Wissenschaftler aus Dartmouth legten mithilfe eines innovativen Computermodells nahe, dass vulkanische Aktivität und nicht ein Asteroideneinschlag die Hauptursache für das Massensterben war, das das Zeitalter der Dinosaurier beendete. Dieser bahnbrechende Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung anderer geologischer Ereignisse.
Freidenkende Computer haben den Fossilienbestand rekonstruiert, um die Ursachen einer Katastrophe zu ermitteln.
Um die langjährige Debatte darüber anzusprechen, ob ein massiver Asteroideneinschlag oder vulkanische Aktivität zum Aussterben von Dinosauriern und zahlreichen anderen geführt hat Spezies Vor 66 Millionen Jahren verfolgte ein Team am Dartmouth College einen innovativen Ansatz: Sie schlossen Wissenschaftler aus der Debatte aus und überließen die Entscheidung den Computern.
Das berichten die Forscher im Fachjournal Wissenschaft eine neue Modellierungsmethode, die auf miteinander verbundenen Prozessoren basiert und ohne menschliches Zutun Unmengen geologischer und klimatischer Daten verarbeiten kann. Sie beauftragten fast 130 Prozessoren mit der umgekehrten Analyse des Fossilienbestands, um die Ereignisse und Bedingungen zu ermitteln, die dazu geführt haben Kreide–Paläogenes (K–Pg) Aussterben, das den Weg für den Aufstieg der Säugetiere, einschließlich der Primaten, ebnete, die zu den frühen Menschen führen würden.
Eine neue Perspektive auf historische Ereignisse
„Ein Teil unserer Motivation bestand darin, diese Frage ohne eine vorgegebene Hypothese oder Voreingenommenheit zu bewerten“, sagte Alex Cox, Erstautor der Studie und Doktorand am Department of Earth Sciences in Dartmouth. „Die meisten Modelle bewegen sich vorwärts. Wir haben ein Modell des Kohlenstoffkreislaufs so angepasst, dass es in die andere Richtung läuft, indem wir den Effekt nutzen, um die Ursache anhand von Statistiken zu ermitteln, und ihm nur das Nötigste an Vorinformationen zur Verfügung gestellt haben, während es auf ein bestimmtes Ergebnis hinarbeitete.
„Letztendlich spielt es keine Rolle, was wir denken oder was wir zuvor gedacht haben – das Modell zeigt uns, wie wir zu dem gekommen sind, was wir in den geologischen Aufzeichnungen sehen“, sagte er.
Das Modell berechnete mehr als 300.000 mögliche Szenarien von Kohlendioxidemissionen, Schwefeldioxidausstoß und biologischer Produktivität in den 1 Million Jahren vor und nach dem K-Pg-Aussterben. Durch eine Art von maschinelles Lernen Bekannt als Markov Chain Monte Carlo – das nicht unähnlich ist, wie ein Smartphone vorhersagt, was Sie als Nächstes eingeben werden – arbeiteten die Prozessoren unabhängig voneinander zusammen, um ihre Schlussfolgerungen zu vergleichen, zu überarbeiten und neu zu berechnen, bis sie zu einem Szenario kamen, das mit dem im Fossilienbestand gespeicherten Ergebnis übereinstimmt .
Aufdeckung der Ursachen des Aussterbens
Geochemische und organische Überreste im Fossilienbestand spiegeln deutlich die katastrophalen Bedingungen während des K-Pg-Aussterbens wider, das nach den geologischen Perioden auf beiden Seiten der jahrtausendelangen Katastrophe benannt ist. Auf der ganzen Welt kam es zu einem massiven Aussterben von Tieren und Pflanzen, als die Nahrungsnetze in einer instabilen Atmosphäre zusammenbrachen, die – beladen mit sonnenbleichendem Schwefel, in der Luft schwebenden Mineralien und wärmespeicherndem Kohlendioxid – wild von eisigen zu sengenden Bedingungen wechselte.
Während die Auswirkungen klar sind, ist die Ursache des Aussterbens ungeklärt. Frühe Theorien, die das Ereignis auf Vulkanausbrüche zurückführten, wurden durch die Entdeckung eines Einschlagkraters in Mexiko namens Chicxulub in den Schatten gestellt, der von einem kilometergroßen Asteroiden verursacht wurde, der nun als Hauptverantwortlicher für das Aussterben gilt. Die Theorien beginnen sich jedoch anzunähern, da fossile Beweise auf einen Doppelschlag wie noch nie in der Erdgeschichte hinweisen: Der Asteroid könnte auf einen Planeten geknallt sein, der bereits von den massiven, extrem heftigen Vulkanausbrüchen in den Deccan Traps im Westen Indiens erschüttert wurde.
Aber die Wissenschaftler wissen immer noch nicht, in welchem Ausmaß die einzelnen Ereignisse zum Massensterben beigetragen haben, und sind sich auch nicht darüber einig. Deshalb beschlossen Cox und sein Berater Brenhin Keller, Assistenzprofessor für Geowissenschaften in Dartmouth und Co-Autor der Studie, „zu sehen, was man bekommen würde, wenn man den Code entscheiden ließe“.
