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Schneeball Erde Die Beinahe-Katastrophe vor 750 Millionen Jahren
Dass es Eiszeiten auf der Erde gab, ist seit der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts, vor allem dank der Arbeiten des Geologen Louis Agassiz, bekannt. Eiszeiten kann man in geologischen Ablagerungen wie dem Geschiebemergel erkennen. Eine erste Eiszeit gab es vor 2,3 Milliarden Jahren, eine weitere vor etwa 1 Milliarde Jahren. Die größten Eiszeiten gab es vor 750 bis 580 Millionen Jahren; sie wurden unter dem Namen “Schneeball Erde” bekannt: Damals sollen selbst Gebiete am Äquator vereist gewesen sein, die Erde war nicht blau, sondern weiß. Es ist noch unklar, wie es zu diesen Eisflächen kam; möglicherweise hat die Anordnung der Landmassen am Äquator für starke chemische Gesteinsverwitterung gesorgt, die das Treibhausgas Kohlendioxid gebunden hat. Die Erde wurde kühler, und mit wachsenden Eisflächen kam eine sich selbst verstärkende Rückkoppelung des Eises dazu: Eis reflektiert das Sonnenlicht, und die Netto-Wärmeeinstrahlung geht zurück. Hat es erst einmal eine gewisse Ausdehnung erreicht, verstärkt sich der Effekt von selbst: Durch die Abkühlung bildet sich noch mehr Eis, schließlich vereist die ganze Erde.
Dass die Erde nach einer solchen Vereisung überhaupt wieder erwärmen kann, hat wieder mit Kohlendioxid zu tun: Durch Vulkane freigesetztes Kohlendioxid kann sich auf einer vereisten Atmosphäre nicht mit Kalzium zu Kalkstein verbinden, sondern sammelt sich an - bis die Konzentration dieses Treibhausgases zu einer Erwärmung führt, die die Eisdecke abschmelzen lässt. Der dabei freigelegte Gesteinsschutt gibt soviel Kalzium frei, dass sich dicke Kalksteinablagerungen auf dem Gletscherschutt bilden. Damit kühlt die Erde aber wieder ab - der Zyklus wiederholte sich, bis die Kontinente in höhere Breiten gelangten.
GAIA wird erwachsen Das Leben wird zum Kohlenstoff-Speicher
Auf den “Schneeball Erde” folgten zwei weitere Eiszeiten (vor 440 und 280 Millionen Jahren). In dieser Zeit gab es bereits mehrzellige Tiere, die Skelette aus Carbonaten besaßen (>> Die Entwicklung des Lebens): Damit wurde das Leben selbst zum Kohlenstoffspeicher. Durch Sedimentation ging ein Teil dieses Kohlenstoffs in den Langfristspeicher der Gesteine ein, und als vor über 300 Millionen Jahre das Plankton entstand, verstärkte sich dieser Mechanismus noch. Auch im Karbon, als sich die ersten Wälder bildeten und viele der heutigen Kohlelagerstätten entstanden, wurden riesige Kohlenstoffmengen aus der Atmosphäre entfernt. (Dieser Kohlenstoff wird heute bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wieder freigesetzt, >> Der Klimawandel.)
Mit der Ausbreitung moderner Korallenriffe vor 55 Millionen Jahren wurden wiederum enorme Mengen an Kohlenstoff gebunden. Seit die Wissenschaft das Thema der Klimaregulation durch das Leben untersucht, finden sich immer neue Regelkreise: Die Ausbreitung der Gräser vor sechs bis acht Millionen Jahren förderte Brände, und diese griffen auf die Wälder über: damit beschränkten Gräser die Ausbreitung von Wäldern - Wälder haben aber andere Auswirkungen auf das Klima als Grasländer. Erwärmung fördert wiederum die Entstehung von Bränden, so war ein neuer Regelmechanismus entstanden.
Klimawandel vor 55 Millionen Jahren Treibhauseffekt durch Methangas?
