Das Eiszeitalter

Eiszeitalter oder auch genannt Eiszeiten sind Perioden der Erdgeschichte, in denen mindestens ein Pol der Erde vergletschert ist.[1] Nach einer anderen Definition ist von einem Eiszeitalter erst dann zu reden, wenn es in der nördlichen und südlichen Hemisphäre der Erde große Vergletscherungen gibt.[2]


Computer-generierte Ansicht der Erde während des letzten glazialen Maximums der gegenwärtigen Eiszeit.

Nach der ersten Definition befindet sich die Erde seit etwa 30 Millionen Jahren im aktuellen Känozoischen Eiszeitalter; seit dieser Zeit ist die Antarktis vergletschert. Nach der zweiten Definition begann die derzeitige Eiszeit erst vor etwa 2,7 Millionen Jahren, als auch die Arktis vergletscherte. Sie entspricht damit dem geologischen Zeitabschnitt Quartär.


Antarktische Inlandsvergletscherung
Der Mendenhall-Gletscher in Alaska

Eiszeitalter oder auch genannt Eiszeiten sind Perioden der Erdgeschichte, in denen mindestens ein Pol der Erde vergletschert ist.[1] Nach einer anderen Definition ist von einem Eiszeitalter erst dann zu reden, wenn es in der nördlichen und südlichen Hemisphäre der Erde große Vergletscherungen gibt.[2]

Nach der ersten Definition befindet sich die Erde seit etwa 30 Millionen Jahren im aktuellen Känozoischen Eiszeitalter; seit dieser Zeit ist die Antarktis vergletschert. Nach der zweiten Definition begann die derzeitige Eiszeit erst vor etwa 2,7 Millionen Jahren, als auch die Arktis vergletscherte. Sie entspricht damit dem geologischen Zeitabschnitt Quartär.


Der Mendenhall-Gletscher in Alaska

Verwendung der Begriffe Eiszeit und Eiszeitalter

Der Begriff Eiszeit wird in der Umgangssprache oft synonym für Kaltzeit (Glazial) verwendet. Er wurde in diesem Sinn 1837 von Karl Friedrich Schimper eingeführt, später aber gleichbedeutend mit Eiszeitalter verwendet.[3]

Ein Eiszeitalter umfasst sowohl die Kaltzeiten als auch die dazwischen liegenden Warmzeiten (Interglaziale) – im Gegensatz zu Nichteiszeiten, die nur aus Warmzeiten bestehen.[4] Das jüngste, bis in die Gegenwart reichende känozoische Eiszeitalter umfasst das gesamte Quartär, während die letzte Kaltzeit, die im Alpenraum auch als Würm-Kaltzeit, in Nordeuropa als Weichsel-Kaltzeit benannt ist, seit etwa 11.700 Jahren abgeschlossen ist. Erdgeschichtlich ist dieses jüngste Eiszeitalter noch nicht beendet, da das Holozän nur eine weitere Warmzeit innerhalb des känozoischen Eiszeitalters ist, das durch fortdauernde Polare Eiskappen definiert ist. In der geologischen Terminologie wird das Pleistozän jedoch oft synonym für das jüngste Eiszeitalter verwendet, während das Holozän als „nacheiszeitlich“ bezeichnet wird.

Eiszeitalter in der Erdgeschichte


Temperaturverlaufsrekonstruktion und Eiszeiten der letzten 500 Millionen Jahre

Eiszeitalter traten im Lauf der Erdgeschichte mehrfach auf. Die Erde ist, betrachtet man ihre gesamte Geschichte, ein weitgehend eisfreier Planet, auf dem es jedoch in Abständen Kältephasen gab. Während dieser Phasen kam es zur Eisbedeckung an den Polen und in den Gebirgen sowie in Europa und Nordamerika während der letzten Eiszeiten zu Gletschervorstößen bis in mittlere Breiten.

