1.4 Ökologische Prinzipien und Faktoren (Auswahl)

1.4.1 Atmosphäre, Strömungen und Klima

Zusammensetzung Atmosphäre: O₂ 21%, N₂ 78%, CO₂ derzeit ca. 350 ppm, sonstige Spurengase.

Klimasteuerung u.a. durch:

- Treibhaus-Effekt und Kohlenstoffkreislauf:

Treibhausgase C0₂, N₂0, CH₄ (20x höhere Wärmekapazität als CO₂), H₂0

H₂0: 62% aller Treibhauseffekte heute durch Wasserdampf, < 9 % des anthropogenen Treibhauseffektes (z.B. Kondensstreifen von Flugzeugen)

C0₂: 22 % Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt; 61 % des anthropogenen Treibhauseffektes

Mögliche C0₂-Quellen für Atmosphäre:

• tierische Aktivität
• pflanzliche Verrottung
• Meerwassererwärmung
• vulkanische Aktivität
• Kalkfällung im Meer (kurzfristig): Ca²⁺ + 2HCO₃^- = CaCO₃ + CO₂ + H₂O
  freiwerdendes CO₂ kann je nach biologischer Aktivität , Karbonatsättigung oder pH direkt (z.B. durch Algen) verbraucht werden, gelöst werden oder in Atmosphäre gelangen.
• Verkarstung (nur bei längeren Skalen und Verschiebung der Verhältnisse zwischen Hydro- und Atmosphäre; kurzfristig Senke, siehe unten)
• Lösung am Meeresboden (bleibt i.d.R. in Hydrosphäre, nur bei längerfristiger Verschiebung der Verhältnisse zwischen Hydro- und Atmosphäre wesentlich)
• Verbrennung fossler Kohlenwasserstoffe
• Verbrennung von Wäldern, geänderte Bodennutzung, verstärkte Verrottung bei Klimaänderung usw.

Mögliche CO₂-Senken für Atmosphäre:

• kaltes Ozeanwasser (Diffusion: Gering, Meeresströmungen in Tiefe: wichtig -> physikalische C-Pumpe)
• Verlagerung organischer Materie in Tiefsee (z.B. marine snow) -> biologische Pumpe (erhöht bzw. hält Aufnahmekapazität von CO₂ der Ozeane aufrecht), teilweise längerfristig latent gespeichert als Methanhydrate.
• Kohlebildung, Schwarzschieferbildung (im Unterschied zu organischer Zwischenspeicherung über geologische Zeiträume stillgelegtes C)
• Kalkschalen-, Kalkskelettbildung (langfristiger Entzug in die Lithosphäre, durch Verschiebung der Gleichgewichtsverhältnisse zwischen Hydro- und Atmosphäre)
• Photosynthese
• Vorhandensein lebender Materie (Wälder, tierische Organismen etc).
• Bewahrung von C als Bodenluft und Humus
• Verstärktes Auftreten von C4-Pflanzen (verwenden mehr CO₂, vgl. Kap. 9).
• Verwitterung (kurzfristig): Verkarstung CaCO₃ + H₂O + CO₂ = 2HCO₃^- + Ca²⁺ bzw.
  Silikate, z.B. CaSiO₃ + 2CO₂ + H₂O = Ca²⁺ + 2HCO₃^- + SiO₂
  Achtung: funktioniert nur als Senke, solange Gewässer für CO2 aufnahmefähig bleiben, ansonsten umgekehrter Effekt (direkte Freisetzung von CO₂ an Atmosphäre, wegen mangelnder Dissoziierung)

>> Beiblatt 0 (C-Kreislauf, CO2-Anstieg etc.)

Rückkoppelungsmechanismen zumindest in quantitativer Form noch weitgehend unklar, z.B.

• Führt CO₂-Anstieg zu erhöhter Pflanzenproduktivität (C-sink) oder erhöhter Verrottung (C-source)?
• Steigender Meeresspiegel führt zu erhöhter Verdunstung. Führt Wasserdampf zu weiterem T-Anstieg oder bilden sich Wolken, die Einstrahlung verringern?
• Positiver Feedback: erwärmtes Meer nimmt weniger CO₂ auf.

weiterhin:

