letzten 34 Millionen Jahre der Erdgeschichte prägte.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die verstärkte Ablagerung von organischem Kohlenstoff in Meeresboden-Sedimenten eine viel wichtigere Rolle spielte als bisher angenommen“, sagte Rickaby.

Was dieser Mechanismus nicht leisten kann

Der Thermostat wirkt auf Zeitskalen von Millionen Jahren. Jeder Zyklus – vom Auslöser durch den Meeresspiegel bis zur messbaren CO₂-Senkung – dauert Hunderttausende Jahre. Das Kohlendioxid, das der Mensch seit der Industrialisierung in die Atmosphäre gepumpt hat, sammelte sich dagegen in nur etwa 200 Jahren an. Der geologische Mechanismus kann diesem Tempo nicht folgen.

Es gibt auch eine strukturelle Diskrepanz: Heute liegen die sauerstoffarmen Zonen tiefer als während der Hauptphase des Känozoikums. Moderne Kontinentalschelfe sind schmaler, und ihre sauerstoffarmen Ränder sind weniger gut positioniert, um mit kohlenstoffreichen Sedimenten zu interagieren. Die Bedingungen, die den Thermostat über 60 Millionen Jahre effizient machten, sind heute nicht gegeben.

Die Forscher betonen diese Grenze ausdrücklich: Das System stabilisierte ein Klima, das Tausende von Jahren hatte, um sich anzupassen; es wurde nicht dafür entworfen – und kann auch nicht als schneller Kohlenstoffspeicher funktionieren.

Häufige Fragen zu Erdens CO₂-Thermostat

Was ist eine sauerstoffarme Zone? Es handelt sich um eine Schicht im Ozean, typischerweise in Tiefen von 100 bis 1.000 Metern, wo die Konzentration an gelöstem Sauerstoff stark abfällt. Meereslebewesen, die organische Materie zersetzen, verbrauchen den größten Teil des verfügbaren Sauerstoffs, bevor Wasserkreisläufe ihn ersetzen können. In diesen Zonen verändern sich normale chemische Reaktionen: Phosphor, der sonst an Sedimente gebunden bliebe, wird ins Wasser freigesetzt.

Wie unterscheidet sich das von der direkten CO₂-Aufnahme durch die Ozeane? Direkte Aufnahme löst CO₂ an der Oberfläche und hält es in Lösung – entfernt den Kohlenstoff aber nicht dauerhaft und ist reversibel, wenn sich die Meerestemperaturen ändern. Der in dieser Studie beschriebene Mechanismus lagert organischen Kohlenstoff physikalisch im Meeresbodensediment ab und sperrt ihn für geologische Zeitskalen aus der Atmosphäre – nicht nur für menschliche.

Ist dieser Prozess jemals gescheitert? Das Beispiel des Eozäns zeigt, dass er schwächer werden kann. Wenn die Meeresspiegel zu hoch sind – über dem „idealen Zustand“ –, bricht die Rückkopplungsschleife zusammen, weil die sauerstoffarmen Zonen nicht mehr die reichsten Sedimentablagerungen erreichen. CO₂ bleibt erhöht. Der Planet erwärmt sich. Der Mechanismus startet erst wieder, wenn der Meeresspiegel in den richtigen Bereich zurückkehrt.

Könnte dieser Prozess künstlich ausgelöst werden? Die Studie geht nicht auf Geoengineering ein. Die Rückkopplung hängt von Faktoren wie dem Meeresspiegel, der Lage der sauerstoffarmen Zonen und der Verteilung der Schelfsedimente ab – Variablen, die derzeit keine menschliche Technologie kontrollieren kann.

Was als Nächstes kommt

Die Forschung eröffnet eine direkte Untersuchung eines älteren Rätsels der Paläoklimatologie: Warum die Kohlenstoffsenkung im Känozoikum nicht gleichmäßig verlief. Die geologischen Aufzeichnungen zeigen Abkühlungsphasen, unterbrochen von wärmeren Intervallen – ein Muster, das das Thermostatmodell nun mit schwankenden Meeresspiegeln erklärt, die das System in und aus seinem Wirkungsbereich schoben.

Für die Klimaforschung heute fügt die Entdeckung auch Klarheit hinzu, was vergangene Warmzeiten von der gegenwärtigen unterscheidet. Das Eozän war warm, weil der Thermostat abgeschaltet war. Die aktuelle Erwärmung findet statt, obwohl das System strukturell funktionieren könnte – einfach weil die CO₂-Zufuhr jede geologische Reaktion überholt hat.

Referenz: Rickaby et al., „Shelf-invading low-oxygen waters control Cenozoic organic carbon burial rates“, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026. DOI: 10.1073/pnas.2526409123

Schlagwörter: climate, carbon burial, Cenozoic era, ocean chemistry, phosphorus, PNAS