Die frühesten Vereisungsphasen gab es im älteren Präkambrium vor etwa 2,2 Milliarden Jahren und an seinem Ende vor etwa 750 bis 600 Millionen Jahren (Cryogenium). Nach der „Schneeball Erde“-Hypothese war die Erde während der jüngeren dieser beiden Perioden mehrmals fast komplett von Eis bedeckt.[5] Die Entwicklung des Lebens wurde durch die großflächige Vergletscherung stark gefährdet. Eventuell wurde aber die Evolution der Vielzeller, die kurz nach dem Ende dieser Vereisung einsetzte, deutlich beschleunigt. Klimamodelle der frühen Erde unterstützen diese Hypothese; sie ist allerdings weiterhin umstritten.[6]

Weitere Vereisungen sind aus dem Ordovizium und Silur sowie dem permo-karbonischen Eiszeitalter bekannt. Vor allem die Südkontinente (Gondwana) wurden von den Eisvorstößen dieser Epoche überprägt. Mitteleuropa lag zu dieser Zeit in Äquatornähe und hatte tropisches Klima. Die Verteilungen der Ablagerungen dieser Eiszeit auf verschiedene Kontinente war eines der Argumente für Alfred Wegeners Kontinentaldrift-Hypothese.[7] Eine kalte Periode in Jura und Kreide, die sich unter anderem aus Temperaturrekonstruktionen ergibt (hellblauer Balken in der Abbildung), hat möglicherweise aufgrund der Konfiguration der Kontinente nicht zu einer Eiszeit geführt.

Ursachen

Die Ursachen für die Eiszeitalter der Erdgeschichte sind noch nicht restlos aufgeklärt. Vor allem bei den älteren Vereisungsperioden im Präkambrium und Paläozoikum sind aufgrund der vergleichbar spärlichen Überlieferung kaum direkte Beobachtungen möglich. Es ist jedoch anzunehmen, dass die im Folgenden anhand der gut bekannten und intensiv studierten Zeugnisse des derzeitigen Eiszeitalters geschilderten Vorgänge und Abläufe in ähnlichem Maße auch auf die anderen Eiszeitalter der Erdgeschichte anzuwenden sind.

Als Ursachen der allgemeinen Abkühlung seit dem Paläogen werden derzeit vor allem Änderungen auf der Erde selbst diskutiert, während die kurzfristigen Klimaschwankungen sich am besten mit periodischen Änderungen der Erdbahnparameter oder mit periodischen Schwankungen der Sonnenaktivität erklären lassen.

Die Suche nach den Ursachen für die zyklisch auftretenden Kalt- und Warmzeiten gehört auch heute noch zu den Herausforderungen für die Paläoklimatologie. Sie ist eng mit den Namen James Croll und Milutin Milanković verbunden. Beide hatten Ideen des Franzosen Joseph-Alphonse Adhémar weiterentwickelt, wonach Veränderungen der Erdbahngeometrie für wiederkehrende Kaltzeiten verantwortlich seien.

Generell muss man festhalten, dass nach heutigem Forschungsstand nicht eine einzige Ursache für das wechselhafte und beinahe regelmäßige Auftreten von Glazial- und Interglazialstadien im Pleistozän verantwortlich gemacht werden kann. Die von Milanković nachgewiesenen Zyklen sind zwar für Temperaturdepressionen verantwortlich, doch bedingen diese nur eine Abnahme von wenigen Zehntelgrad, erfassen nur eine Hemisphäre und waren darüber hinaus auch schon im Präkambrium präsent, wo es aus heutiger Sicht nicht zu einem solch markanten Wechsel von Warm- und Kaltzeiten kam. Auch ist letztlich ungeklärt, warum der Wechsel zwischen Warm- und Kaltzeiten bis vor etwa einer Million Jahren im Rhythmus von 41 ka (Obliquity), dann nach der sogenannten Mid-Pleistocene Revolution aber alle 100 ka (anscheinend Eccentricity) erfolgte. Man nimmt an, dass Verstärkungen der Milanković-Zyklen durch Prozesse innerhalb des Erdklimas verantwortlich dafür sind. Daher müssen mehrere Ursachen für die pleistozänen Wechsel verantwortlich gemacht werden, die sowohl exogenen als auch endogenen Ursprungs sind. Das Zusammenspiel von tektonischen, astronomischen, ozeanischen und klimatischen Prozessen muss dabei unbedingt beachtet werden, da jeder einzelne Prozess nicht in der Lage ist, globale Eiszeiten hervorzurufen.
Irdische Ursachen

