Der Eiszeitzyklus (2) – Letzte Eiszeit und Holozän –

Die letzte Eiszeit

Die letzte Eiszeit begann vor ungefähr 115 000 Jahren und endete vor circa 11 700 Jahren. Der Übergang zu ihr vollzog sich nach erdgeschichtlichen Maßstäben sehr rasch; in drei Wellen rückten die Gletscher vor und zogen sich wieder zurück. Das Klimasystem der Erde befand sich in dieser Zeit offenbar in einem labilen Zustand. Abrupte Wechsel mit mehrfachem Umspringen der Temperaturen binnen drei Jahren um bis zu 7 Grad Celsius wurden gemessen.

Dann kam es zu einer Abkühlung des Klimas auf der ganzen Erde, verbunden mit weiträumigen Vergletscherungen und dem Absinken des Meeresspiegels. Vor 74 000 Jahren führte der letzte Ausbruch des Supervulkans Toba auf Sumatra zu einer dramatischen Klimaänderung mit einer weiteren Abkühlung. Nach dieser Kälteperiode begann sich das Klima vor etwa 60 000 Jahren wieder leicht zu erwärmen. Schließlich folgte eine noch stärkere Abkühlung vor 24 000 Jahren, als das Maximum der letzten Eiszeit begann.

In der Zeit vor 100 000 bis 20 000 Jahren traten in der nördlichen Hemisphäre etwa zwei Dutzend Interstadiale auf, in denen die allgemein vorherrschende Kälte von einem plötzlichen Temperaturanstieg von 6 bis 10 Grad innerhalb von 10 Jahren unterbrochen wurde. Nach der Erwärmung gab es eine leichte Abkühlung über einige Jahrhunderte, bevor die Temperatur abrupt wieder auf das eiszeitliche Niveau absackte und eine Phase extremer Kälte folgte. Auffallend ist die Regelmäßigkeit der Klimaänderungen. Die Sprünge erfolgten in Zyklen, die nach ihren Entdeckern Dansgaard-Oeschger-Zyklen (DO-Zyklen) genannt werden. Sie traten meist im Abstand von 1500 Jahren auf, manchmal lagen aber auch 3000 oder 4500 Jahre zwischen zwei solcher Ereignisse. In der Kreidezeit (vor 130 bis 65 Millionen Jahren) hatte es auch schon kurzfristige Klimaschwankungen gegeben, die den Dansgaard-Oeschger-Zyklen entsprechen.

Interessanterweise hatten die DO-Ereignisse in nördlichen Breiten der Erde Gegenstücke in der Antarktis, aber mit entgegengesetztem Verlauf: Während der Kältephasen in Grönland stieg am Südpol die Temperatur langsam an, erreichte ein Maximum und fiel während der warmen Episoden im Norden allmählich wieder ab. Der Umschwung am Südpol erfolgte stets durchschnittlich 208 Jahre nach dem im Norden. Das bestätigt die alte Vermutung, wonach der Norden jeweils den Anfang machte und die Trendwende im Süden nach sich zog. Der riesige Südozean mit seiner enormen Wärmekapazität reagierte eben nur verzögert auf das Temperatursignal aus dem Norden.

Über die genauen Ursachen des abrupten Klimawechsels gibt es verschiedene Theorien, aber noch keinen Konsens. Wahrscheinlich waren es letztlich sprunghafte Änderungen der Meeresströme im Atlantik, die die Klimaänderung im Norden bewirkten, ausgelöst durch Veränderungen in der Süßwasserzufuhr, in der Meereisbedeckung oder in der Ausdehnung von Eisschelfen, die allesamt die Bildung von Tiefenwasser im Norden oder Süden beeinflussen können. Kältephasen in der Arktis entsprechen Perioden mit abgeschwächter Meereszirkulation, in denen sich im Gegenzug die Antarktis erwärmte. Eine verstärkte Meereszirkulation transportiert wieder mehr Wärme vom Südmeer in den Norden.

Diese Hypothese stützt sich auf die Existenz der großräumigen Wasserzirkulation im Atlantik. Diese führt als eine Art Umwälzpumpe warmes Oberflächenwasser von der Südhalbkugel nach Norden. Weil es dabei allmählich abkühlt und sein Salzgehalt auf Grund von Verdunstung steigt, nimmt seine Dichte stetig zu, bis es am Rand der Arktis schließlich absinkt. Am Meeresgrund strömt es dann als nordatlantisches Tiefenwasser nach Süden zurück. Verstärkt sich diese Zirkulation, steigen die Temperaturen im Norden, während sie im Süden fallen. Das Gegenteil passiert, wenn sie sich abschwächt. Ein umfassendes Verständnis der Klimakopplung zwischen den Hemisphären steht aber weiterhin aus.

