Der Eiszeitzyklus (1) – Ursachen und Verlauf

Eiszeitalter, in denen beide Pole mit Eis bedeckt waren, gab es schon mehrere seit Bestehen unseres Planeten. Neben einer nicht genau zu bestimmenden Anzahl kürzerer Vereisungsperioden sind aus der Erdgeschichte sechs Eiszeitalter bekannt, von denen jedes mehrere Millionen Jahre umfasst. Dazwischen lagen unterschiedlich lange Zeiträume mit mehr oder minder stark ausgeprägtem Warmklima.

Im Pliozän, der letzten Periode des Tertiärs (vor 5,3 Millionen bis 2,6 Millionen Jahren), war das Klima relativ stabil und warm. Die Landmassen waren ganz ähnlich wie heute über die Erde verteilt, die Sonne schien genauso stark wie heute. Damals gab es kein Eis auf der Nordhalbkugel. Der Meeresspiegel lag 25 Meter höher, die Ozeane arbeiteten aber nicht so effektiv als Wärmepumpe wie heute. Die thermohaline Zirkulation war so schwach, dass das an den Polen gekühlte Tiefenwasser nicht mehr an die Oberfläche kam und die Tropen temperierte.

Die Atmosphäre enthielt 0,042% Kohlenstoffdioxid. Zum Vergleich: In der letzten Eiszeit lag der Wert bei 0,02%, in den Warmzeiten dazwischen bei 0,028 und 0,03%. Heute liegt er bereits wieder über 0,04% und nähert sich dem Wert im Pliozän an.

Ursachen für den Beginn des derzeitigen Eiszeitzyklus

Die entscheidenden Veränderungen, die das milde Klima des Pliozäns beendeten, spielten sich wohl an der Meerenge von Panama ab. Durch die Plattentektonik hatten sich die Kontinente von Nord-und Südamerika angenähert. Der Prozess wurde durch drei vulkanische Eruptionsphasen im frühen Miozän vor rund 21 und 18 Millionen Jahren verstärkt, wodurch der Meeresgrund stellenweise deutlich angehoben und die Meerenge noch mehr eingeengt wurde.

Nach verschiedenen Studien nahm der Zufluss von Tiefenwasser aus dem Pazifik in die Karibik vor 10 bis 11 Millionen Jahren ab. Aber noch zu Beginn des Pliozän strömte Wasser zwischen Nord- und Südamerika aus dem Pazifik in den Atlantik und glich Salzunterschiede zwischen den Ozeanen aus. Durch eine Gruppe von Vulkanen zwischen Mexiko und der Nordspitze Südamerikas entstanden zwischen den Kontinenten Inseln, so dass sich vor 4,2 Millionen Jahren der Seeweg zwischen den Kontinenten so weit verflacht hatte, dass nur noch ein paar flache, immer wieder trockenfallende Meereskanäle westlich des heutigen Panamakanals übrig blieben. Das Wasser in der Karibik wurde salziger, die Atlantikzirkulation wurde verstärkt. Vor 3,3 Millionen Jahren wuchsen auf der Nordhalbkugel erste Gletscher. Die Lücke zwischen den amerikanischen Kontinenten verkleinerte sich nach und nach immer weiter, bis sie sich vor 2,7 Millionen Jahren ganz geschlossen hatte und fortan eine Landbrücke beide Erdteile miteinander verbindet.

Wie die einzelnen Faktoren damals genau ineinandergriffen, um die folgenreiche Landverbindung zu schaffen, und wann der Zusammenschluss genau geschah, ist umstritten und muss noch geklärt werden. (Eine alternative Studie legt den Zusammenschluss der Kontinente gar 10 Millionen Jahre zurück.) Jedenfalls veränderte er die Meeresströmungen und das Weltklima.