Hauptantrieb für die allgemeine Abkühlung im Paläogen und Neogen waren Prozesse der Plattentektonik, das heißt die Verschiebungen der kontinentalen Platten.
Öffnung und Schließung von Meeresstraßen

Durch das Schließen oder Öffnen von Meeresstraßen veränderten sich entscheidend die Meeresströmungen (und damit der Wärmetransport) auf der Erde. So öffnete das Wegdriften Australiens und später Südamerikas von der Antarktis im Oligozän zwei Meeresstraßen (Tasmanische Passage und Drake-Passage). Dadurch konnte sich ein Strömungssystem rund um die Antarktis etablieren. Dieser kalte zirkumantarktische Strom isolierte Antarktika vollständig von warmen Oberflächenwassern. Antarktika kühlte ab und die Bildung einer Eiskappe über dem Kontinent am Südpol wurde vor rund 35 Millionen Jahren eingeleitet. Zuvor waren die Meeresströmungen um die Antarktis stark zum Äquator hin abgelenkt, so dass wärmere Wassermassen den Kontinent erreichen und aufheizen konnten.

Die Bildung einer Landbrücke zwischen Nord- und Südamerika vor 4,2 bis 2,4 Millionen Jahren sorgte für die Umlenkung warmer Meeresströmungen nach Norden und damit auch für die Entstehung des Golfstroms. Der Transport von warmem Wasser in den hohen Norden bewirkte zwar zunächst eine Erwärmung der Nordhalbkugel, stellte aber auch die notwendige Feuchtigkeit bereit, um in Grönland, Nordamerika und Nordeuropa mit der weiteren Abkühlung Gletscher entstehen zu lassen.
Bildung von Hochgebirgen

Durch den Zusammenstoß von Platten kam es ab dem jüngeren Tertiär (Neogen) zu verstärkter Gebirgsbildung. Die Heraushebung von Festland in bedeutende Höhen verändert in erster Linie groß- und kleinräumig die Luftströmungen. Die Entstehung der Faltengebirge, wie etwa der Alpen, der Rocky Mountains oder des Himalaya, die für die Änderung der Zirkulationsmuster in der Atmosphäre sorgte, brachte ebenfalls die notwendige Feuchtigkeit auf die Kontinente, die zur Vergletscherung weiter Teile der Nordhalbkugel beitrugen. Gleichzeitig sind Hochgebirge auch bevorzugte Gebiete der Gletscherentstehung.

Eine Theorie sieht das Hochland von Tibet dabei in einer zentralen Position, da sie von einer nahezu vollständigen Vergletscherung des Hochlandes ausgeht.[11][12] Die deutliche Vergrößerung der Albedo (Weißheit) im Bereich des Tibetplateaus (etwa 30-40° nördlicher Breite) führte aufgrund der strahlungsgünstigen Lage zu einer Abkühlung der Atmosphäre und damit zu einem globalen Temperaturrückgang von etwa 5 °C. Dies begünstigte die Bildung von Flachlandgletschern in skandinavischen und nordamerikanischen Regionen, was zu einem Selbstverstärkungseffekt führt, wodurch Tibets Eisfläche weiter anwuchs und seine Auslassgletscherzungen durch die Randgebirge des Plateaus hindurch bis auf ca. 1000–2000 m über dem Meer hinabgeflossen sind (Glazial). Aufgrund des Milanković-Zyklus erhöhte sich die Temperatur und führte zu einem Anstieg der Schneegrenze von knapp 500 m – dies und die glazialisostatische Absenkung des Plateaus leitete nach Matthias Kuhle das Abschmelzen der Flachlandgletscher und der Auslassgletscherzungen des Tibeteises ein und bedingte eine Verringerung der globalen Albedo und damit eine Wiedererwärmung (Interglazial). Allerdings wird die geschlossene Vergletscherung Tibets teilweise abgelehnt, da sich, wie ein Autor meint, die glazialen Erosions- und Akkumulationsformen nur auf höhere Gebiete Tibets erstrecken.[13] Änderungen der Albedo über Änderungen in der Dauer der Schneebedeckung des Hochlandes sind allerdings unstrittig.

Weitere irdische Ursachen


Große Vulkanausbrüche können das Erdklima stark beeinflussen.

