Die Erde schwankt im Eiszeittakt

Die Planeten des Sonnensystems zwingen der Erde eine Vielzahl periodischer Bewegungen auf. Seit etwa drei Millionen Jahren reagiert das Erdklima darauf mit regelmäßig wiederkehrenden Eiszeiten. Doch möglicherweise wird der menschliche Treibhauseffekt das Eiszeitalter für immer beenden.

Alle 100 000 Jahre erwacht die Erde aus einem eisigen Dornröschenschlaf und wechselt für 10 000 bis 20 000 Jahre in das Klima einer Zwischeneiszeit – wie die, in der wir heute leben. Vor etwa 11 000 Jahren endete die letzte Eiszeit, und bei uns in Europa schmolz der riesige Gletscher, der Skandinavien, Norddeutschland und weite Teile Osteuropas bedeckte. Demnach hätten wir bereits einen großen Teil der jetzigen Zwischeneiszeit hinter uns – und die nächste Eiszeit stände praktisch vor der Tür.

Doch dem widerspricht André Berger von der Katholischen Universität im belgischen Leuven. Seinen Berechnungen zufolge steuert die Erde auf eine seltene Konstellation ihrer Bahnparameter zu, die unsere Zwischeneiszeit um bis zu 50 000 Jahre verlängern wird. Eine zusätzliche Erderwärmung durch den menschlichen Treibhauseffekt könnte gar das seit etwa drei Millionen Jahren andauernde Eiszeitalter, das durch den Wechsel zwischen Eiszeiten und Zwischeneiszeiten geprägt ist, ganz beenden.

Die „Taktgeber", die der Erde in regelmäßigen Abständen Eiszeiten aufzwingen, sind der Mond und die anderen Planeten unseres Sonnensystems. Gäbe es nur die Sonne und die Erde, dann würde die Erde gemäß den Keplerschen Gesetzen auf einer konstanten Ellipse um die Sonne kreisen. Wäre die Erde darüber hinaus exakt kugelförmig, dann würde die Orientierung ihrer Drehachse im Raum immer gleich bleiben. Die Konsequenz wäre, dass jede Region auf der Erde jedes Jahr zum gleichen Datum immer exakt dieselbe Menge an Sonnenstrahlung abbekommen würde – vorausgesetzt, die von der Sonne abgestrahlte Energiemenge würde nicht schwanken. Die einzige klimatische Veränderung wäre der Wechsel der Jahreszeiten: Auf der Erdhalbkugel, die der Sonne zugewandt ist, herrscht stets Sommer, auf der abgewandten Winter. Lediglich auf einer Zeitskala von vielen Millionen Jahren würde es aufgrund der Verschiebung der Kontinente weitere Veränderungen geben.

Aber die Wirklichkeit ist um Einiges komplexer. Die Erde ist keine Kugel, sondern näherungsweise ein Rotationsellipsoid – vereinfacht gesagt: eine zusammengedrückte Kugel. Aufgrund der Fliehkraft durch ihre Eigendrehung ist der Äquatordurchmesser der Erde 43 Kilometer größer als der Poldurchmesser. Die Schwerkraftwirkung von Sonne und Mond auf diesen Äquatorwulst verursacht eine Kraft, die versucht, die schief stehende Erdachse aufzurichten. Wie bei einem Spielzeugkreisel, auf den eine äußere Kraft wirkt (beispielsweise ein Stoß), ist das Resultat jedoch eine Präzession: Die Erdachse taumelt. Für einen vollen „ Taumelumlauf" benötigt sie etwa 26 000 Jahre.

Wäre die Erdbahn kreisförmig, dann hätte die Präzession keine klimatischen Konsequenzen. Bei einer elliptischen Bahn bedeutet es jedoch einen Unterschied, ob eine Erdhalbkugel ihren Sommer oder Winter im sonnenfernsten oder sonnennächsten Punkt der Bahn hat – zum einen deshalb, weil der Abstand zur Sonne sich ändert, zum anderen, weil ein Planet sich langsamer durch den sonnenfernsten als durch den sonnennächsten Punkt bewegt. Deshalb ist heute der Sommer auf der Nordhalbkugel länger als der der auf Südhalbkugel. In etwas mehr als 10 000 Jahren – nach einem halben „Taumelumlauf" – wird es umgekehrt sein.