Eiszeitliches Maximum

Vor 24 000 Jahren folgte wieder eine Periode sehr starker Abkühlung, die ihren Höhepunkt vor 21 000 Jahren, dem glazialen Maximum, hatte. Die Temperaturen sanken im Winter auf minus 20°C ab, Eiskappen mit über 3,5 Kilometern Dicke bedeckten Kanada und Nordeuropa. Der Columbia River mündet heute dort in den Pazifik, wo einst das südliche Ende des kontinentalen Eispanzers lag. Die Eisdecken überspannten auch die Nordmeere einschließlich der Inseln Grönland und Island. In Nordeuropa reichten die Gletscherzungen bis nach Irland, in den Hamburger Raum und über Berlin hinaus, nicht ganz so weit, wie in den beiden vorangegangenen Eiszeiten.

Weltweit waren etwa 30% aller Landflächen von Gletschern bedeckt; heute sind es nur noch 10%, hauptsächlich in der Antarktis und auf Grönland. Weil das Eis riesige Mengen Wasser band, sank der Meeresspiegel mehr als 100 Meter unter den heutigen Wert. Entlang der Küsten dehnte sich Festland aus – so z. B. zwischen dem europäischen Kontinent und den Britischen Inseln. Zum asiatischen Kontinent gehörten damals die heutigen südostasiatischen Inseln Sumatra und Borneo, Neuguinea gehörte zu Australien. Die Beringstraße bildete eine Landbrücke von Asien (Sibirien) nach Alaska. Auch der Grundwasserspiegel auf dem Festland musste erheblich gefallen sein – Ostafrikas riesiger Victoria-See war zeitweilig völlig ausgetrocknet. An den Küsten des Roten Meeres entstanden Neulandflächen, in denen überall Süßwasserquellen entsprangen.

Die Atmosphäre war so trocken, dass es kaum regnete oder schneite. Überall auf den Kontinenten breiteten sich Wüsten aus. Daneben gab es baumlose Tundra und trockene Steppenlandschaften. Die Atmosphäre enthielt weniger Treibhausgase (30 bis 40% weniger Kohlenstoffdioxid und 50% weniger Methan) als in der heutigen Warmzeit. Allerdings lag die mittlere Lufttemperatur auf der Erde nur etwa 6 Grad Celsius unter dem heutigen Wert. Denn nicht überall sanken die Temperaturen gleich stark: Die Abkühlung erfasste vor allem den Nordatlantik-Raum und Japan; in den Tropen und auf der Südhalbkugel war sie geringer. Demzufolge hat eine Abkühlung des Planeten von wenigen Grad bereits dramatische Folgen, die von Region zu Region stark variieren können.

Die Wende

Klimaarchive in Südamerika und der Antarktis deuten darauf hin, dass das große Tauen am Ende der letzten Eiszeit auf der Südhalbkugel früher einsetzte als im Norden. Den Anstoß zur Erwärmung gab wohl eine geringe Änderung der Menge und Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche, die mit Schwankungen der Erdbahn zusammenhing. Vermutlich über die ozeanische Zirkulation wurde die Erwärmung an den Norden weitergegeben und befreite schließlich auch Europa und Nordamerika aus dem Griff des Eises.

Nach den sogenannten Milankovic-Zyklen, die Klimaschwankungen mit Änderungen der Erdbahnparameter in Verbindung bringen, sind die Übergänge zwischen Kalt- und Warmzeiten eher gemächlich. Am Ende des letzten Glazials schrumpften die mächtigen Eisschilde allerdings zeitweise ungewöhnlich rasch – in einer Schmelzphase vor ungefähr 17 700 Jahren in vielen Regionen der Südhemisphäre nahezu zeitgleich. Parallel dazu stieg der Gehalt der Treibhausgase Kohlenstoffdioxid und Methan in der Atmosphäre rasch an. Vulkanausbrüche, zunächst auf der Südhalbkugel, könnten die Geschwindigkeit des Eisrückgangs schubweise beschleunigt haben. Einer der in Frage kommenden Vulkane könnte der Mount Takahe, ein Schildvulkan in der Antarktis, gewesen sein, von dessen Aktivität vor knapp 18 000 Jahren man Hinweise gefunden hat.