In der Kreidezeit und im Paläogen gab es deutlich stärkeren Vulkanismus als im Neogen und Quartär. Da mit jedem Vulkanausbruch eine umfangreiche Freisetzung von Kohlendioxid verbunden ist, war der CO2-Gehalt der Atmosphäre zu dieser Zeit höher. Dementsprechend stärker wirkte in der Kreide und im Paläogen auch der natürliche Treibhauseffekt der Erde.

Astronomische Ursachen
Erdbahngeometrie


Wissenschaftler entnehmen Eisproben.

Die Veränderung der Erdbahngeometrie wird durch wechselseitige Gravitationskräfte im System Sonne, Planeten, Mond hervorgerufen. Sie ändern die Form der elliptischen Erdbahn (Exzentrizität) um die Sonne mit einer Periode von etwa 100.000 Jahren, die Neigung der Erdachse zur Umlaufbahn mit einer Periode von etwa 40.000 Jahren (Schiefe der Ekliptik), während die Tag-und-Nacht-Gleiche auf der elliptischen Umlaufbahn etwa nach 20.930 Jahren wieder dieselbe Position auf der Ellipse einnimmt (Tropische Apsidendrehung). Durch diese sogenannten Milanković-Zyklen verändert sich periodisch die Verteilung der Sonnenenergie auf der Erde.

Angeregt durch den deutschen Meteorologen Wladimir Peter Köppen formulierte Milutin Milanković 1941 in seiner Arbeit Der Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitproblem die Hypothese, dass eine Kaltzeit immer dann auftritt, wenn die Sommersonneneinstrahlung in hohen nördlichen Breiten minimal wird. Kühle Sommer sind nach Köppen für den Eisaufbau entscheidender als kalte Winter. Milanković suchte also dort nach den Ursachen für Eiszeiten, wo sie am offensichtlichsten sind, in den hohen nördlichen Breiten.

Die Variationen der Erdbahnparameter (Milanković-Zyklen) waren Auslöser und geeignete Randbedingungen, deren Wirkung aber noch durch andere Faktoren verstärkt wurde. So werden als eine Ursache für den Beginn sowohl der antarktischen wie der nordhemisphärischen Vereisung tektonische Vorgänge und deren Einfluss auf die ozeanische Zirkulation angenommen.[14] Außerdem spielte der CO2-Gehalt der Atmosphäre eine wesentliche Rolle, der mit den Temperaturschwankungen eine enge Kopplung aufweist, wie verschiedene Untersuchungen von Eisbohrkernen der Antarktis und Grönlands über die letzten 800.000 Jahre belegen.[15] Danach soll die Konzentrationsabnahme des Treibhausgases Kohlendioxid (zusammen mit Methan und Distickstoffoxid) für ca. ein Drittel der Temperaturveränderung zwischen Warm- und Kaltzeit stehen,[16] nach einer jüngeren Veröffentlichung sogar für die Hälfte.[17] Andere positive Feedbackprozesse wie die Eis-Albedo-Rückkopplung, die Vegetationsbedeckung und die Variabilität des Wasserdampfgehaltes in der Atmosphäre spielten eine zusätzliche Rolle. Für die Schwankungen innerhalb der Kaltzeiten zwischen sogenannten Stadialen und Interstadialen werden Rückkopplungseffekte im Zusammenhang mit der thermohalinen Zirkulation angenommen.
Aktivitätszyklen der Sonne

In der letzten Kaltzeit (Weichsel-Kaltzeit) gab es zwei Dutzend erhebliche Klima-Umschwünge, bei denen innerhalb nur eines Jahrzehnts die Lufttemperatur über dem Nordatlantik um bis zu zwölf Grad Celsius anstieg. Diese Dansgaard-Oeschger-Ereignisse traten meistens alle 1470 Jahre auf. Diese Periodizität wird mit einer Überlagerung von zwei bekannten Aktivitätszyklen der Sonne von 87 und 210 Jahren zu erklären versucht. Nach 1470 Jahren ist der 210er-Zyklus siebenmal und der 86,5er-Zyklus siebzehnmal abgelaufen.[18] In der heutigen Warmzeit (Holozän) traten diese Dansgaard-Oeschger-Ereignisse nicht mehr auf, da die schwachen Sonnenschwankungen die stabilen Atlantikströmungen der letzten 10.000 Jahre nicht mehr stören konnten.