Darüber hinaus zerren die anderen Planeten mit ihrer Schwerkraft an der Erde und zwingen ihr weitere periodische Veränderungen der Bahnparameter auf. Die Neigung der Erdachse bezüglich der Drehachse der Erdbahn schwankt mit einer Periode von 41 000 Jahren um etwa 2,5 Grad. „Den größten Anteil an dieser Periode hat jedoch der Mond", erklärt Berger. Je stärker die Erdachse geneigt ist, desto größer ist der Unterschied zwischen den Jahreszeiten.

Zudem liegt die Erdbahnellipse nicht konstant im Raum, sondern rotiert mit einer Periode von etwa 100 000 Jahren wie ein Hula-Hoop-Reifen um die Sonne. Weil diese Rotation der Präzession entgegenläuft, wird deren Periode dadurch effektiv auf 21 000 Jahre verkürzt. Außerdem „pulsiert" die Ellipse mit einer Periode von ebenfalls ungefähr 100 000 Jahren zwischen einer mehr kreisförmigen und einer mehr elliptischen Form. Alle 400 000 Jahre wird die Erdbahn sogar nahezu kreisförmig.

Weil all diese Schwankungsperioden die Energiemenge verändern, die eine Region auf der Erde in einer bestimmten Jahreszeit von der Sonne erhält, versuchten bereits im 19. Jahrhundert einige Forscher, mit ihnen die Entstehung von Eiszeiten zu erklären. Deren Ideen griff ab 1915 der serbische Mathematikprofessor Milutin Milankovic auf. Milankovic kannte neue Erdbahnberechnungen des deutschen Mathematikers Ludwig Pilgrim, der die Orbitparameter für die vergangene Million Jahre berechnet hatte. Milankovic vermutete, dass nur eine detaillierte Berechnung der Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit von der geografischen Breite eine befriedigende Erklärung für die Ursache von Eiszeiten liefern würde. „Heute wären diese Berechnungen eine nette Computeraufgabe, die man einem Studenten über die Sommerferien hinweg stellen könnte", sagt Richard Muller, Professor an der Universität von Kalifornien in Berkeley, der gegenwärtig an einer Variante von Milankovics Theorie arbeitet.

Zu Milankovics Zeit gab es keine Computer. Er rechnete viele Jahre, bis er die Strahlungskurven der letzten 600 000 Jahre für verschiedene Breitengrade vorliegen hatte. In der Kurve, die für die Sonneneinstrahlung im Sommer in den höheren nördlichen Breiten stand, identifizierte Milankovic Zeiträume mit sehr niedriger Sonneneinstrahlung. Diese Zeiträume markierten seiner Überzeugung nach die Anfänge der Eiszeiten. Denn: Südlich einer Grenzlinie, die durch die höheren nördlichen Breiten verläuft, schmilzt im Sommer der im Winter gefallene Schnee vollständig – jedenfalls in Jahren mit gemäßigten Sommertemperaturen. Wird es dort jedoch im Sommer ein wenig kälter, dann bleibt etwas Schnee bis zum nächsten Winter liegen. Weil der Schnee das Sonnenlicht reflektiert, verstärkt sich dieser Effekt selbst. Die Schneedecke verdickt sich von Jahr zu Jahr zu einem Eisgletscher, der immer weiter nach Süden rückt. Das ist der Beginn einer Eiszeit, die das Klima der gesamten Erde beeinflusst.

Anders als seine Vorgänger erkannte Milankovic, dass Eiszeiten sich nicht zwischen den beiden Erdhalbkugeln abwechseln – was man aufgrund der astronomischen Faktoren allein eigentlich erwartet hätte. Doch die Nordhalbkugel dominiert das gesamte Erdklima, weil sich hier etwa zwei Drittel der Landfläche der Erde befinden. Und Gletscher können sich eben nur an Land bilden.