Vulkaneruptionen wirken sich in der Regel nicht linear auf das Klima aus; sie können das Klima sowohl aufheizen als auch abkühlen. Eine Erklärung für eine Aufheizung könnte gewesen sein, dass die Vulkanausbrüche ein Ozonloch über der Antarktis erzeugten, welches das Klima großräumig veränderte und so die Gletscherschmelze auf der Südhalbkugel beschleunigte. In Regionen wie Patagonien und Neuseeland nahmen vermutlich zur gleichen Zeit die Schneefälle ab, so dass die Gletscher dort im Eiltempo schrumpften.

Vor etwa 16 000 Jahren begann die Erwärmung der Nordhalbkugel. Die Gletscher in Nordamerika und Europa wichen auf breiter Front zurück. Nach Studien könnten auch auf der Nordhalbkugel Vulkanausbrüche (überwiegend auf Island) das Tauwetter schubweise verstärkt haben. Die vulkanische Aktivität der Insel war am Ende der letzten Kaltzeit rund 50mal so groß wie heute. Möglicherweise lösten bereits schmelzende Eismassen selbst diesen intensiven Vulkanismus aus: Der abnehmende Druck der Gletscherdecke konnte es dem Magma erleichtert haben, zur Erdoberfläche aufzusteigen.

Als sich durch das schmelzende Eis die Dichteverhältnisse der Wassermassen im Südmeer veränderten, entstand eine Strömung, die entlang der südamerikanischen Küste nordwärts in die Karibik führte, wobei sich das Wetter erwärmte. Gleichzeitig verstärkte sich der warme und sehr salzhaltige Agulhas-Strom, der aus dem Indischen Ozean um das Kap der Guten Hoffnung in Richtung Brasilien floss. (Dieser Weg war zuvor durch Eismassen blockiert.) Beide Strömungen erreichten den hohen Norden, wo 1000 Jahre später das jetzt salzigere Wasser des Nordatlantik die in den Tropen gespeicherte Wärme abgab und in die Tiefe sank, wo es nach Süden abfloss. Im Gegenzug wurde an der Oberfläche warmes Wasser aus dem Süden angesaugt – der Golfstrom war „in Gang gesetzt“ (etwa 14 700 Jahre vor heute).

Die Niederschläge fielen jetzt reichlicher, die Temperaturen stiegen. Die offene Tundra verschwand zunehmend, Bäume wanderten ein und der Meeresspiegel stieg.

Rasche Wechsel von Kalt- und Warmzeiten prägten das Klima am Ende der letzten Eiszeit. In Grönland wurden Temperaturschwankungen um 10 bis 15°C festgestellt – und das innerhalb von 20 Jahren. Die traditionelle Theorie von Veränderungen der irdischen Umlaufbahn um die Sonne konnte nicht die Erklärung dafür sein. Diese waren viel zu langsam. Ausgeprägte Schmelzintervalle stimmen dagegen oftmals zeitlich mit Vulkanausbrüchen überein.

Schließlich stand die atlantische Klimapumpe plötzlich still. Die derzeit favorisierte Theorie besagt, dass Gletscherbarrieren immense Mengen von Schmelzwasser u. a. dort, wo in Nordamerika heute die Großen Seen liegen, angestaut hatten. Als sich das Eis weiter zurückzog, bahnten sich die gewaltigen Mengen Süßwasser ihren Weg in den Atlantik und schoben sich wie ein Deckmantel über das wärmere Salzwasser des Ozeans, das dadurch nicht mehr absinken konnte. Das brachte das Golfstromsystem wieder zum Erliegen.

Es kam auf der Nordhalbkugel zu einem Temperatursturz um fast 10°C. Für mehr als 1000 Jahre – von etwa 12 730 bis 11 700 v. h. – herrschten in Europa und im Nahen Osten wieder fast eiszeitliche Verhältnisse. In Nordafrika gab es eine Trockenperiode. Gletscher und Permafrostböden breiteten sich wieder aus, zeitweise eroberten Steppen Gebiete zurück, Wälder überdauerten nur an geschützten Standorten, bis schließlich vor 11 690 Jahren die bis heute andauernde Warmzeit, das Holozän, begann.