Das aktuelle Eiszeitalter

→ Hauptartikel: Känozoisches Eiszeitalter

Vergletscherungen


Minimale (Warmzeit, schwarz) und maximale (Kaltzeit, grau) Vereisung der Nordhemisphäre

Während der Kaltzeiten des aktuellen Eiszeitalters breiteten sich die Inlandeisschilde und die Gebirgsgletscher stark aus und bedeckten schließlich etwa 32 % der festen Erdoberfläche. Heute werden nur etwa 10 % der Landoberflächen von Gletschern bedeckt. Vor allem auf der Nordhalbkugel der Erde waren große Teile Europas, Asiens und Nordamerikas vergletschert. Die Spuren der Vereisungen (z. B. Trogtäler, Moränen, Gletscherschliffe, die Glaziale Serie) sind dort bis heute allgegenwärtig.

Die Veränderung des Inlandeises der Antarktis war während des Eiszeitalters im Vergleich zur Arktis nicht so dramatisch. Einerseits wird angenommen, dass dieses darauf zurückzuführen ist, dass der Eisaufbau auf dem Land und flachen Schelfen der Nordhemisphäre effektiver ist als in zirkumantarktischen Ozeangebieten. Andererseits ist auch heute die Antarktis nahezu vollständig vergletschert. Eine Vergrößerung des Eisschildes war also dort nur begrenzt möglich. Eine Ausdehnung des Eisschildes wird im Wesentlichen auf die Absenkung des Meeresspiegels zurückgeführt.


Minimale (Warmzeit, schwarz) und maximale (Kaltzeit, grau) Vereisung der Südhemisphäre

Während der aktuellen Nacheiszeit (Holozän) schwankte das Ausmaß der Vergletscherung stark. Nachdem während einer Kältephase gegen Ende der Jüngere Dryaszeit viele Gletscher vorgerückt waren, kam es im frühen Holozän zu einem Rückgang, einige Gletscher verschwanden. Dies gilt für die Zeit vor ungefähr 7000 Jahren auf dem Höhepunkt der Nacheiszeit (Holozän) für viele Gletscher in Island und wahrscheinlich einige der skandinavischen Halbinsel. In den Alpen waren zu der Zeit die meisten Gletscher wohl kleiner als gegen Ende des 20. Jahrhunderts. Dass die heutigen Gletscher der Alpen oder Skandinaviens Reste der letzten Vereisung sind, wird vielfach angenommen, gilt aber demnach für viele nicht, sie sind höchstens 6000 Jahre alt. Viele Gletscher erreichten ihre maximale Ausdehnung vor einigen hundert Jahren.[19]
Der Meeresspiegel

Durch die Bildung kontinentaler Eismassen wurde den Meeren massiv Wasser entzogen. Während des Höhepunktes der jüngsten Eiszeit lag der Meeresspiegel um 120 bis 130 m tiefer als heute. Dadurch entstanden zahlreiche Landbrücken. Nebenmeere und Flachmeere wie die Nordsee fielen teilweise oder vollständig trocken. Große Bedeutung erlangte die Landbrücke über die heutige Beringstraße, die Nordasien mit Nordamerika verband. Der Austausch zahlreicher Tier- und Pflanzenarten sowie die menschliche Besiedlung des amerikanischen Kontinentes erfolgte älteren Theorien nach über diese Landbrücke.
Klima und Atmosphäre

Während der Eiszeiten fiel, global gesehen, auf Grund der gesunkenen Temperaturen deutlich weniger Niederschlag als während der Warmzeiten. Die Niederschlagsänderungen während der Kaltzeiten fielen regional und zonal jedoch sehr unterschiedlich aus. Während es in den hohen und mittleren Breiten eher trockener wurde, gab es in den Subtropen deutliche Feuchtphasen. Die randtropischen Wüsten waren auch zu dieser Zeit extrem trocken, während die Fläche der feuchten Tropen zu dieser Zeit deutlich geringer war. Das verfügbare Wasserangebot in den hohen und den Mittelbreiten war aber während der Eiszeiten zum Teil höher als heute, da auf Grund der gesunkenen Temperaturen und des deshalb fehlenden Waldes die Verdunstung deutlich geringer war.