Insgesamt wurde die Erde nach dem Ende der Eiszeit vor 280 Millionen Jahre stetig wärmer, in der Kreidezeit vor 140 bis 65 Millionen Jahren war das Erdklima tropisch warm. Danach kam es zu einer Abkühlung, die letztlich zu den Eiszeiten führte, die vor 3 Millionen Jahren begannen. Aber diese Abkühlung wurde vor 55 Millionen Jahren durch eine in geologischen Maßstäben sehr plötzliche Erwärmung um 5 bis 6 Grad Celsius unterbrochen. Aus der Analyse von Kalkschalen wurde deutlich, dass damals riesige Mengen Kohlenstoff freigesetzt wurden, die Kohlendioxidkonzentration hat sich vervierfacht. Hierdurch nahm der Treibhauseffekt zu, die Erde erwärmte sich, die Meere versauerten und es kam zu einem massiven Artensterben in den Ozeanen.
Wodurch wurde dieser Klimawandel ausgelöst? Als mögliche Ursache gelten die am Meeresboden reichlich vorkommenden Methaneisvorkommen: Vor Norwegen ist vermutlich vor 55 Millionen Jahren Magma mit diesen Methaneisvorkommen in Kontakt gekommen, und hat das Methaneis erwärmt und Methangas freigesetzt. Dieses reagierte mit Sauerstoff im Meerwasser zu Kohlendioxid - das hat den Klimawandel ausgelöst. Die Folgen werden heute als der geologische Übergang vom Paläozän zum Eozän beschrieben; in den Ozeanen starben zwei Drittel aller Arten aus. Und doch dürften sie im Vergleich zum menschengemachten Klimawandel heute milde sein: Damals traf die Erwärmung eine an Wärme angepasste Biosphäre, während die heutige Biosphäre in einer Kältephase geformt wurde.
Die Eiszeiten
Die letzten zwei bis drei Millionen Jahre sind erneut ein Eiszeitalter: In diesem kehren regelmäßig 90.000 bis 100.000 Jahre andauernde Kaltzeiten weider, die von kürzeren Warmzeiten unterbrochen werden. Das Rätsel dieser Zyklen löste der serbische Astronom Milutin Milankovitch: Sie stimmen mit drei Zyklen der Erdbahn um die Sonne überein. Der erste betrifft die Umlaufbahn der Erde um die Sonne, die kein Kreis, sondern eine Ellipse ist - die Abweichung von der Kreisform (die Exzentrizität) schwankt in Perioden von 400.000 und 100.000 Jahren. Die zweite ist die Neigung der Erdachse, die in Perioden von 41.000 Jahren schwankt; und drittens taumelt die Erdachse in Perioden von 23.000 Jahren.
 Schema der Milankovitch-Zyklen: a) Die Umlaufbahn ist mal mehr, mal weniger exzentrisch, b) die Neigung der Erdachse schwankt zwischen 21,5° und 24,5°, c) die Erdachse taumelt, daher ist mal die Nordhalbkugel, mal die Südhalbkugel der Sonne zugewendet.
