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Norddeutschland im ewigen Eis
"Die Erde sieht aus wie ein blauer Edelstein in der Finsternis des Alls!", schwärmte der amerikanische Astronaut Frank Borman während des ersten bemannten Fluges zum Mond im Dezember 1968 über den Planeten der Meere. Doch blau war die Erde nicht immer. Anfangs wirbelte sie als feurige Kugel durchs All. Abgekühlt mag sie eine Zeit lang düster ausgesehen haben, bis sich Atmosphäre und Ozeane gebildet hatten und sie blau schimmern ließen. Manchmal aber war sie auch einfach nur glitzernd weiß - umhüllt von einem Panzer aus Eis.Schon mehrmals in ihrer Geschichte ist die Erde für Millionen Jahre zum Schneeball geworden. Während dieser Mega-Eiszeiten herrschten, so schätzen Paläoklimatologen, Temperaturen von minus 50 Grad Celsius. Daneben gab es öfter auch Vereisungen geringeren Ausmaßes: Allein dreimal in den letzten 500 000 Jahren waren Teile Nord- und Mitteleuropas, Nordasiens und Nordamerikas für jeweils Zehntausende von Jahren kilometerdick von Eis bedeckt.
Norddeutschland im ewigen Eis
Auf dem Höhepunkt des vorerst letzten dieser Eisvorstöße vor 20 000 Jahren reichten die Gletscher von Skandinavien bis in den heutigen Hamburger Raum und über Berlin hinaus. Noch weiter, bis nach Sachsen und ins Ruhrgebiet, war das Eis in den beiden vorangegangenen Eiszeiten vorgedrungen. Nach Meinung von Experten leben wir auch derzeit noch in diesem Eiszeitalter und warten lediglich auf die nächste größere Vereisung, die wahrscheinlich in einigen tausend Jahren folgen wird.Die noch frischen Spuren vergangenen Eises liegen in der Landschaft offen zutage: Moränen und Urstromtäler, Seenplatten, Sand- und Schotterflächen sowie unzählige Findlinge. Das Eis hat große Mengen von Gesteinstrümmern aufgenommen und über Hunderte von Kilometern fortgetragen. In Norddeutschland zeugt eine durchschnittlich mehr als 100 Meter dicke Decke aus Sand und Ton, aus kleineren und größeren Felsbrocken von jener Zeit, als dort arktische Temperaturen herrschten. Wo immer das Eis festen Untergrund überfuhr, hat es den Fels geschliffen und geschrammt.
Was verursachte die Temperaturschwankungen?
Auf dem Höhepunkt der jüngsten Kälteperiode waren weltweit etwa 30 Prozent aller Landflächen von Gletschern bedeckt. Heute liegen noch rund zehn Prozent des Festlandes, hauptsächlich in der Antarktis und auf Grönland, unter Eis. Aber die längste Zeit der Erdgeschichte befand sich an den Polen überhaupt kein Eis. Nachdem es Forschern gelungen ist, weit in die klimatische Vergangenheit der Erde zurückzublicken, haben sie herausgefunden, dass das Klima immer wieder beträchtlich geschwankt hat. Meist war es wärmer als heute, aber immer wieder eben auch weitaus kälter.
Der Einstrahlwinkel macht die Energie
Die Erklärung solcher Schwankungen stellt die Experten vor große Schwierigkeiten: Klimatologen kennen zwar zahlreiche Faktoren, die das Klima beeinflussen, doch sie sind weit davon entfernt, deren kompliziertes Zusammenwirken zu verstehen. Schon die Frage, was der Begriff Klima eigentlich beschreibt, ist nicht einfach zu beantworten. Das aus dem Griechischen stammende Wort bedeutet "Neigung". In der Antike war damit auch der unterschiedliche Einstrahlungswinkel der Sonne gemeint, von dem in groben Zügen die Temperatur in den verschiedenen Klimagürteln abhängt: Steht die Sonne hoch, gelangt deutlich mehr Energie pro Flächeneinheit zur Erde als bei flachem Einstrahlungswinkel.
Was ist eigentlich "Klima"?