Das Letzte Glaziale Maximum (LGM) war vor etwa 21.000 Jahren. Die globale Durchschnittstemperatur lag etwa 5 bis 6 K niedriger als heute. Aufgrund der Gaseinschlüsse in polarem Eis weiß man, dass die atmosphärische Konzentration der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) nur 70 % und Methan (CH4) nur 50 % des vorindustriellen Wertes betrug (CO2 im LGM: 200 ppmv, vorindustriell: 288 ppmv, heute (2011): 390 ppmv; CH4 im LGM: 350 ppbv, vorindustriell: 750 ppbv, heute: 1800 ppbv).

Während der Endphasen der einzelnen Eiszeiten stieg auf Grund der natürlichen Zunahme der Sonneneinstrahlung zuerst die globale Temperatur an und danach folgte, als Reaktion auf diesen initialen Anstieg, der Gehalt der Treibhausgase CO2 und Methan. Der zeitliche Versatz beträgt einige hundert Jahre. Das Gleiche gilt auch für Abkühlungsphasen, bei denen jede Abkühlung ein Absinken der Gaskonzentration nach sich zieht. Dabei steuert die Temperaturentwicklung die Konzentrationen in einer eindeutig proportionalen Abhängigkeit: die Kurvenverläufe von CO2 und Methan folgen der Temperaturkurve mit dem genannten zeitlichen Versatz fast kongruent.[20][21] Diese Kongruenz der Verläufe über der Zeit ist eindeutig und weist keine Unstetigkeiten oder Kipp-Situationen auf, so dass im betrachteten Zeitraum der Zusammenhang: Sonne – Erdtemperatur als dominierend erscheint.

Es wird jedoch auch über eine von diesem Zusammenhang abweichende Theorie diskutiert: Die Freisetzung der Treibhausgase führte über Rückkopplungsprozesse zu einer Beschleunigung der Erwärmung und einer weiteren Freisetzung der Treibhausgase, bis sich schließlich Gleichgewichtszustände einstellten und sowohl das Klima als auch die Treibhausgaskonzentrationen in den Warmzeiten relativ stabil blieben. Dieser Mechanismus einer natürlichen Erwärmung könnte auch bei der aktuellen globalen Erwärmung eine Rolle spielen, da ein Ansteigen des Gehaltes an Treibhausgasen auf Grund der menschlichen Aktivität durch diesen Effekt möglicherweise verstärkt wird und die globale Temperatur weiter ansteigt. Die Einstrahlung der Sonne spielt nach Ansicht vieler Wissenschaftler bei der aktuellen Erwärmung nur eine untergeordnete Rolle.[22]

Lebenswelt


Das Wollhaarmammut (Mammuthus primigenius) ist eines der Charaktertiere der Eiszeit auf der Nordhalbkugel der Erde.

Die Klimaschwankungen des Eiszeitalters hatten erhebliche Auswirkungen auf die Fauna und Flora ihrer Zeit. Mit den Abkühlungen und Wiedererwärmungen wurden die dem entsprechenden Klima angepassten Lebewesen zu einer Verlagerung ihrer Lebensräume gezwungen. Zahlreiche Tier- und Pflanzenarten konnten deshalb große Räume nicht wieder besiedeln oder starben ganz aus. Dieser Effekt war in Afrika und Europa, wo das Mittelmeer und die von Ost nach West verlaufenden Gebirgszüge Hindernisse für die Wanderung der Arten darstellten, deutlich größer als in Nordamerika und Ostasien.

Charakteristisch für das Eiszeitalter waren Tiere wie Mammuts, Mastodonten, Saigas, Säbelzahnkatzen, Höhlenlöwen, Höhlenbären und weitere Formen. Auch lebten Homo heidelbergensis, der aus ihm hervorgegangene Neandertaler und der vor rund 40.000 Jahren aus Afrika zugewanderte moderne Mensch (Homo sapiens) während der Kaltzeiten in Europa.

Siehe auch

Klimageschichte
Kleine Eiszeit
Periglazial
Glaziologie
Globales Förderband

Quelle - literatur & Einzelnachweise