Milankovic veröffentlichte seine Theorie im Jahr 1920. Als sich in den Fünfzigerjahren des letzten Jahrhunderts erstmals organische Überreste, die beispielsweise aus den Ablagerungen von Gletschern stammten, mit der Radiokarbon-Methode datieren ließen, fand man Perioden, die zum 21 000-jährigen Präzessionszyklus passten. Gleichzeitig widersprachen die Daten aber den von Milankovic berechneten Datierungen der Eiszeiten. „Zu der Zeit waren sowohl die geologischen Datierungstechniken als auch die astronomischen Berechnungen bei Weitem nicht genau genug, um eine eindeutige Aussage zu treffen", erläutert Berger diesen Widerspruch. Der 1996 von König Albert II. von Belgien zum Ritter („Chevalier") geschlagene Geophysik- und Astronomie-Professor arbeitet seit über 30 Jahren an der Weiterentwicklung und Präzisierung der Milankovic-Theorie.

Ebenfalls in den Fünfzigerjahren benutzte der italienische Geologe Cesare Emiliani die noch relativ neue Methode der Sauerstoff-Isotopenanalyse, um aus Meeressedimenten auf die Temperaturen vergangener Zeiten zu schließen. Auch Emiliani fand Übereinstimmungen mit den Vorhersagen der Milankovic-Theorie. „ Tatsächlich war Emiliani wahrscheinlich der Erste, der überhaupt die Länge der Zyklen in Milankovics Strahlungskurven abzählte. Milankovic selbst hat das – zumindest in seinen Veröffentlichungen – nie getan und seine Rechenmethoden erlaubten ihm nicht, die Zyklen direkt zu sehen", sagt Berger.

Berger war es auch, der – zusammen mit den Ergebnissen einer Gruppe um James Hays vom Lamont Doherty Earth Observatory der Columbia University, New York – der Milankovic-Theorie in den Siebzigerjahren zum Durchbruch verhalf. Hays hatte zusammen mit seinen Kollegen John Imbrie und Nicholas Shackleton einen Tiefseebohrkern untersucht, dessen Material über eine Million Jahre in die Vergangenheit zurückreichte. Das Trio hatte eine brillante Idee: Die Forscher führten an dem Bohrkern nicht nur eine Isotopenanalyse durch, sondern suchten in den Sedimenten auch nach einer Umkehr des Erdmagnetfeldes. Denn der Zeitpunkt der letzten Umkehr war relativ genau bekannt – nach damaligem Wissen fand sie vor etwas mehr als 70 0000 Jahren statt (heutiger Wissensstand: vor 790 000 Jahren). Damit war endlich eine genaue Datierung der Eiszeiten und der Zyklenlängen möglich.

„Hays und seine Kollegen fanden zum ersten Mal den 100 000-jährigen und den 41 000-jährigen Zyklus, außerdem einen 23 000-jährigen und einen 19 000-jährigen statt des 21 000-jährigen" , erklärt Berger und hält noch eine Überraschung parat: „Diese vor allem von den Amerikanern so genannten Milankovic-Zyklen sind tatsächlich erstmals von mir theoretisch berechnet worden – etwa zeitgleich mit Hays Untersuchungen." Verschmitzt fügt er hinzu: „ Es sei denn, ich hätte da jemanden übersehen." Der heute 63-jährige Berger wurde dafür 1994 von der Europäischen Geophysikalischen Gesellschaft mit der seit 1993 jährlich verliehenen Milutin-Milankovic-Medaille ausgezeichnet.

Diese unabhängig voneinander in den geologischen Daten und in den Berechnungen Bergers gefundenen Zyklen waren ein überzeugender Beweis für die Richtigkeit der Kernaussagen der Milankovic-Theorie. „Wir sind jetzt sicher, dass die Eiszeiten von Veränderungen in den Bahnparametern der Erde verursacht werden", schrieb Hays 1976 und fügte hinzu: „Die Beweise sind so zwingend, dass alternative Erklärungen verworfen werden müssen."