Der Strom tropisch warmen Wassers, das vorher der Passat aus dem tropischen Atlantik in den Pazifik hinüber getrieben hatte, war endgültig unterbrochen. Das Atlantikwasser staute sich stattdessen in der Karibik. Es erwärmte sich im Golf von Mexiko und strömte jetzt nach Norden: Der Golfstrom war geboren. Die warme Strömung setzte paradoxerweise das Eiszeitalter in Gang: Im Nordatlantik verdunstete jetzt viel mehr Wasser als vorher. Die gewaltigen Mengen an feuchter Luft gaben in den kälteren Regionen im Norden Europas die Feuchtigkeit als Schnee ab – in Mengen, wie sie bis dahin noch nicht gefallen waren. Da Schneemassen Sonnenlicht ins Weltall reflektieren*, kühlte die Erde ab. Gleichzeitig kam es zu Veränderungen der Erdbahngeometrie.

*Strahlung, die von der Erde in den Weltraum zurückgeworfen wird, bezeichnet man als Albedo-Feedback. Bei einer niedrigen Albedo absorbiert ein Planet mehr Strahlung, was zu einer Erwärmung führt. Bei hoher Albedo wird sehr viel mehr Strahlung reflektiert. Eis hat ein wesentlich größeres Rückstrahlungsvermögen als beispielsweise Wasser- oder Landflächen. Dehnen sich Eis- und Schneefelder also dank einer globalen Abkühlung aus, wird auch mehr Sonnenstrahlung ins All zurückgeworfen.

Als Folge dieser nie dagewesenen Kombination von kosmischen und geologischen Ereignissen trat das Klima auf der Erde nach vielen Jahren der Tendenz zur Abkühlung und Trockenheit global in eine Phase der Eiszeiten ein. Der radikale Klimawandel führte zur Vereisung der Polkappen – eine außergewöhnliche Entwicklung, denn die Pole waren zu 99% ihrer Existenz frei von Eiskappen.

Verlauf des Eiszeitzyklus

Die Phase der Eiszeiten ist charakterisiert durch erhebliche, langfristige Klimaschwankungen, wobei sich lang anhaltende Kaltzeiten/ Glaziale und kürzere Warmzeiten/ Interglaziale einander in regelmäßigen Intervallen abwechseln – teils sehr abrupt. Die Wechsel haben sich in den letzten zwei bis drei Millionen Jahren mehrere dutzend Mal wiederholt. Innerhalb der letzten Million Jahre lassen sich etwa 10 große Vereisungen und noch mehr Gletschervorstöße geringeren Ausmaßes, sogenannte Eiszeitwellen, nachweisen. Cesare Emiliani, ein italo-amerikanischer Geologe und Mikropaläontologe, erkannte 1955 104 Eiszeitwellen in den letzten 1,8 Millionen Jahren.

Eine Eiszeit geht dabei schrittweise großer Kälte entgegen. Es dauert Jahrtausende, ehe sich eine Eisplatte zu einer Größe vergleichbar mit Kanada oder Nordeuropa aufbaut. Die Eiszeit endet mit rapiden Erwärmungen: Das Abschmelzen verläuft viermal schneller als das Aufbauen der Eispanzer. Nur in diesen wärmeren Zeiten zieht sich das Eis bis zum Nord- und Südpol zurück. Diese Zwischenzeiten, auch unsere heutige, sind aber nur kurze Intermezzi.

Während der einzelnen Kalt- und Warmzeiten treten auch etliche kurze, durchaus heftige Kälteeinbrüche, Stadiale, auf. Am ausgeprägtesten waren sie während der letzten 100 000 Jahre in mäßig kalten Perioden. Die kältesten Phasen des Vereisungszyklus und der derzeitigen Warmzeit wirken dagegen relativ stabil. Unter Interstadial versteht man eine relativ kurze Warmphase zwischen zwei Stadialen innerhalb einer Kaltzeit. Meist dauerte sie nur einige hundert bis wenige tausend Jahre – mit rascher Erwärmung und dann wieder zunächst langsamer und schließlich rapider Abkühlung. Dabei können sich innerhalb weniger Dekaden oder manchmal nur einiger Jahre die Durchschnittstemperaturen um 5° bis teilweise 10°C und die pro Jahr fallende Schneemenge um 100% ändern. Unmittelbar vor oder nach den großen Temperatursprüngen der Interstadialen gab es manchmal schwächere Oszillationen zwischen warm und kalt, was die Klimatologen als „Flackern“ bezeichnen.

