Kompliziertes System Erde

Konstant scheinT das Klima auf dem Planeten Erde höchst selten zu sein. Der Normalfall sind Veränderungen, und die beeinflussen alles Leben auf der Erde erheblich. Auch die Menschheit kennt bis heute Hungersnöte, Stürme und Überflutungen, aber auch eine Reihe von Erfolgsgeschichten. In Archäologie und Geschichtsforschung finden sich viele, häufig auch kontrovers diskutierte Hypothesen über kulturelle Blütezeiten, die mit Klimaänderungen einhergingen. Da liegt die Frage nahe, welche Kräfte das Klima innerhalb weniger Jahre oder dann innerhalb vieler Jahrmillionen beeinflussen oder gar verändern. Einige Antworten haben Geoforscher inzwischen gefunden, bei vielen Mechanismen aber sind sie immer noch auf Vermutungen angewiesen.

Mehr dagegen wissen die Forscher über die langfristigen Klimaänderungen, die sich oft erst in vielen Jahrmillionen ergeben. Auch dabei spielt der Anteil des Treibhausgases Kohlendioxid in der Atmosphäre eine Rolle. Gemessen wird dieser Anteil in Kohlendioxid- Molekülen pro Million Luft-Moleküle. Im Englischen heißt das „parts per million” oder kurz „ppm”. Dieser Wert lag seit dem Ende der Kreidezeit vor 65 Millionen Jahren vermutlich meist zwischen 1000 und 2000 ppm, kurzfristig schwankte er auch kräftig. Langfristig dagegen gab es einen leichten Abwärtstrend, und die Erde kühlte sich sehr langsam von tropischen und subtropischen Temperaturen zwischen dem Äquator und den Polen auf etwas gemäßigtere Werte ab.

Obwohl die Antarktis damals bereits am Südpol lag, gab es Eis wohl nur in den höheren Gebirgslagen. Vor 34 Millionen Jahren änderte sich dann die Situation rasch. Auslöser für die Vergletscherung der Antarktis war die Bildung der Tasmanien-Antarktis-Passage, die den bis heute wirksamen zirkumantarktischen Meeresstrom zur Folge hatte, der die Antarktis vom Wärmetransport aus den Tropen abschneidet.

Die Bildung einer solchen Eisdecke setzt eine Eigendynamik in Gang. Weiße Flächen nehmen kaum Sonnenwärme auf, sondern strahlen die Energie fast vollständig zurück. Je weiter die Schneedecke wuchs, umso mehr eingestrahlte Sonnenenergie wurde reflektiert und umso mehr kühlte die Antarktis ab. Jetzt aber blieb im Sommer noch mehr Schnee liegen, eine positive Rückkopplung ließ den Eispanzer jedes Jahr ein wenig wachsen, und die Kälte verstärkte sich durch diesen Effekt.

Kalk bleibt liegen

Ein weiterer geochemischer Prozess stabilisierte die Kälte langfristig: Das Eis der Antarktis ist letztlich gefrorenes Wasser, das vorher aus den Weltmeeren verdunstet war. Der wachsende Eispanzer entzog den Ozeanen also Wasser und der Meeresspiegel fiel. Bald lagen riesige Mengen Kalkgestein an der Luft, die vorher vom Meerwasser bedeckt waren. Im Kontakt mit Luftsauerstoff und Niederschlagswasser verwitterten diese Gesteine rasch, und der Regen schwemmte große Mengen des bei der Verwitterung aus dem Kalkstein entstandenen Kalziumkarbonats (kurz: Kalzit) ins Meer. Dadurch sank die sogenannte Kalzit-Kompensationstiefe oder – wie die internationale Fachwelt sagt – „Calcite Compensation Depth” (CCD) kräftig nach unten.

Oberhalb dieses CCD-Wertes ist Kalk stabil, unterhalb dieser Grenze löst er sich auf. Nach dem Sinken der CCD lagen daher große Flächen Ozeanboden über dieser magischen Grenze. Dort blieben die herabrieselnden Kalkschalen abgestorbener Organismen liegen, ohne aufgelöst zu werden. In diesen Kalkschalen steckt das Kohlendioxid, das die Organismen vorher aus der Atmosphäre aufgenommen hatten. Im Laufe der Jahre sammelte sich also immer mehr Kalk und damit aus der Luft gebundenes Kohlendioxid am Meeresgrund. Als Konsequenz daraus nahm der Kohlendioxid-Gehalt in der Atmosphäre ab.

Vor 20 Millionen Jahren war der Kohlendioxid-Gehalt in der irdischen Atmosphäre daher bis auf 250 ppm gesunken. Wegen des dadurch verringerten Treibhauseffektes näherte sich die Atmosphäre dem heutigen Temperaturniveau.

Plattentektonik: WarmES Wasser

Auch die Plattentektonik spielt auf diesen langen Zeitskalen eine wichtige Rolle. Eine Voraussetzung, damit sich der Eispanzer am Nordpol bilden kann, ist eine entsprechende ozeanische Zirkulation. Paläoklimatische Daten zeigen, dass die Nordhalbkugel seit 14 Millionen Jahren ausreichend kalt war, um Gletscher wachsen zu lassen. Auch die mittelamerikanische Landbrücke hatte sich nach neueren Untersuchungen zu diesem Zeitpunkt bereits gebildet. Aber erst vor 2,7 Millionen Jahren setzte die große Vereisung auf der Nordhalbkugel ein.