Mit dieser Aussage war er vielleicht etwas voreilig, denn es gilt noch viele Ungereimtheiten zu klären. Eine betrifft den 100 000-jährigen Zyklus der Erdbahnellipse. „Der Exzentrizitätszyklus dauert eigentlich nicht 100 000 Jahre", erklärt Richard Muller. „ Tatsächlich handelt es sich um eine Kombination aus einem 125 000-jährigen und einem 95 000-jährigen Zyklus." Da diese Zyklen also verschiedene Längen haben, addieren sich ihre Wirkungen zu manchen Zeiten, zu anderen heben sie sich auf. „Vor 400 000 Jahren beispielsweise hätten sich ihre Auswirkungen gegenseitig aufheben sollen", sagt Muller. „In den meisten geologischen Daten findet man aber keine derartige Auslöschung."

Muller macht einen von Milankovic unbeachteten astronomischen Parameter für den 100 000-jährigen Zyklus verantwortlich: die sich verändernde Neigung der Bahnebene der Erde bezüglich der so genannten invarianten Ebene des Sonnensystems. „Wegen der enorm großen Masse von Jupiter kann man in guter Näherung sagen, dass Jupiters Bahnebene die invariante Ebene repräsentiert", erklärt Muller. Doch dass Milankovic und seine Nachfolger diesen ebenfalls 100 000-jährigen Zyklus nicht beachteten, hatte einen guten Grund: Er hat keine Änderungen zur Folge, die die Sonneneinstrahlung auf die Erde beeinflussen – jedenfalls keine geometrischen.

Aber – so Mullers Hypothese – beim periodischen „Durchwippen" der Erdbahnebene durch die Hauptebene des Sonnensystems könnte die Erdbahn regelmäßig Staubbänder durchqueren, die beispielsweise von einem zerfallenen Kometen stammen. Dadurch würde das Sonnenlicht, das die Erde erreicht, abgeschwächt. „Wir haben im Grönlandeis nach Hinweisen auf Weltraumstaub gesucht, der von der Erde eingefangen wurde. Bisher haben wir keine Indizien für meine Hypothese gefunden", räumt Muller ein. „Aber wir haben erst einige wenige Eistiefen untersucht."

„Mullers Hypothese ist interessant", sagt Andrey Ganopolski vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung. „Ich glaube aber, dass wir die Eiszeitzyklen im Rahmen der klassischen Milankovic-Theorie erfolgreich erklären können. Dazu muss sie allerdings weiterentwickelt und mit Fakten ergänzt werden, die zu Milankovics Zeit noch nicht bekannt waren. Das ist mein Arbeitsgebiet." Vor Kurzem hat Ganopolski zusammen mit Kollegen vom Geoforschungszentrum Potsdam herausgefunden, dass eine drastische Änderung der Meeresströmungen vor 2,7 Millionen Jahren zur permanenten Vereisung der Nordpolarregion führte. Erst seit dieser Zeit reagiert das Erdklima auf die Änderungen der Erdbahnparameter mit einem Wechsel zwischen Eis- und Zwischeneiszeiten.

Berger nennt als Grund dafür: „Nach unseren Simulationsrechnungen gibt es beim Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre einen Schwellenwert – bei etwa 350 ppmv (Millionstel Volumenanteilen). Wenn dieser Wert unterschritten wird, reagiert das Klimasystem der Erde sehr viel intensiver auf die astronomischen Faktoren." Zum Vergleich: Der vorindustrielle Kohlendioxidwert war etwa 280 ppmv, der heutige Wert ist 370 ppmv.

Berger hatte schon früh erkannt, dass es für eine umfassende Erklärung der Eiszeiten nicht ausreicht, einfach nur die variierende Sonneneinstrahlung für verschiedene geografische Breiten auszurechnen. Deshalb arbeitet er seit mehr als 20 Jahren mit seiner Forschungsgruppe an der Entwicklung eines Klimamodells, das die sehr komplexen, oft zeitlich verzögerten Reaktionen des Erdklimasystems auf die sich verändernden astronomischen Bedingungen richtig nachbildet.

