Einleitung
Hydrothermale Prozesse betreffen die unterirdischen Bewegungen von heißem Wasser. („Thermos“ bedeutet Wärme und „hydros“ bedeutet Wasser.) Die Wärme wird normalerweise durch Aufquellen von Magma aus dem Erdmantel geliefert, und das Wasser stammt aus Niederschlägen, die von der Oberfläche abfließen. Ozeanwasser kann auch mit dem Magma in Kontakt kommen, das kontinuierlich aus dem Mantel aufsteigt, um neue ozeanische Kruste entlang der mittelozeanischen Grate zu bilden. Zwei Metalle, Calcium und Magnesium, werden in großen Mengen durch hydrothermische Prozesse am Meeresboden transportiert und sind wichtig für den Kohlendioxidhaushalt des Ozeans und damit der Atmosphäre.
Historischer Hintergrund und wissenschaftliche Grundlagen
Einige Manifestationen hydrothermaler Prozesse umfassen Geysire, Fumarolen und heiße Quellen. Diese sind in der Regel in Regionen der jüngsten vulkanischen Aktivität gefunden. An solchen Orten kann sich Oberflächenwasser durch Gesteine in Hochtemperaturregionen in der Nähe eines Magmareservoirs unter der Erdoberfläche abarbeiten. Das Wasser wird dann erhitzt, daher weniger dicht und steigt durch Risse und Risse an die Oberfläche zurück. Geysire wie der Old Faithful Geyser im Yellowstone National Park in Wyoming brechen aus, wenn eine große Menge heißes Wasser einen unterirdischen Hohlraum füllt, Ein Teil davon wird in Dampf umgewandelt, der in einem starken Strahl aus dem Boden entweicht.
Fumarolen emittieren Gemische aus Dampf und anderen Gasen. Schwefelwasserstoff, eines der Gase, die normalerweise aus Fumarolen freigesetzt werden, oxidiert an der Oberfläche zu Schwefelsäure und nativem Schwefel. Diese Chemikalien sind für die bunten Gesteine in vielen Thermalgebieten verantwortlich.
Heiße Quellen sind natürliche Einleitungen von Grundwasser mit erhöhten Temperaturen. Sie treten in thermischen Gebieten auf, in denen die Erdoberfläche den Grundwasserspiegel (die oberste Ebene des wassergesättigten Gesteins) schneidet. Die Temperatur und die Abflussrate einer heißen Quelle werden durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der Wasser durch das System unterirdischer Kanäle zirkuliert, die die Quelle versorgen, die in der Tiefe zugeführte Wärmemenge und wie stark das erwärmte Wasser durch kühles Grundwasser in Oberflächennähe verdünnt wird. Heiße Quellen in vulkanischen Gebieten können Wassertemperaturen nahe dem Kochen haben.
Die weit verbreitete hydrothermale Aktivität entlang der Ozeankämme stellt eine chemische Verbindung zwischen Meeresbodenprozessen und atmosphärischem Kohlendioxid (CO2) her. Kaltes Grundwasser kann durch Risse in frischem Kammbasalt bis in Tiefen von mehreren Kilometern unter den Meeresboden eindringen. Sobald dieses Wasser durch erhitzt wird und chemisch mit dem tieferen heißen Basalt bei Temperaturen über 572 ° F (300 ° C) reagiert, steigt es durch heiße Quellen auf dem Meeresboden an die Oberfläche. Die chemischen Reaktionen, die während dieses Prozesses auftreten, umfassen die Entfernung von Magnesium und Sulfat und die Anreicherung von Kalzium, Kalium und einigen anderen Elementen im Meerwasser.
Der chemische Austausch von Calcium gegen Magnesium ist von besonderer Bedeutung, da Calcium mit Bicarbonat (HCO3–) im Ozean zu CO2 reagiert. Somit führt der einzige signifikante Prozess, der den Kalziumeintrag in das Meerwasser ausgleicht, zur Freisetzung von CO2, das schließlich in die Atmosphäre gelangt. Forscher schätzen, dass hydrothermale Quellen derzeit 14-22% des gesamten CO2 ausmachen, das aus natürlichen Quellen in die Atmosphäre gelangt.