Der bisher angenommene enge Zusammenhang zwischen der Veränderung der globalen ozeanischen Strömung durch die Schließung des Isthmus von Panama und der Vereisung der Nordhalbkugel ist also immer noch Gegenstand der Geoforschung. Heute lenkt der Golfstrom 100 bis 150 Millionen Kubikmeter warmes Wasser pro Sekunde nach Norden.

Ein Teil dieser Wärme kommt bis nach Europa und fungiert wie eine Heizung für die „Alte Welt”. Dadurch können im Süden Schottlands noch Palmen wachsen. Aus dem relativ warmen Wasser aber verdunstet auch erheblich mehr Feuchtigkeit als aus anderen Meeren in ähnlich hohen Breiten.

Abkühlung und das erhöhte Niederschlagspotenzial brachten zumindest in der kalten Jahreszeit über Grönland, Nordamerika und Nordeuropa Schneefälle mit sich, aus denen später die ersten Gletscher entstanden. Im Nordpazifik wiederum stiegen die Temperaturen der obersten Wasserschichten in einigen Regionen um bis zu sieben Grad Celsius. Genau wie im Nordatlantik verdunstete deshalb auch in dieser Region mehr Wasser, und die zunehmende Luftfeuchtigkeit verursachte im Norden Nordamerikas mehr Schneefälle. Noch aber fehlte eine zweite Komponente, um eine Eiszeit auszulösen.

Schlingerkurs und Eiszeit

Möglicherweise spielte der Schlingerkurs der Erde die entscheidende Rolle. Unser Planet läuft nämlich nicht in einem exakten Kreis oder einer Ellipse um die Sonne, sondern ändert im Laufe der Jahrtausende seine Laufbahn ein wenig. Gleichzeitig schwankt auch die Erdachse. Ein paar Jahrtausende lang erreichte aufgrund dieses Schlingerkurses nur noch sehr wenig Sonnenwärme die Gebiete nördlich des 65. Breitengrades. Bald genügten die Sonnenstrahlen im Sommer nicht mehr, um im Norden Kanadas die größeren Schneemassen des Winters überall zu schmelzen.

Schritt für Schritt begann so die gleiche Rückkopplung wie viele Jahrmillionen zuvor in der Antarktis: Die wachsende Schneedecke reflektierte mehr Energie in das Weltall, und es wurde kühler. Dadurch blieb noch mehr Schnee liegen, der noch mehr Sonnenlicht reflektierte und so den Norden weiter auskühlte.

Die „alte Welt” folgte später

Je höher die Schneedecke wurde, desto größer wurde die Masse und damit das Gewicht, das auf den untersten Schichten lastete. Mit der Zeit verdichteten sich die fragilen Schneeflocken zu einer zunehmend kompakteren Eismasse, aus Schnee wurde Firn und aus Firn Eis – eine neue Eiszeit begann, zumindest in Nordamerika. Da Europa nicht so weit nach Norden reicht, begann die Eiszeit in der „Alten Welt” einige Jahrtausende später. Dann aber reichten die Gletscher bis in das Gebiet, in dem heute Berlin und Hamburg liegen, während die Alpengletscher die Region um das heutige München fast mit einschlossen.

Dass die Lage der Kontinente und Meere und der großen Gebirgszüge, kurz: die Plattentektonik, das globale Klima beeinflusst, ist evident. Erst jüngst aber haben der GFZ-Forscher Onno Oncken und seine Kollegen herausgefunden, dass umgekehrt das Klima auch die in Millionen von Jahren ablaufende Plattentektonik beeinflusst. Durch die Kollision der Südamerikanischen Platte mit der pazifischen Nazca-Platte werden die Anden als längste und zweithöchste Gebirgskette der Welt aufgewölbt. Interessant ist nun, dass diese mächtige Bergkette in ihrem Nord-Süd-Verlauf durch ein sehr unterschiedliches Klima geprägt ist. Im tropischen Bereich lassen die Luftströmungen an der Westseite der zentralen Anden eine der trockensten Wüsten der Welt entstehen. Im Bereich der Südanden dagegen fallen im Westen des Gebirges extrem hohe Niederschläge.

Gut geschmierte Platten

Im zentralen, trockenen Bereich der Anden tragen die geringen Niederschläge daher kaum Material von den Westhängen zum Pazifik. Dort lagert sich wenig neues Sediment am Meeresgrund ab. Im Süden dagegen haben die Niederschläge und die Andengletscher bereits so viel Material in das Meer geschwemmt, dass am Grund des Pazifiks eine zwei Kilometer dicke Sedimentschicht entstanden ist. Diese Schicht enthält relativ viel Wasser, dadurch gleiten die Platten gut „geschmiert” übereinander.

Ganz anders weiter im Norden. Auch dort schiebt sich die unter dem Pazifik liegende Nazca-Platte unter die südamerikanische Platte. Weil hier das schmierende Sediment fehlt, wird Südamerika dabei von unten regelrecht abgeraspelt. Die damit verbundene starke Reibung wiederum schiebt das Andenplateau in die Höhe und lässt es auch breiter werden. Dadurch kommen die Wolken aus dem Amazonasbecken im Osten noch schlechter über die Berge, der Westabhang der Anden wird noch trockener, und der Prozess verstärkt sich weiter. Also beeinflusst nicht nur die Bewegung der Erdplatten das Klima, sondern dieses wiederum auch die Plattentektonik. Das Klima von einst hat Auswirkungen auf die heutigen Erdbeben, die entlang der Anden immer wieder riesige Schäden verursachen und viele Menschenleben kosten. ■