Inzwischen hat Berger seine Simulationsrechnungen so weit verbessert, dass sie nahezu alle relevanten Klimaereignisse der letzten drei Millionen Jahre korrekt wiedergeben – darunter die jeweiligen Zeitpunkte maximaler Vereisung oder auch den Übergang von der Dominanz des 41 000-jährigen Zyklus zu der des 100 000-jährigen vor etwa einer Million Jahre.

Nun wagt er sich an die Vorhersage der zukünftigen Klimaentwicklung. Die heutigen astronomischen Parameter sind mit denen der letzten Zwischeneiszeit vor 100 000 Jahren nicht vergleichbar. In den nächsten Jahrtausenden wird sich das Minimum des 100 000-jährigen Exzentrizitätszyklus mit dem des 400 000- jährigen überlappen. In 27 000 Jahren wird die Erdbahn deshalb nahezu kreisförmig sein. Damit verliert der „Taumelzyklus" seine klimatische Wirkung – und die Schwankungen der Sommer-Sonneneinstrahlung in den höheren nördlichen Breiten werden während der nächsten 100 000 Jahre außergewöhnlich gering sein.

Die Modellrechnungen von Berger und seiner Kollegin Marie-France Loutre zeigen, dass die jetzige Zwischeneiszeit noch bis zu 50 000 Jahren dauern wird – und damit ähnlich lang sein wird wie die Zwischeneiszeit vor 400 000 Jahren. Sollte der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre mehrere Hundert Jahre lang den Wert von 700 ppmv überschreiten – was in einigen Szenarien des 2001 veröffentlichten dritten Klimaberichts der Vereinten Nationen angenommen wird –, dann könnte das Eiszeitalter sogar endgültig vorbei sein. Die jetzige Zwischeneiszeit würde nie mehr enden. ■

Dr. AXEL TILLEMANS ist Physiker und arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist im nordrhein-westfälischen Titz.

Axel Tillemans

COMMUNITY Lesen

Hansjürgen Müller-Beck

DIE EISZEITEN

Beck, München 2005, € 7,90

Internet

Klimageschichte im Überblick:

www.hamburger-bildungsserver.de/ welcome.phtml?unten=/klima/ klimawandel/klimageschichte/index.htm

Klima, Fauna und Flora in der letzten Eiszeit

www.uni-muenster.de/ MineralogieMuseum/eiszeit/Titel.html

Überblick über die Geschichte der Eiszeittheorien:

geology.wcedu.pima.edu/~jsandretto/iceagetheories.html

Milutin Milankovic und seine Theorie:

earthobservatory.nasa.gov/Library/ Giants/Milankovitch/milankovitch.html

James Croll:

www.scoti.org.uk/local_heroes.htm

Homepage von Richard Muller:

www-muller.lbl.gov/

Homepage von André Berger:

www.astr.ucl.ac.be/ index.php?page=berger%23HomePage

Ohne Titel

Ohne Titel

Die Milankovic-Theorie wird in den letzten Jahren stark diskutiert. Hier eine Übersicht über ein paar wichtige Arbeiten, die die Theorie stützen oder ihr widersprechen und eine Alternative vorschlagen:

Indiz: Kalkschalen

Zhonghui Liu, Brown University, Providence, Rhode Island/USA, 2004

Eine Sauerstoff-Isotopen-Analyse an den Kalkschalen fossiler Meeresorganismen zeigt, dass die Temperatur an der Meeresoberfläche in den Tropen vor 1,8 Millionen Jahren bis vor 1,2 Millionen Jahren im 41 000-jährigen Zyklus der Ekliptikschiefe schwankte. Dies weist auf eine starke klimatische Kopplung zwischen den Tropen und den höheren nördlichen Breiten hin.

Indiz: Magnetfeld

Toshitsugu Yamazaki, Geological Survey of Japan, 2002

Das Magnetfeld der Erde wird vom 100 000-jährigen Exzentrizitätszyklus beeinflusst. Das belegen Untersuchungen an Meeressedimenten, die den Zeitraum der letzten 2,25 Millionen Jahre überdecken.