In einer ersten Annäherung an eine Definition kann man sagen, dass Klima so etwas wie "durchschnittliches Wetter" ist. Meteorologen fassen Wetterlagen, die einen oder wenige Tage andauern, als Witterung zusammen - und was in der Zusammenschau über eine Jahreszeit hinausgeht, das nennen sie Klima. "Unter Klima verstehen wir", definierte 1923 der deutsche Meteorologe Wladimir Köppen, "den mittleren Zustand und gewöhnlichen Verlauf der Witterung an einem gegebenen Ort." Bei Untersuchungen von Klimaschwankungen ist mit einer solch allgemeinen Definition jedoch wenig anzufangen. "An einem gegebenen Ort" können nämlich je nach Betrachtungsweise mancherlei Klimate herrschen. Für das örtliche Klima ergeben sich andere Durchschnittswerte als für großräumigere Klimate, also für das Landschafts-, das Zonen- oder das globale Klima.
Die Atmosphäre wird von vielen Faktoren beeinflusst
Ähnliches gilt für die Zeitmaßstäbe: Je nachdem ob ein Klimatologe seinen Berechnungen 10, 100 oder 1000 Jahre zugrunde legt, erfasst er in unterschiedlichem Ausmaß kürzer- und längerfristige Schwankungen und gelangt so zu unterschiedlichen Ergebnissen. Vor allem aber ist in der Klima-Forschung zu berücksichtigen, dass unsere Atmosphäre mit den anderen Sphären der Erde eng verknüpft ist: mit den Gewässern (Hydrosphäre), der festen Erde (Geosphäre), den von Eis und Schnee bedeckten Gebieten (Kryosphäre) und der Welt der Lebewesen, besonders der Pflanzen (Biosphäre).
Was macht die Erde mit der Sonnenenergie?
Je nach Beschaffenheit der Erdoberfläche wird die von der Sonne eingestrahlte Energie in ganz unterschiedlichem Ausmaß aufgenommen oder zurückgeworfen. Die Meere reflektieren nur drei bis zehn Prozent des senkrecht einfallenden Lichts, Wiesen und Felder zwölf bis 30 Prozent, eine geschlossene Wolkendecke 45 bis 80 Prozent, eine von Neuschnee bedeckte Fläche 75 bis 95 Prozent. Wasser speichert weitaus größere Wärmemengen als Land oder gar Eis - und kann deshalb auch viel mehr Wärme an die Atmosphäre zurückgeben. Luft- und Meeresströmungen transportieren gewaltige Energiemengen aus äquatornahen Zonen in Richtung der Pole. Ohne eine derartige Zusatzheizung, ohne Golfstrom und westliche Winde, wäre beispielsweise Mitteleuropa ein unwirtliches Land wie etwa Labrador jenseits des Atlantik auf gleicher geographischer Breite.
In der Klimatologie hängt alles mit allem zusammen
Von der Sonnenenergie angetrieben, steigt aus den Ozeanen der größte Teil der Wassermengen, die über Land niedergehen, in die Atmosphäre auf. Ausreichender Niederschläge bedarf es, damit an Land Pflanzen gedeihen können, die wiederum durch Verdunstung zu dem Wasserkreislauf beitragen. Auch das Eis der Erde braucht zu seiner Erhaltung außer Kälte Niederschläge. Mangelt es an einem von beiden, schrumpft das Eis. Denn wo kein Eis mehr gleißt, reflektiert die Landschaft weitaus weniger Sonnenenergie - was eine Erwärmung einleiten oder verstärken kann. Zwischen diesen so verschiedenartigen Sphären hängt wiederum alles mit allem zusammen. Für Meteorologen, die sich nur um das augenblickliche Wettergeschehen kümmern, genügt es völlig, die Vorgänge in der schnell veränderlichen -Atmosphäre zu beobachten. Denn die Einflüsse der anderen Erdsphären schwanken kaum in den kurzen Zeiträumen, in denen Wettervorgänge ablaufen. Bei Untersuchungen über Klimaveränderungen hingegen geht es manchmal um Jahrmillionen.