Auswirkungen und Probleme
In den 1980er Jahren fanden Robert M. Owen und David K. Rea von der University of Michigan Hinweise darauf, dass eine erhöhte hydrothermale Aktivität auf dem Meeresboden für eine Periode erhöhter CO2-Werte in der Atmosphäre und die anschließende globale Erwärmung vor 50 Millionen Jahren verantwortlich sein könnte. Die beiden Ozeanographen stellten die Hypothese auf, dass die tektonische Aktivität (Prozesse, bei denen Teile der Erdkruste miteinander in Kontakt kommen) während des Eozäns eine erhöhte hydrothermale Aktivität verursachte. Dies wiederum verursachte einen globalen Treibhauseffekt, der möglicherweise das einzige historische Analogon zur derzeit auftretenden anthropogenen (vom Menschen verursachten) globalen Erwärmung darstellt.
Um die hydrothermale Aktivität in der Vergangenheit zu bestimmen, maßen Owen und Rea die Konzentrationen von Eisen und Kieselsäure, zwei Chemikalien, die häufig in Thermalwasser vorkommen, in Sediment- und Gesteinskernproben, die im Ostpazifik entnommen wurden. Diese Daten, zusammen mit geologischen Daten für das Eozän, die von anderen Forschern gesammelt wurden, zeigten einen sechsmal höheren Eisengehalt und einen bis zu 20-mal höheren Siliziumdioxidgehalt als die gegenwärtigen. Dies deutete darauf hin, dass hydrothermale Prozesse im Ozean während des Eozäns tatsächlich stark verstärkt wurden.
Das Eozän war durch einen ausgeprägten Klimawandel gekennzeichnet, der mit dem vergleichbar ist, was für die Welt im nächsten Jahrhundert prognostiziert wird. Die Temperatur stieg um 9 ° F (5 ° C) über die der vorherigen Epoche. Daten aus dieser Zeit zeigen auch, dass die Luft feucht war, die atmosphärische Zirkulation verringert war und eine verstärkte Erwärmung an den Polen auftrat.
WÖRTER ZU WISSEN
EOZÄN: Geologische Periode von vor 55,8 Millionen Jahren bis vor 33,9 Millionen Jahren. Das globale Klima war während des größten Teils des Eozäns viel wärmer als heute, mit tropischen Bedingungen, die sich bis in den heutigen gemäßigten Breitengrad erstreckten. Der Beginn des Eozäns war geprägt vom paläozän-eozänen thermischen Maximum, einem plötzlichen Anstieg der globalen Temperatur, der nur etwa 200.000 Jahre dauerte und das Aussterben vieler Arten verursachte und den Weg für die Entwicklung moderner Säugetiere ebnete.
FUMAROLE: Öffnung im Boden, die vulkanische Gase und Dampf abgibt. Ein häufig emittiertes Gas ist Kohlendioxid.
GEYSIR: Heiße Quelle, die regelmäßig Dampf und heißes Wasser in die Luft sprüht. Ein Geysir erfordert einen Weg vom Grundwasserspiegel in Kontakt mit einer geothermischen Wärmequelle.
JURAZEIT: Einheit der geologischen Zeit von vor 200 Millionen Jahren bis vor 145 Millionen Jahren, berühmt in der Populärkultur für seine großen Dinosaurier. Die globale Durchschnittstemperatur und die atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen waren während des Jura viel höher als heute.
MAGMA: Geschmolzenes Gestein tief in der Erde, das aus Flüssigkeiten, Gasen und Gesteinspartikeln und Kristallen besteht. Magma liegt Gebieten vulkanischer Aktivität zugrunde und wird an der Erdoberfläche Lava genannt.
NIEDERSCHLAG: Feuchtigkeit, die aus Wolken fällt. Obwohl Wolken am Himmel zu schweben scheinen, fallen sie immer, ihre Wassertropfen werden langsam von der Schwerkraft nach unten gezogen. Da die Wassertropfen so klein und leicht sind, kann es 21 Tage dauern, bis sie 305 m (1.000 Fuß) fallen, und Windströmungen können ihren Abstieg leicht unterbrechen. Flüssiges Wasser fällt als Regen oder Nieselregen. Alle Regentropfen bilden sich um Salz- oder Staubpartikel. (Ein Teil dieses Staubes stammt von winzigen Meteoriten und sogar den Schweifen von Kometen. Wenn Wasser- oder Eiströpfchen an diesen Partikeln haften bleiben, ziehen die Tropfen mehr Wasser an und werden immer größer, bis sie groß genug sind, um aus der Wolke zu fallen. Nieselregen Tropfen sind kleiner als Regentropfen. In vielen Wolken beginnen Regentropfen tatsächlich als winzige Eiskristalle, die sich bilden, wenn ein Teil oder die gesamte Wolke unter dem Gefrierpunkt liegt. Wenn die Eiskristalle in die Wolke fallen, können sie mit Wassertröpfchen kollidieren, die auf ihnen gefrieren. Die Eiskristalle werden immer größer, bis sie groß genug sind, um aus der Wolke zu fallen. Sie passieren warme Luft, schmelzen und fallen als Regentropfen.