• auf dem Land sind ca. 90% des in Pflanzen gebundenen C in Bäumen; die Hälfte davon befindet sich in den Tropen oder Subtropen (d.h. nehmen nur ca. 15% der Landoberfläche ein).
• ebenfalls sehr viel in Böden (Humus) und Tundra (z.T. eingefrorene Bodenluft).
• Mögliche Auswirkungen von CO₂-Anstieg auf Pflanzen: Kurzzeitversuche:
  • Erhöhung der Produktivität nur z.T., da Nährstoffmangel limitierend
  • bei genügend Nährstoffen max. Wachstum bei 500-1000 ppm (je nach Art)
  • Wasserverwertung wird verbessert: Produktivität in Wüsten höher (z.T. durch Umbau auf C4-Pflanzen, dadurch aber z.T. noch stärkere Aridisierung, da C4-Pflanzen aufgenommenen Wasser kaum mehr transpirieren).
  • Oft diverse Stresssymptome, aber besser geschützt gegen Photooxidation ("Sonnenbrand")
  • C4-Pflanzen (mit generell verbesserter Wasseraufnahme) reagieren schwächer als C3 Pflanzen. C4-Pflanzen (mit verbessertem CO₂-Verbrauch) können CO₂-Anstieg ggf. sogar dämpfen.
  • Problem: heutige Änderungen finden innerhalb der Lebensspanne eines Baumes statt. Ein150-jähriger Baum hat bereits 30% Änderung des pCO2 erlebt und kann möglicherweise sogar 100% erleben. Innerhalb eines Individuums ist aber kein Ersatz von C3 zu C4-Pflanzen möglich. Die meisten Nutzpflanzen sind C3-Pflanzen (in niederen Breiten auch zunehmend C4-Pflanzen, bereits neue Züchtungen in diese Richtung. Zum Aridisierungsproblem durch C4-Pflanzen siehe Kap. 9).
    
    

Kurzfristiger Kohlenstoffkreislauf (Zeitskalen für Austausch bis zu wenigen 100 Jahren)

Der globale Conveyor-Belt. Blau: Tiefenwasser, rot: warmes Oberflächenwasser. Orange Punkte: Hauptgenerierung von Tiefenwässer erhöhter Salinität und erniedrigter Temperatur (mit Ausnahme des Ostmediterran-Gebiets, dort nur erhöhte Salinität).

vor Grönland Hundertausende von m³ / s nach unten (erhöhte Wassersalinität wegen Ausfrieren von Süßwasser als Packeis, sowie Abkühlung). Im Einzelnen:
Es treffen sich relativ warmes Grönlandwasser (Golfstromrest), darüber legen sich im Sommer ca. 100 m kaltes, jedoch salzarmes und damit leichtes Wasser (salzarm wegen Eisschmelze im Sommer).
Im Herst/Winter friert Packeis aus; das Restwasser ist salziger (als 5-10-Meter Schicht unter dem Eis. Sackt ab, zuerst ins Mittelwasser, später auch ins Tiefenwasser (-3500 m): physikalische CO₂-Pumpe.
dadurch Ausgleichsströmung nach oben, dadurch Durchmischung, dadurch stoppt Pumpe wieder.
Abgesunkenes Wasser erscheint nach 500 bzw. 1000 Jahren wieder im Indischen Ozean bzw. Pazifik.
Problem: wenn Gletscher schmelzen gibt es zuviel Süßwasser und damit keine Durchmischung, sondern stabile Schichtung. Damit wird der Conveyor-Belt stark abgeschwächt, die physikalische Pumpe stoppt und es kommt zur Zunahme des Treibhauseffektes (siehe auch Heinrich-Events, Kap. 9).

- Albedo: Eis/Schnee (45-90%) > Wasser (6-10%) > Boden bzw. Vegetation (5%, z.T. jedoch bis 30%).

- generelles Windsystem:

• ohne Erddrehung und bei allseitiger äquatorialer Erwärmung (Typ Ringleuchte) gäbe es wohl nur ein großes N-S gerichtetes Windsystem (auf N-Halbkugel) mit enormem Hochdruckgebiet an Pol und überstarkem Tiefdruckgürtel am Äquator.

De facto:

• Durch Erddrehung und fokussierte Erwärmung (Sonne) kleinere Windsystemzellen: Passatwindgürtel, Westwindgürtel, subpolarer Sturmgürtel.
• Durch Corioliskräfte Ablenkungen; auf Nordhalbkugel Tiefdruckgebiete linksdrehend, Hochdruckgebiete rechtsdrehend.
• weitere Modifikationen:
• wegen Ekliptikschiefe: Sommer-Winter-Wandern der Gürtel
• unterschiedliche Grundeinstrahlung (Milankovitch, evtl. Schwankungen der Solarkonstante?).
• Unterschiedliche Wärmeverteilung durch Treibhauseffekte in Erdgeschichte
• starker Einfluss von Kontinentverteilung und Gebirgen (s.u.).