Modellierungsergebnisse und vulkanische Auswirkungen
Ihr Modell legte nahe, dass allein der Austritt klimaverändernder Gase aus den Deccan-Fallen ausgereicht haben könnte, um das globale Aussterben auszulösen. Die Traps waren etwa 300.000 Jahre vor dem Chicxulub-Asteroiden ausgebrochen. Schätzungen zufolge haben die Deccan-Fallen während ihrer fast eine Million Jahre dauernden Eruptionen bis zu 10,4 Billionen Tonnen Kohlendioxid und 9,3 Billionen Tonnen Schwefel in die Atmosphäre gepumpt.
„Wir wissen aus der Vergangenheit, dass Vulkane zu massiven Aussterben führen können, aber dies ist die erste unabhängige Schätzung flüchtiger Emissionen, die auf der Grundlage ihrer Umweltauswirkungen erfolgt“, sagte Keller, der letztes Jahr einen Artikel veröffentlichte, in dem er vier der fünf Massenaussterben auf der Erde damit in Verbindung brachte Vulkanismus.
„Unser Modell hat die Daten unabhängig und ohne menschliche Voreingenommenheit durchgearbeitet, um die Menge an Kohlendioxid und Schwefeldioxid zu bestimmen, die erforderlich ist, um die Störungen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs hervorzurufen, die wir in den geologischen Aufzeichnungen sehen. Es stellte sich heraus, dass diese Mengen mit dem übereinstimmten, was wir bei den Emissionen der Deccan-Fallen erwarten“, sagte Keller, der intensiv daran gearbeitet hat, den Zusammenhang zwischen dem Deccan-Vulkanismus und dem K-Pg-Aussterben zu untersuchen.
Asteroideneinschlag und moderner Kontext
Das Modell zeigte tatsächlich einen starken Rückgang der Ansammlung von organischem Kohlenstoff in der Tiefsee zum Zeitpunkt des Chicxulub-Einschlags, der wahrscheinlich darauf zurückzuführen war, dass der Asteroid das Aussterben zahlreicher Tier- und Pflanzenarten verursachte. Die Aufzeichnung enthält Spuren eines Temperaturabfalls etwa zur gleichen Zeit, der durch die große Menge Schwefel – ein kurzfristiges Kühlmittel – verursacht worden wäre, das der Mammutmeteorit bei seiner Kollision mit der schwefelreichen Oberfläche in die Luft geschleudert hätte auf diesem Gebiet des Planeten.
Der Asteroideneinschlag hätte wahrscheinlich auch Kohlenstoff und Schwefeldioxid freigesetzt. Das Modell stellte jedoch fest, dass es zu diesem Zeitpunkt keinen Anstieg der Emissionen beider Gase gab, was darauf hindeutet, dass der Beitrag des Asteroiden zum Aussterben nicht von den Gasemissionen abhing.
Fazit: Methodische Innovation und zukünftige Anwendungen
Im modernen Kontext, so Cox, habe die Verbrennung fossiler Brennstoffe von 2000 bis 2023 jährlich etwa 16 Milliarden Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre gepumpt. Dies ist 100-mal höher als die höchste jährliche Emissionsrate, die Wissenschaftler für die Deccan-Fallen prognostizieren. Auch wenn es für sich genommen alarmierend sei, würde es noch einige tausend Jahre dauern, bis die aktuellen Kohlendioxidemissionen die Gesamtmenge erreichen, die von den alten Vulkanen ausgestoßen wurde, sagte Cox.
„Am ermutigendsten ist, dass die von uns erzielten Ergebnisse im Großen und Ganzen physikalisch plausibel sind, was angesichts der Tatsache, dass das Modell technisch ohne stärkere vorherige Einschränkungen hätte völlig außer Kontrolle geraten können, beeindruckend ist“, sagte er.
Durch die Verbindung der Prozessoren verkürzte sich die Zeit, die das Modell für die Analyse eines solch riesigen Datensatzes benötigte, von Monaten oder Jahren auf Stunden, sagte Cox. Seine und Kellers Methode kann verwendet werden, um andere Erdsystemmodelle – etwa für das Klima oder den Kohlenstoffkreislauf – umzukehren, um geologische Ereignisse zu bewerten, deren Ergebnisse zwar bekannt sind, aber nicht die Faktoren, die dazu geführt haben.
„Diese Art der Parallelinversion wurde in geowissenschaftlichen Modellen noch nie durchgeführt. „Unsere Methode kann auf Tausende von Prozessoren skaliert werden, was uns einen viel größeren Lösungsraum zur Erkundung bietet, und sie ist gegenüber menschlichen Vorurteilen recht resistent“, sagte Cox.
„Bisher waren die Menschen in unserem Fachgebiet mehr von der Neuheit der Methode fasziniert als von der Schlussfolgerung, zu der wir gelangten“, lachte er. „Jedes Erdsystem, dessen Wirkung, aber nicht die Ursache bekannt ist, ist reif für eine Umkehrung. Je besser wir den Output kennen, desto besser können wir den Input charakterisieren, der ihn verursacht hat.“
Referenz: „Eine Bayesianische Umkehrung für Emissionen und Exportproduktivität über die Grenze der Endkreidezeit hinaus“ von Alexander A. Cox und C. Brenhin Keller, 28. September 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.adh3875