Indiz: Antarktis

Robert DeConto, University of Massachusetts, Amherst/USA, 2003

Eine Simulationsrechnung ergab, dass das Eisvolumen der Antarktis während ihrer beginnenden Vereisung vor 34 Millionen Jahren mehrere Millionen Jahre lang stark auf die Milankovic-Zyklen reagierte. Auslöser war das Absinken des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre. Erst als die Antarktis ganz vereist war, ließ die Reaktion auf die Änderungen der Erdbahnparameter nach.

Befund: Entscheidender Taktgeber

Peter Huybers, Woods Hole Oceanographic Institution, Massachusetts/USA, 2005

Eine statistische Überprüfung von 30 verschiedenen Theorien zur Ursache der Eiszeitzyklen – darunter viele Varianten der Milankovic-Theorie, aber auch Theorien, die nur erdinterne Klimaprozesse in Betracht ziehen – favorisiert den 41 000-jährigen Zyklus der Neigung der Erdachse als den entscheidenden „Antrieb" des etwa 100 000-jährigen Eiszeittaktes. Eine starke Neigung der Erdachse hat vor allem in den höheren geografischen Breiten starke jahreszeitliche Unterschiede zur Folge. Außergewöhnlich heiße Sommer beenden demnach eine Eiszeit. Bis vor etwa einer Million Jahre wechselten Eiszeiten sich tatsächlich in einem 41 000-jährigen Zyklus ab. Weil die Erde sich dann aber aufgrund sinkender Kohlendioxid-Anteile in der Atmosphäre langsam abkühlte, wurden seit einer Million Jahre jeweils ein oder zwei „Takte" ausgelassen, was zu einem im Durchschnitt 100 000-jährigen Zyklus führt. Denn der Theorie zufolge reagieren Gletscher mit großer Eisdicke empfindlicher auf Klimaerwärmungen, sodass sie spätestens der dritte „Takt" zum Schmelzen bringt.

Problem: Zu frühes Auftauen

Christina Gallup, University of Minnesota, Duluth/USA, 2002

Die Sonneneinstrahlung im Sommer der nördlichen Breiten bewegte sich vor 140 000 Jahren von einem Minimum zu einem Maximum, das sie vor 129 000 Jahren erreichte. Gemäß der Milankovic- Theorie hätte der Meeresspiegel aufgrund der durch den Temperaturanstieg schmelzenden Gletscher erst vor 134 000 Jahren beträchtlich steigen dürfen. Untersuchungen an fossilen Korallen zeigen jedoch: Bereits vor 136 000 Jahren war ein Großteil des Eises aufgetaut. Eine mögliche Erklärung ist das Absinken der Erdkruste unter dem Gewicht der Gletscher. Da die Lufttemperaturen in niedriger Höhe wärmer sind, könnte dadurch die Eisschmelze auch ohne den „Milankovic-Taktgeber" beginnen.

These: Schwankende Sonnenaktivität

Mukul Sharma, Dartmouth College, Hanover/USA, 2002

Statt der Erdbahnparameter könnte die Sonne schuld sein. Denn Proben aus den letzten 200 000 Jahren deuten auf einen 100 000-jährigen Zyklus in der Sonnenaktivität hin (der zur Zeit einen Maximalstand erreicht hat). Die Schlussfolgerung basiert auf dem Anteil des Beryllium-10-Isotops, das ein Maß für die schwankende Sonnenaktivität ist. Bei einer Zeitserienlänge von nur zwei Perioden ist ein solcher Schluss aber gewagt. Solange die Datenlage nicht besser ist, muss diese Erklärung mit Skepsis betrachtet werden.

Ohne Titel

• Zu Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte der serbische Mathematiker Milutin Milankovic eine Theorie, der zufolge Eiszeiten von Änderungen der Erdbahnparameter verursacht werden.

• Unsere heutige Zwischeneiszeit könnte noch weitere 50 000 Jahre lang andauern.

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