Schlussfolgerung: heutige Windgürtel nicht unbedingt als Modell für vergangene (und zukünftige) Zeiten sinnvoll.

- Ozeanisches Strömungssystem:

abhängig von

1. Windsystem
2. Kontinentverteilung
3. Gebirgsverteilung

daraus ergeben sich heute u.a. die Klimazonen

>> Beiblatt 1 (Strömungen, Vegetationsgürtel)

- Kontinentmasseneffekt: v.a. in Ostwindzone -> Ariditätszunahme nach Westen; verstärkt bei Großkontinenten

- Regenschatteneffekt: In Westwindzone z.B. im Osten (Nevada) bzw. SE (Tessin) der Gebirge.

- Vereisung an Polen: auf Ozeanwasser anfänglich schwierig

• Salzwasser hat niedrigeren Gefrierpunkt
• ständiges Anlösen von unten
• Zirkulation des Wassers (-> rel. Warmwasserzufuhr)
• aber: genügend Feuchtigkeit für Niederschläge vorhanden.

- Höhe des Meeresspiegels: Heutige Verteilung Land:Meer etwa 30:70

• Tiefstand-> stärkere T-Gradienten; Schwarzschieferbildung v.a. an Upwellingzonen (Westseiten der Kontinente)
• Hochstand -> starke Klimapufferung, Verlangsamung der Strömungssysteme, Disposition für (über-)regionale Schwarzschieferbildung

Klima- und Strömungsrekonstruktion:

Erdgeschichtlicher Befund ("hard data"): z.B. Tillite, Bauxit, Laterit, Evaporite, Caliche, Kohlen, Riffe (aber nicht alle Warmwasser!), Schwarzschiefer, klimarelevante Organismenassoziationen

Theoretische Überlegungen und Modellierung ("soft data", basierend u.a. auf Kontinentverteilung, Gebirgsverteilung, Meeresspiegelhöhe, Annahme für CO₂-Gehalt, usw).

1.4.2 Biotopmechanismen und Geo-Bio-Interaktion

Bio <-> Bio-Interaktion:

• Nahrungsketten (Beiblatt 2): schon kleinere Änderungen in Nahrungskette bzw. Nahrungsnetz können zu kompletter Verändung von Organismengemeinschaften führen (z.B. härtere Pflanzen nicht mehr genießbar, Planktonschädigungen durch UV, Krankheits-Epidemien).
  
  
• Dominanz und Diversitäten nicht nur bzw. nicht immer durch Geo-Umwelt (bzw. Mensch) kontrolliert, z.B.
  • raubtierfreie Habitate: Dominanz eines gut angepassten Pflanzenfressers (Känguru in Australien)
  • viele Räuber (Löwen, Hyänen,etc.): hohe Diversität von Pflanzenfressern (ausgeglichene Struktur)
  • Almwiesenbeispiel:
    • Gleichgewicht Rind-Wiese: hohe Diversität an Pflanzen
    • keine Begrasung: Gräser dominieren bald, starke Diversitätsabnahme
    • Begrasung durch Ziegen: zu starker Fressdruck, starke Diversitätsabnahme ("Ziegen fressen alles")

Geo-> Bio: Änderung der Umwelt verursacht Änderung der Organismen. Dies wird von Geowissenschaftlern häufig als die wesentliche Beziehung zwischen Geo- und Biosphäre gesehen. Zweifellos spielt sie eine wesentliche, aber nicht alleinige Rolle auch für die Evolution (siehe oben und unten). Beispiele:

• Platznahme freigewordener Nischen.
• Verdrängung bei Umweltänderung durch besser angepasste Formen
• Eroberung neuer ökologischer Nischen (mit oder ohne Umweltänderung).
  • Z.B. Grabtendenzen (Wurzeln, Bivalven, Echinoiden, Trilobiten)
• Klimatische Anpassungen, z.B.:
  • Dominanz ganzrandige Blätter in feuchtwarmen Klimaten
  • Korallen (aber auch Kaltwasserformen)
  • Reptilien (aber auch Anpassungen an kalte Klimate).