TEKTONISCHE: In Bezug auf die Tektonik die wissenschaftliche Untersuchung der Kräfte, die Planetenkrusten formen (Gebirgszüge, Kontinente, Meeresböden usw.).
AUFTRIEB: Die vertikale Bewegung von Wasser im Ozean, durch die sich unterirdisches Wasser mit niedrigerer Temperatur und größerer Dichte zur Oberfläche des Ozeans bewegt. Auftrieb tritt am häufigsten an den westlichen Küsten von Kontinenten auf, kann aber überall im Ozean auftreten. Auftrieb entsteht, wenn Winde, die fast parallel zu einer Kontinentalküste wehen, das leichte Oberflächenwasser von der Küste wegtransportieren. Unterirdisches Wasser mit größerer Dichte und niedrigerer Temperatur ersetzt das Oberflächenwasser und übt einen erheblichen Einfluss auf das Wetter in Küstenregionen aus. Kohlendioxid wird in Regionen mit Auftrieb in die Atmosphäre übertragen.
GRUNDWASSERSPIEGEL: Unterirdische Ebene oder Tiefe, unter der der Boden mit flüssigem Wasser gesättigt ist. Wo der Grundwasserspiegel die Oberfläche schneidet, findet sich Wasser (z. B. Seen, Quellen, Bäche).
Andere Episoden des Klimawandels wurden ebenfalls mit hydrothermalen Prozessen in Verbindung gebracht. Henrik Svensen et al. (2003) haben die Hypothese aufgestellt, dass große hydrothermale Entlüftungskomplexe, die in den Vøring- und Møre-Becken im Nordatlantik und an Land im Karoo-Becken in Südafrika identifiziert wurden, möglicherweise genug Methan, ein wichtiges Treibhausgas, freigesetzt haben, um den globalen Klimawandel und das Massensterben auszulösen. Die vergangene hydrothermale Aktivität im Nordatlantik entspricht dem Beginn der globalen Erwärmung während des Eozäns, während die hydrothermale Aktivität im Karoo-Becken eine Periode der Ozeananoxie (Sauerstoffmangel) während der frühen Jurazeit erklären kann. Anoxische Ereignisse wie diese haben möglicherweise das Massensterben ausgelöst und es wird angenommen, dass sie in Zeiten der globalen Erwärmung auftreten. Schließlich wurde eine Abkühlungsepisode während des späten Eozäns im Rossmeer der Antarktis auch mit hydrothermalen Systemen in Verbindung gebracht.
Siehe auch Kohlendioxid (CO2); Geothermie; Treibhauseffekt; Ozeane und Meere.
BIBLIOGRAPHIE
Zeitschriften
Dallai, Luigi, et al. „Fossile hydrothermale Systeme verfolgen den Klimawandel im Eozän in der Antarktis.“ Geologie 29, Nr. 10 (Oktober 2001): 931-934.
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Shackleton, Sir Nicholas J. und Anne Boersma. „Das Klima des eozänen Ozeans.“ Zeitschrift der Geologischen Gesellschaft London 138, Nr. 2 (April 1981): 153-157.
Svensen, Henrik, et al. „Globaler Klimawandel infolge voluminösen intrusiven basaltischen Vulkanismus in sedimentären Becken: Die Methantransport- und Eruptionsmechanismen.“ American Geophysical Union, Herbsttreffen 2003, Zusammenfassung # V21C-0528, 2003.
Weisburd, S. „Heiße Quellen, warmes Klima und CO2.“ Science News 127 (23.März 1985): 20.
Websites
„Geothermie und hydrothermale Aktivität.“ USGS Cascades Volcano Observatory. 12. Mai 2005. <http://vulcan.wr.usgs.gov/Glossary/ThermalActivity/description_thermal_activity.html> (Zugriff am 4. November 2007).
Michele Chapman