Mannigfaltige Wechselwirkungen
Da kann sich mancherlei verändern, was sich auf die Atmosphäre auswirkt: etwa die Wassertemperatur in verschiedenen Teilen der Ozeane; der Verlauf oder die Stärke von Meeresströmungen; die Verbreitung von Meereseis oder Eis an Land; die Ausdehnung der Vegetationszonen. Auch die Entstehung oder die Abtragung von Gebirgen spielt eine Rolle - und sogar die Stellung der Kontinente zueinander, die mit Geschwindigkeiten von wenigen Zentimetern pro Jahr um die Erde driften. "Das Klima", so eine moderne Definition des Klimatologen Christian-Dietrich Schönwiese, "ist eine Folge der Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Lithosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre und Biosphäre der Erde. Neben diesen Wechselwirkungen unterliegt es externen Einflüssen." Als extern bezeichnen Klimatologen Faktoren, die das Klima einseitig, ohne Wechselwirkungen beeinflussen.
Sechs Eiszeitalter
Als im 19. Jahrhundert Forscher erstmals Spuren einer Eiszeit entdeckten, mochten viele Wissenschaftler zunächst nicht daran glauben. Dabei waren die Hinweise eindeutig. Gletscherschutt ist noch nach Millionen oder gar Milliarden Jahren gut von Sedimenten zu unterscheiden, die von Wasser transportiert und abgelagert worden sind: Während von Wasser abgesetzte Sedimente meist geschichtet sind und innerhalb einer Schicht die Größe der einzelnen Teilchen in etwa übereinstimmt, hinterlassen Gletscher nach dem Abschmelzen ein Durcheinander. Bereits damals berichteten Wissenschaftler über Vereisungen aus weit zurückliegenden Erdzeitaltern. Eiszeiten, so wurde bald klar, hat es immer wieder gegeben, die ältesten, nach heutigem Forschungsstand, vor 2,3 Milliarden Jahren. Insgesamt sind in der Chronik der Gesteine mindestens sechs Eiszeitalter vor dem derzeitigen verzeichnet.
Spuren der "Varanger-Vereisung"
Besonders reichlich fündig wurden die Forscher in etwa 750 bis 580 Millionen Jahre alten Gesteinen. Die Spuren dieser nach einem norwegischen Fjord benannten "Varanger-Vereisung" finden sich heute auf allen Kontinenten. Verblüfft registrierten die Wissenschaftler, wie mächtig die Ablagerungen aus Gletscherschutt teilweise sind: bis zu 700 Meter dick in Ostgrönland, bis zu 6000 Meter in -Australien. Vereist waren sogar Gebiete, die damals in der Nähe des Äquators lagen - und zwar selbst in Meereshöhe, während sich Eis in den Tropen heute nur in Höhen über 5000 Meter hält. Dass das Varanger-Eis weltweit verbreitet war, konnte sich lange Zeit niemand vorstellen. Doch in den 1960er Jahren ergaben Klimamodellierungen, dass die Erde zwangsläufig zum Schneeball gefriert, wenn sich die polaren Eiskappen mit ihrer extrem starken Reflexion des Sonnenlichts über den nördlichen und südlichen 30. Breitengrad hinaus ausbreiten.
Wie konnte das Eis wieder abschmelzen?
Die begonnene Abkühlung wird durch die Ausbreitung des Eises immer weiter verstärkt, bis sich der Prozess von einem bestimmten Punkt an, so das Ergebnis dieser Modellierungen, unaufhaltsam beschleunigt. Wie konnte, wenn dies zutrifft, das Eis dann aber jemals wieder abschmelzen? Diese Frage wurde erst in den 1990er Jahren durch eine Hypothese schlüssig erklärt - und die löste zugleich ein weiteres Rätsel: die Frage nämlich, weshalb unmittelbar über den Relikten einer extrem kalten Welt, ohne jeden Übergang und relativ schnell entstanden, dicke Schichten aus einem Kalkstein liegen, wie er heute in warmen, flachen Meeren abgesetzt wird, etwa bei den Bahamas.