Bio -> Geo: Organismen beeinflussten und beeinflussen die "Geo-Umwelt" in vielfältigster Weise

Beispiele:

• Aufbau und Erhalt der Sauerstoffatmosphäre
• Entgiftung der Meere vor überschüssigem Kalzium (Zellgift) durch Stromatolithen im Präkambrium
• Schaffung der größten Eisenerzlagerstätten (BIFs) durch Eisenbakterien
• C-Kreislauf (klimarelevant)
• Erste Eiszeit durch Umstellung von methanproduzierende- auf aerobe Mikrobentätigkeit ??
• Einleitung der Permokarbon-Eiszeit durch erste Wälder (neuer C-Sink)?
• Klimapufferung durch heutige Wälder
• Ermöglichung von Mäander-Flusssystemen erst ab Silur (Pflanzen), verbessert ab Tertiär (Grasbefestigung von Böden)
• Schaffung lagunärer Ablagerungsräume durch Riffe.

Begriff: Geobiologie untersucht die Wechselwirkung von belebter und unbelebter Umwelt (in beidseitiger Richtung). Im weiteren Sinne ist die Entwicklung der Erde ein einziges Beispiel für Geobiologie.

1.5 Plattentektonik (vgl. Beiblatt 2a, 3, 4)

Geschichtlicher Abriss:

1858: Antonio Snider-Pellegrini: Passform Afrika - Südamerika

ca. 1900: Suess u.a.: Faunenähnlichkeiten (z.B. zwischen Madakaskar und Indien bzw. fehlende Ähnlichkeit zwischen Madagaskar und Afrika. In M keine Zebras, Löwen, Leoparden, Gazellen, Menschenaffen, Rhinos, Giraffen).
Suess: Gondwanaland (mit angenommenen Landbrücken)

1915: Wegener u.a. (z.B. du Toit): Kontinentaldrifttheorie

• Landbrückentheorie wrd abgelehnt
• Glossopteris-Samen sehr groß (kein Flugtransport möglich)
• Mesosaurus auf allen Südkontinenten verbreitet

20er-50er-Jahre:

• Paläomagnetik (Inklination -> Breitenlage; N-Richtung bestimmbar, aber kein Längengrad; Polwanderkurven).
• Harry Hess (1962): Genese der Mittelozeanischen Rücken: erhöhter Wärmefluss, seismische Wellen niedriger Geschwindigkeit, zentraler Graben. (Lithosphäre - 150 km, Astenoshäre - 700 km, Unterer Mantel - 3000 km)
• Hugo Benioff: tiefe Erdbeben auf Flächen, nicht tiefer als 700 km.

Subduktionsstile:

• Inselbogensubduktion (z.B. mit Back-Arc, ggf. spätere Auffaltung der Backarc-Bereiche)
• Andentyp
• Terranakkretion (Terrane entweder kleine Schollen kontinentaler Kruste oder akkretionierte Inselbögen)
• Kontinent-Kollission (oft mit underplating)

zu Abb.:

1 Inselbogentyp, Ozean-Ozean-Subduktion. 1a: alte, kalte, rasch absinkende Ozeanplatte wird subduziert. 1b: junge, warme, flach abtauchende Platte wird subduziert >> in der Zeit kann sich Position des Vulkanismus ändern. Außerdem können sich unter 1a leicht backarc-Becken öffnen, welche unter 1b wieder geschlossen werden.

2: Andentyp: Ozean-Kontinent-Subduktion

3 und 4: Entstehung, Drift und Kollission von Terranen bzw. Transferplatten. 3a: Abspaltung eines ozeanischen Mikrokontinent (T) durch Rifting. Durch Subdduktion der Ozeanplattte O1 kommt es nach erfolgtem Transfer zur Kollission zwischen T und einem Kontinent. Dadurch springen der Subduktionszone, Ozeanplatte O2 wird nun subduziert, dadurch Vulkanismus auf dem ehemaligen Terran T.

4a: Reifer Inselbogen als Terran. Inselbogenterran wird durch Subduktion von O1 unter K transportiert und kann ebenfalls weit wandern. Gleichzeitig wird weiterhin O2 unter dem Inselbogen subduziert. Damit kann im Unterschied zu 3 während der gesamten Transferreise Subduktionsvulkanismus auf dem Terran auftreten.

weitere Begriffe: MORBS (Mid-Ocean-Ridge-Basalte), Ophiolithsequenzen, Black Smokers.

weiterhin zu wiederholen: Metallogenesen an mittelozeanischen Rücken, in Inselbögen, Ozean-Kontinent (disseminated porphyry copper ores) etc.

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