Die Perioden des Wechsels zwischen Warm- und Kaltzeiten stimmen hervorragend mit den Berechnungen des serbischen Mathematikers, Astronomen und Geophysikers Milutin Milankovic (1879-1958) überein. Er hatte schon 1920 berechnet, dass und wie sich im Laufe von Hunderttausenden von Jahren die Erdbahn aufgrund der Anziehungskraft der übrigen Planeten verändert hat.

Milankovic entdeckte einen Zusammenhang zwischen den Veränderungen der Bahnexzentrizität der Erde beim Lauf um die Sonne und der Orientierung der Erdachse und den großen Perioden der Kalt- und Warmzeiten. 1941 entwickelte er die heute weitgehend anerkannte Theorie, gemäß der drei Parameter, die langperiodisch auftreten, die Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der Erde in einer exakt berechenbaren Weise beeinflussen:

1. Die Position der Erde auf ihrer Ellipsenbahn um die Sonne in Relation zum Sommer auf der Nordhalbkugel.

2. Die Präzession (Neigung der Erdachse) der Erde.

3. Die Exzentrizität der Erdbahn (Abweichung von der Kreisform).

Die Milankovic-Zyklen und ihre Variationen liefern die weltweit akzeptierte Erklärung für den Wechsel von Kalt- und Warmzeiten, aber auch für kurzfristige Klimaänderungen. Zwar beeinflussen die kaum wahrnehmbaren Schwankungen in der Entfernung der Erde zur Sonne die mittlere jährliche Sonneneinstrahlung (Insolation) kaum, doch deren geografische (Breitengrade) und jahreszeitliche Verteilung schwankt durch die Änderung der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen um immerhin bis zu 20%. Das Globalklima reagiert darauf sehr empfindlich.

Die charakteristischen Frequenzen der Milankovic-Zyklen – zirka 21 000, 41 000 und 100 000 Jahre – treten in den meisten Klimazeitreihen sehr deutlich hervor. Der Zyklus von 21 000 Jahren entspricht der Periode der Position der Erde auf ihrer Ellipsenbahn in Relation zum Sommer auf der Nordhalbkugel, was an Eisbohrkernen nachgewiesen wurde. Der Zyklus von 41 000 Jahren kommt vor allem durch die rhythmische Schwankung der Erdachsenneigung gegenüber der Bahnebene (also der Periode der Präzession) zustande. Sie variiert zwischen 22,1 und 24,5°. Die Jahreszeiten bekommen dadurch einen anderen Charakter: In nördlichen Breiten sind bei einer stark gekippten Erde die Winter kälter und die Sommer wärmer. Bei einer geringen Neigung der Erdachse bringen relativ milde Winter mehr Schnee, der in kühlen Sommern nicht abtaut, so dass es zu einer Vergletscherung kommen kann.

Der 41 000-Jahre-Zyklus wirkt sich auch auf den Aktivitätsrhythmus von Vulkanen aus. Kieler Wissenschaftler vermuten, dass es in den Erwärmungsphasen, wenn das Eis besonders schnell schmilzt, zu einem „Wippeneffekt“ kommt. Beim Abtauen der Eismassen werden die Kontinente entlastet und der Druck auf den Meeresboden wächst durch einen Anstieg des Meeresspiegels . Dies führe zu Spannungen in der Erdkruste, wodurch Risse entstehe und Magma leichter austreten könne. Während der Abkühlphase sei das Wachsen der Eisschilde und Sinken des Meeresspiegels zu langsam, um Spannungen aufzubauen.

Bis vor einer Million (nach anderen Angaben vor 1,6 Millionen) Jahren fand auf der Erde noch alle 41 000 Jahre eine Eiszeit statt. Dann änderte sich dieser Rhythmus auf einen 100 000-Jahre-Zyklus, der durch die Überlagerung mehrerer Parameter zustande kommt. Inzwischen wurden weitere Zyklen entdeckt, z. B. eine Komponente über 413 000 Jahre und einen schwach ausgeprägten Rhythmus von 60 000 Jahren. Wirken diese Faktoren so zusammen, dass sich die Sonneneinstrahlung auf der Nordhalbkugel in den Sommermonaten deutlich verringert, dehnen sich die Eisdecken aus und überziehen die hohen Breiten periodisch mit kilometerdickem Gletschereis.