Der Temperaturverlauf der letzten 740.000 Jahre lässt sich mittlerweile aus Eisbohrkernen relativ genau erschließen, und er bestätigt die Bedeutung der Milankovitch-Zyklen, insbesondere der Schwankung der Exzentrizität, die direkt die Menge der eingestrahlten Energie ändert (die anderen beiden Zyklen ändern nur die Energieverteilung). Die folgende Abbildung zeigt eine Rekonstruktion der Klimadaten der letzten 400.000 Jahre aus dem russischen Wostok-Eisbohrkern:
 Klimadaten aus dem Wostok-Eisbohrkern: Temperaturverlauf (rot) und Kohlendioxid-Gehalt (gelb) der Atmosphäre in den letzen 400.000 Jahren. Weiß dargestellt: Veränderungen der Exzentrizität der Erdumlaufbahn. Quelle der Wostok-Daten: http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/icecore/antarctica/vostok/vostok.html
Allerdings kann die Änderung der Sonneneinstrahlung alleine die beobachteten Temperaturabweichungen nicht erklären; es muss einen Faktor geben, der sie verstärkt. Auch diesen zeigt die Abbildung: Erkennbar wird der enge Zusammenhang zwischen Temperatur und Kohlendioxidgehalt der Luft. Offenbar lösen die geringen Änderungen der ankommenden Sonnenstrahlung, die mit den Milankovitch-Zyklen beschrieben werden, eine Temperaturänderung und diese eine Änderung des CO2-Gehalts aus, der mit seinem Treibhauseffekt diese Temperaturunterschiede wiederum verstärkt. Schmilzt bei einer Erwärmung dann das arktische Meereis, wird zudem weniger Sonnenlicht reflektiert; und dieses verstärkt wiederum den Temperatureffekt. Wenn die Temperatur sinkt, fällt auch der CO2-Gehalt wieder. (Was genau diese CO2-Schwankungen auslöst, ist eine der offenen Fragen der Klimatologie; offenbar haben die Ozeane etwas damit zu tun.) Eine Rückkoppelung ist für uns heute besonders relevant: Steigt der CO2-Gehalt, steigt auch die Temperatur. Während der vergangenen 740.000 Jahre bewegte sich der Kohlendioxid-Gehalt immer zwischen 180 und 280 ppm; erst in der Folge der Verbrennung fossiler Brennstoffe seit der Industriellen Revolution stieg er auf mittlerweile 380 ppm - der wichtigste Grund für den gegenwärtigen >> Klimawandel. Die Reaktion des Klimasystems auf Änderungen des Strahlungshaushaltes, die anhand solcher Daten möglich ist, erlaubt es auch, die Empfindlichkeit des Klimasystems für die Erhöhung des Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphäre abzuschätzen (die sogenannte “Klimasensitivität”); eine wichtige Datengrundlage zur Abschätzung der Folgen des Klimawandels (mehr dazu >> hier).
In den letzten Jahrzehnten wurde noch eine weitere Abweichung vom alleinigen Einfluss der Sonnenstrahlung deutlich: Vor allem in Nordeuropa kam es während der Eiszeiten mehrfach zu teils abrupten Klimawechseln: In nur einem Jahrzehnt stieg die Temperatur in Grönland um bis zu 10 °C an. Ursache war offenbar die Änderung der Meeresströmungen, die Wärme in den Nordatlantik bringen (>> Das Klima der Erde). Auch dieses muss in Zusammenhang mit dem Klimawandel beunruhigen: Die Auslöser für diese Änderungen waren offenbar minimal; und eine erneute, diesmal vom Menschen ausgelöste Änderung scheint durchaus möglich (>> Die Folgen des Klimawandels). Vor 15.000 Jahren begannen die Temperaturen zu steigen (die Allerödzeit der Archäologen), Auslöser war eine durch die damaligen Erdbahnparameter (>> siehe hier) verstärkte Sommersonne im hohen Norden. Vor etwa 13.000 Jahren gab es noch einmal einen Rückschlag (ein weiteres Beispiel für einen abrupten Klimaweschsel): Vermutlich verursacht von abbrechenden Teilen des Nordamerikanischen Kontinentaleises, das ins Meer rutschte und das globale Förderband unterbrach, kam zu einer letzten Kaltzeit, der Jüngeren Dryas. Als vor 12.000 Jahren das Förderband wieder einsetzte und das Eis sich zurückzog, begann eine ausgedehnte Warmzeit, die bis heute anhält: Der lange Sommer, in dem die menschliche Geschichte sich entfalten sollte. Der Mensch ist historisch gesehen ein Kind der Eiszeiten; die Gattung Homo ist vor zwei Millionen Jahren entstanden, hat also ihre biologische Evolution während der Eiszeiten durchlaufen (>> Die Entwicklung des Menschen) - erst nach den Eiszeiten aber wurde sie zur beherrschenden Art auf der Erde.