Der erste Auftritt des Klimagases CO2
Der Schlüssel zur Umkehr war Kohlendioxid - so das Szenario der US-Wissenschaftler Paul Hoffman und Daniel Schrag. Dieses Gas, mit dem die Menschheit heute durch ihre maßlose Nutzung von Kohle, Erdöl und Erdgas den Treibhauseffekt verstärkt und so das globale Klima beeinflusst, wird auch von Vulkanen ausgestoßen. Es verbindet sich (über Zwischenschritte) normalerweise mit Kalzium - das durch Verwitterung von Gesteinen an Land freigesetzt und von Flüssen in die Ozeane gespült worden ist - zu Kalkstein. So wird das Kohlendioxid der Atmosphäre wieder entzogen. Vulkane waren auch zur Zeit der Schneeball-Erde aktiv - und brannten sich durch den Eispanzer. Aber auf den eisbedeckten Kontinenten wurde kein Kalzium frei, mit dem sich das Kohlendioxid hätte verbinden können. So sammelte sich das Gas über viele Millionen Jahre in der Atmosphäre an. Berechnungen zufolge hat es irgendwann das 350fache des gegenwärtigen Kohlendioxid-Gehalts der Luft erreicht - und einen solchen Treibhauseffekt bewirkt, dass das erdumspannende Eis wieder auftaute.
50 Grad im Schatten - auf der ganzen Welt
Danach ging alles schnell. Das Eis begann zu schmelzen, und je stärker die Eisfläche schrumpfte, desto weniger Sonnenenergie wurde ins All zurückgestrahlt. Wasserdampf, ebenfalls ein starkes Treibhausgas, stieg aus den Ozeanen auf und trieb zusammen mit dem Kohlendioxid die globale Temperatur auf fast 50 Grad Celsius. Der inzwischen freigelegte Gesteinsschutt von Jahrmillionen auf den Kontinenten gab jetzt so viel Kalzium her, dass sich innerhalb weniger tausend Jahre die beobachteten mächtigen Kalksteinablagerungen über dem Gletscherschutt bilden konnten.
War eine kosmische Staubwolke schuld?
Ungelöst ist jedoch die Frage, was denn nun den Anstoß zu mehreren Schneeball-Vereisungen in der Zeit vor 750 bis 580 Millionen Jahren gegeben haben könnte. Dass die Sonnenstrahlung früher schwächer war - um vermutlich sechs Prozent -, kann nach Einschätzung der Experten nicht der Grund dafür gewesen sein: Schließlich hat die Sonnenenergie ja auch vor und nach der Schneeball-Periode ausgereicht, die Erde eisfrei zu halten. Aber was führte dann zu solch extremen Vereisungen? Allein um die vergleichsweise kleinen Klima-Eskapaden im gegenwärtigen Eiszeitalter zu begründen, sind Dutzende von Theorien aufgestellt worden. Etwa: Ist unser Sonnensystem in eine kosmische Staubwolke geraten, die Sonnenlicht abgeschirmt hat? Haben Vulkane extrem viel Asche in die Atmosphäre gespuckt? Hat eine Kollision der Erde mit Asteroiden oder Kometen zur Abkühlung geführt? War die Verschiebung der Kontinente, die Heraushebung Tibets, die Schließung einer mittelamerikanischen Meeresverbindung zwischen Atlantik und Pazifik die Ursache?
Forscher tappen im Dunkeln
Keine dieser Erklärungen hat bislang allgemeine Anerkennung gefunden. Auch nicht die von dem serbischen Mathematiker Milutin Milankovi´c in die Diskussion gebrachte These, geringfügige Veränderungen der Erdbahnelemente - also der Bahn der Erde um die Sonne, der Neigung ihrer Achse sowie deren Kreiselbewegung - hätten die jeweiligen Eisvorstöße ausgelöst. Am wahrscheinlichsten ist, dass mehrere Faktoren zusammengekommen sind. Denn Klima resultiert aus vielfältigen Prozessen und komplizierten Wechselwirkungen. Klimatologen, die sich mit den leistungsfähigsten Computern bemühen, die vergleichsweise bescheidenen Auswirkungen des vom Menschen verursachten Treibhauseffekts mit hinreichender Zuverlässigkeit vorherzusagen, wissen, wie ungemein komplex diese Prozesse ineinander greifen. Auf absehbare Zeit muss also offen bleiben, weshalb die Erde einst zum Schneeball geworden ist.