Das Holozän

Der Begriff „Holozän“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „das völlig Neue“. Noch einmal gab es einen großen Kälterückfall auf der Nordhalbkugel (vor 10 970 bis 10 200 Jahren). Die im grönländischen Eis versiegelten Daten zeigen einen Klimasturz um fast 10°C innerhalb eines Jahrzehnts, eine erneute Klimakatastrophe. Das plötzliche Absinken der Temperaturen hatte Auswirkungen auf Regionen des gesamten Erdballs.

Vor gut 10 000 Jahren fand dann wieder eine großklimatische Umstellung statt. Das trocken-kalte Klima wich einem warm-feuchten. Die Erwärmung lief in kurzen, schnellen, dramatischen Schritten ab. Temperatursprünge erfolgten zunächst in einem Hin und Her, als wäre das Klima noch unschlüssig, in welche Richtung es sich bewegen soll. Die Klimaschwankungen waren überwiegend die Folge der Veränderung der Sonnenaktivität und des zum Teil sehr unterschiedlichen Vulkanismus. Deren Effekt war aber zu gering, um den folgenden globalen Temperaturanstieg bis vor 6500 Jahren insgesamt zu erklären. Er war wohl eine Reaktion auf die zurückweichenden Eisschilde. Treibhausgase, vor allem Kohlenstoffdioxid, dürften nach Meinung vieler Forscher als entscheidende Verstärker gewirkt haben.

Nach Tausenden Jahren extremer Trockenheit ergrünten auch die Ebenen der östlichen Sahara. Diese war bereits vor rund sieben Millionen Jahren entstanden, als durch die Schrumpfung des Mittelmeervorläufers Tethys weniger Meeresluft das Land erreichte. Dadurch regnete es im Norden Afrikas weniger – und die Wüste wuchs. Anscheinend aber gab es seitdem mehrere Phasen mit einem deutlich feuchteren Klima, in denen selbst in der Sahara Bäume wuchsen.

So hatten auch vor 10 000 Jahren die Niederschläge durch die Verstärkung des afrikanischen Monsuns zugenommen. Es bildeten sich Flüsse und Seen, deren Wasserstände vor etwa 10 000 bis 8000 Jahren ihr Optimum erreichten. Der Grundwasserspiegel stieg – gute Voraussetzungen für Leben. 10 000 bis 6000 Jahre alte Felszeichnungen von schwimmenden Menschen und Großtieren im Süden Ägyptens und im Sudan bezeugen, dass damals eine feuchte Savannenlandschaft den Norden Afrikas prägte. Vor rund 7000 Jahren gingen die Niederschläge zunächst allmählich zurück. Wegen des nichtlinearen Zusammenspiels von Regen und Vegetation kehrte die Trockenheit und damit die Wüstenbildung in Nordafrika langsam zurück.

Durch diesen großen Klimawechsel im ansonsten ruhigen Holozän wandelte sich die Sahara vor ungefähr 5000 Jahren zunächst allmählich, erst vor etwa 4000 Jahren abrupt innerhalb weniger Jahrhunderte, von einer besiedelten Savanne mit zahlreichen Seen in jene Stein-, Salz- und Sandwüste, die sie heute noch ist. Ein Teil der Menschen, die vorher hier gelebt hatten, zog nach Süden in den heutigen Sudan, ein anderer Teil ins Niltal, wo sie vielleicht sogar zur Urzelle der pharaonischen Kultur wurden.

Der anhaltende Temperaturanstieg in den letzten 6500 Jahren geht wohl auf wachsende Treibhausgaskonzentrationen infolge der „Erfindung“ der Landwirtschaft zurück. Vor allem seit der Einführung bedeutender landwirtschaftlicher Neuerungen – allen voran Rodung und Reisbewässerung – zeigte die Konzentrationskurve bei Kohlenstoffdioxid und Methan in der Atmosphäre beständig nach oben. Dadurch wurde ein natürlicher Abkühlungstrend, verursacht durch die orbitalen Zyklen der Erde (speziell in hohen nördlichen Breiten), weitgehend kompensiert und der Planet um durchschnittlich fast 0,8 Grad Celsius aufgeheizt – das ist mehr als die 0,6 Grad Celsius, die im 20. Jahrhundert auf Grund der raschen Industrialisierung hinzukamen. Als logische Folge der Erwärmung trug auch die Entgasung aus den Meeren zum Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Luft bei. Meeresgeologen nehmen an, dass sich zudem Freisetzungen von Methanhydraten vor der norwegischen Küste ereigneten. Die großen Eisdecken zogen sich in den folgenden 2000 Jahren auf ihre jetzige Ausdehnung zurück.