Der lange Sommer
Seit 10.000 Jahren leben wir in einer Zeit mit warmem, relativ stabilem Klima (dem Holozän). Klimatisch ist dieses wohl “nur” eine Warmzeit zwischen den Kaltzeiten des immer noch andauernden Eiszeitalters; aber eine Warmzeit, die in den 400.000jährigen Milankovitch-Zyklus fällt und daher noch lange andauern sollte: Die entsprechende Warmzeit vor 400.000 Jahren hat jedenfalls 26.000 Jahre angedauert. Auch in dieser Warmzeit schwankte das Klima, aber wesentlich weniger als zuvor. Die erste Hälfte war sogar wärmer als heute (diese Phase wird “holozänes Optimum” genannt, unterbrochen wurde diese jedoch durch eine kleinere Abkühlung vor 8.200 Jahren, das “8k-Event”: Offenbar hat sich die Eisdecke über Nordamerika so weit zurückgezogen, dass ein riesiger Schmelzwasser-See, der Agassizsee, in den Nordatlantik strömte und das globale Förderband unterbrach. Diese Abkühlung dauerte nur etwa 200 Jahre, danach kehrte das warme Klima zurück. Auf die warme Phase folgte zumindest auf der Nordhalbkugel eine Abkühlung, die vor 6.000 Jahren in südlichen Gebieten zur Austrocknung der Sahara führte und in Mesopotamien zur Ausweitung der Bewässerung zwang. Auf diese bronzezeitliche Abkühlung folgte eine “römische Warmzeit” von etwa 400 vor Christus bis 200 nach Christus, und von 300 bis 600 eine nächste Kältephase, die als einer Auslöser der Völkerwanderung gilt. Auf diese folgte die “mittelalterliche Warmzeit”, eine im 8. Jahrhundert beginnende und bis ins 13. Jahrhundert andauernde Wärmeperiode. Diese wurde dann von der von 1500 bis 1850 dauernden “kleinen Eiszeit” abgelöst (auch diese beiden Ereignisse scheinen auf die Nordhalbkugel beschränkt gewesen zu sein).
Die Warmzeit (für die der Archäologe Brian Fagan den Begriff “langer Sommer” prägte) ermöglichte zwei grundlegende Entwicklungen, die die menschliche Geschichte prägen sollten: Es entstanden die Ökosysteme, wie wir sie heute kennen (>> Die Lebensräume der Erde), und sie trug dazu bei, dass der Mensch die Landwirtschaft erfand (>> Das Zeitalter der Landwirtschaft) - wobei möglicherweise die Landwirtschaft selbst das Erdklima beeinflusste (>> Klimafaktor Landwirtschaft?). Die Landwirtschaft schuf die Voraussetzungen für die Industrielle Revolution, deren Ergebnisse heute unser Leben - und unsere Umwelt! - prägen (>> Das Zeitalter der Industrie).
In neuerer Zeit beginnt man auch damit, den Einfluss von Klima- und Umweltveränderungen auf die menschliche Geschichte zu untersuchen - denn das Klima der Warmzeit war zwar im erdgeschichtlichen Vergleich relativ stabil, aber die vergleichsweise geringen Schwankungen hatten offenbar einen tief greifenden Einfluss auf die menschliche Geschichte. So wird etwa die Völkerwanderung mit einer Kältephase, die in den zentralasiatischen Steppen zu Trockenheiten führte, in Verbindung gebracht. Während der mittelalterlichen Warmzeit, die bessere Ernten und zunehmende Bevölkerungszahlen ermöglichten, fanden die Ausbreitung des Islam, die Kreuzzüge und die Eroberungen der Türken und der Mongolen statt. Andererseits wird das Verschwinden alter Kulturen in Amerika, etwa der Anasazi, der Nasca und der Maya, mit trockenen Zeiten in Verbindung gebracht. In Mitteleuropa ließ sich zeigen, dass im frühen 17. Jahrhundert Hexenprozesse und -hinrichtungen immer dann zunahmen, wenn klimatische Besonderheiten wie kalte Sommer auftraten: Offenbar erklärten sich die Menschen das Wettergeschehen mit dem Einfluss der Hexen. Mißernten führten auch zu Auswanderungsschüben nach Amerika, dessen Besiedlung so beschleunigt wurde.
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