Rückkopplungs- und Verstärkermechanismen

Die genannten Variationen der Bahnparameter können die Klimaänderungen aber nicht ganz erklären. Die Veränderungen der Sonneneinstrahlung sind für sich betrachtet viel zu gering, um allein schon die beobachteten Eiszeiten auszulösen. Es muss zusätzliche Effekte geben, um die kleinen Bahneinflüsse in dramatische Klimaveränderungen umzuwandeln.

Meeresströmungen haben einen großen Einfluss auf das Klima. Die Abnahme der sommerlichen Sonneneinstrahlung lässt in hohen nördlichen Breiten die ozeanische Zirkulation erlahmen, was mit heftigen Kälteeinbrüchen im Nordatlantik verbunden ist. Die Temperaturen sinken schließlich so weit, dass der in Kanada und Skandinavien gefallene Schnee im Sommer nicht mehr schmilzt. Eine Inlandeisdecke beginnt allmählich zu wachsen, die weißen Schnee- und Eisfelder reflektieren die einfallende Sonnenstrahlung und kühlen das Klima weiter ab. Bei einer globalen Erwärmung kommt die ozeanische Zirkulation wieder in Gang und verstärkt den Trend.

Ein anderer Verstärkereffekt hängt von dem Treibhausgas Kohlenstoffdioxid in der Luft ab, dessen Konzentration in der Atmosphäre variiert. Neue Forschungen deuten darauf hin, dass zunehmende arktische Vergletscherung mit einem deutlichen Rückgang der globalen CO2-Konzentration von 0,03% während einer Warmzeit auf 0,02% während der Eiszeit in Verbindung steht, weil u. a. das kalte Meerwasser einen Teil des Kohlenstoffdioxids aus der Atmosphäre aufnimmt.

Steigt dann die Temperatur in der Endphase der Kaltzeit wieder, beginnt nach einigen hundert Jahren auch die CO2-Konzentration in der Luft wieder zu steigen. Denn je wärmer das Wasser in den Meeren ist, umso weniger Kohlenstoffdioxid kann es binden. Das CO2 in der Atmosphäre verstärkt den Treibhauseffekt und beschleunigt so die Aufheizung. (Manche Wissenschaftler nehmen an, dass CO2 für rund 50% der Temperaturzunahme in den warmen Perioden verantwortlich ist. ) Erst dieser CO2-Anstieg verstärkt zusammen mit dem Albedo-Effekt das anfängliche Klimasignal, so dass eine Warmzeit nicht in den Anfängen stecken bleibt.

Die Schwankungen der Erdbahn erklären also zusammen mit Verstärkereffekten ziemlich einfach, wie es zu einer Verschlechterung des Klimas kommt, welche das Eis auf dem Festland wachsen lässt, und wie wieder eine Erwärmung eintritt, die den Planeten von Zeit zu Zeit aus der Eiszeit herausmanövriert. Optimale Bedingungen für das Abschmelzen des Eises sind gegeben, wenn der geringste Sonnenabstand in den Frühsommer fällt und gleichzeitig die Neigung des Nordpols zur Sonne am größten ist. Die Sonnenstrahlung, die dann täglich den Nordpol erreicht, ist um 28% größer als unter den schlechtesten Bedingungen. Schließlich gewinnen aber nach ein paar Jahrtausenden die kühlenden Einflüsse immer wieder die Überhand.

Unklar ist heute vor allem, warum sich die Eismassen über lange Zeiträume aufbauen, aber vergleichsweise rasch wieder abtauen. Auch hier könnte nach einer These japanischer Forscher der „Wippeneffekt“ die entscheidende Rolle spielen. Die mächtigen Eisschilde drücken ihr gewaltiges Gewicht auf die Erdkruste und den darunter liegenden, plastisch-verformbaren oberen Erdmantel. Schmilzt das Eis ab, federt die Erdkruste gewissermaßen wieder in ihre Ausgangslage zurück. Das Abschmelzen beschleunigt sich, weil die Oberseite der Eisschilder beim Tauen an Höhe verliert und in tiefere und wärmere Bereiche gelangt.

REM

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