Während der letzten 1200 Jahre gab es keineswegs ein stabiles Klima, sondern wiederholt kurzfristige Klimaschwankungen. Um das Jahr 800 herrschten etwa dieselben Klimabedingungen wie im späten 18. Jahrhundert. Es begann die mittelalterliche Warmphase (bis etwa 1200 n.Chr.), in der eine aktivere Sonne die Temperaturen ansteigen ließ. Im 10. Jahrhundert wurde z. B. im Süden Englands Wein angebaut. Grönland wurde zur gleichen Zeit wegen seines milden Klimas von den Wikingern besiedelt, weil ihnen Island zu unwirtlich war. In den Alpen waren die Gletscher fast vollständig verschwunden, in Skandinavien gab es gar keine mehr. Die Epoche milden Klimas war allerdings sehr kurz, so dass wenig später die Gletscher wieder vordrangen.

In der Kleinen Eiszeit, die im 15. Jahrhundert vor allem im zentralen und östlichen Pazifik stattfand, im 17. Jahrhundert in Europa und Teilen Nordamerikas, sanken die Temperaturen stark ab. Extrem kalte Winter ließen damals die Flüsse zufrieren. Das Meer zwischen Dänemark und Schweden war zugefroren; Alpengletscher heute kaum noch vorstellbaren Ausmaßes traten auf. Die Kälte, vor allem nasskalte Sommer, brachte für die Menschen große Ernteausfälle und Hungersnöte. Mit der deutlichen Klimaveränderung in Europa deckt sich eine große Dürre in Nordamerika am Ende des 16. Jahrhunderts. In einigen Regionen dauerte sie 10 oder sogar bis zu 20 Jahre.

Das Phänomen der Kleinen Eiszeit beruhte möglicherweise zu einem großen Teil auf einer verminderten Sonnenaktivität; damals verschwanden fast alle Sonnenflecken. Verstärkt wurde der Trend durch starke vulkanische Aktivität, wodurch die Atmosphäre zusätzlich eingetrübt und die Einstrahlung behindert wurde. Dies setzte einen abkühlenden Faktor obendrauf. Einige Wissenschaftler vermuten, dass die ozeanische Zirkulation im Nordatlantik eine wichtige Rolle spielte.

Während in der vorindustriellen Zeit, also bis ca. 1800, vor allem schwankende Sonnenaktivitäten und vulkanische Eruptionen ganz wesentlich über Klimaänderungen entschieden, hat sich das seit der Industrialisierung jedoch geändert. Heute resultieren die Durchschnittstemperaturen zunehmend aus der menschengemachten Freisetzung von Treibhausgasen.

Klima heute

Die aktuelle globale, menschengemachte Erwärmung ist einzigartig. So warm wie heute war das globale Klima letztmals vor 128 000 Jahren zu Beginn der letzten Warmzeit. Ein Großteil der Erwärmung fand nach 1950 statt. Die Zeitspanne von 2015 bis 2019 war der wärmste jemals gemessene Fünfjahreszeitraum und die Zeitspanne zwischen 2010 und 2019 das wärmste jemals erfasste Jahrzehnt, teilte die Weltwetterorganisation der UN mit.

Unser Planet wäre, so ergeben Simulationen, fast zwei Grad Celsius kühler, als er tatsächlich ist. Die Temperaturen in den nördlichen Teilen Nordamerikas und Europas lägen ohne die überraschenden Knicks in den Konzentrationskurven der Treibhausgase Kohlenstoffdioxid und Methan heute sogar um drei bis vier Grad Celsius niedriger. Vielleicht hätten sich in Teilen Nordostkanadas schon vor einigen tausend Jahren kleine Eisschilde gebildet. Stattdessen blieb das Klima seit Beginn der jetzigen Warmzeit, dem Holozän, weltweit warm und stabil, jedenfalls im Vergleich zu den vorhergehenden 10 000 Jahren.

Wir befänden uns also schon gut und gern auf halbem Weg zur nächsten Eiszeit, hätten nicht jahrtausendelange landwirtschaftliche Aktivitäten und die spätere Industrialisierung über die Treibhausgase gegengesteuert.

REM