Wie das Klima während der letzten Eiszeit schwankte

Während der letzten Eiszeit hob und senkte sich der globale Meeresspiegel mehrfach in regelmäßigen Zyklen, wie eine neue Studie in „Science“ zeigt. Die Eisdecke der Erde nahm dabei über einen längeren Zeitraum abwechselnd zu und ab. Mitten im Pleistozän änderte sich jedoch der Takt dieses Kalt-Warm-Rhythmus. Grund dafür waren wahrscheinlich Umschichtungen innerhalb des Eises sowie Wind und Meeresströmungen, nicht primär Änderungen in der Atmosphäre und Erdtemperatur. Diese überraschende Erkenntnis könnte nun helfen, das künftige Schicksal der heutigen Eisschilde in Grönland und der Antarktis zu verstehen.

Das Pleistozän begann vor rund 2,6 Millionen Jahren und endete vor etwa 11.700 Jahren. Diese Periode gilt weithin als „die letzte Eiszeit“ – in Abgrenzung zu früheren Perioden in der Erdgeschichte, die ebenfalls von einem kalten Klima geprägt waren. Während des Pleistozäns war die Erde von einer dicken Eisschicht bedeckt, vor allem über den nördlichen Gebieten Nordamerikas und Eurasiens, die phasenweise wuchs oder schrumpfte. Entsprechend hob und senkte sich der globale Meeresspiegel während der kälteren und wärmeren Phasen. Doch wie ausgeprägt waren diese Zyklen und welchem Takt folgten sie?

Das können Klimaforscher heute anhand von Foraminiferen in Bohrkernen rekonstruieren. Diese fossilen Schalen ehemaliger Meereslebewesen zeugen davon, wann und wo das heutige Land damals von Wasser bedeckt war und wie warm das Meer war. Dieser Spur sind nun auch Forschende um Peter Clark von der Oregon State University nachgegangen. Mithilfe verfeinerter Analysen der Foraminiferen-Schalen rekonstruierten sie die Veränderungen des durchschnittlichen globalen Meeresspiegels in den letzten 4,5 Millionen Jahren.

Wie veränderte sich der Klima-Takt während der Eiszeit?

Die Auswertung ergab, dass der Meeresspiegel vor Beginn der letzten Eiszeit, vor etwa 4,5 bis 4,0 Millionen Jahren bis zu 20 Meter höher war als heute. Demnach gab es damals deutlich kleinere Eisschilde als heute. Erst mit Beginn der Eiszeit vor rund 3,0 bis 2,5 Millionen Jahren entstanden die großen Eisschilde auf der Nordhalbkugel und der Meeresspiegel sank in etwa auf das heutige Niveau. Im gesamten weiteren Verlauf der Eiszeit veränderte sich jedoch das jährliche Ausmaß des Eises und die Reichweite der Meere mehrfach. Das Eis wuchs dabei zeitweise so stark, dass der Meeresspiegel etwa 80 Meter unter das heutige Niveau sank, wie das Team feststellte. An diesem Maximum wurden die Eisschilde dann instabil, zerbrachen und der Trend kehrte sich um.

Dieser regelmäßige Zyklus aus Kalt- und Warmzeiten blieb jedoch nicht das gesamte Eiszeitalter hindurch gleich: In der ersten Hälfte des Pleistozäns fanden die Vergletscherungszyklen etwa alle 41.000 Jahre statt, in der zweiten Hälfte hingegen alle 100.000 Jahre. Der Übergang zwischen diesen beiden Phasen fand im mittleren Pleistozän statt, vor etwa 1,2 Millionen bis 620.000 Jahren. Doch wie kam es zu diesem Übergang? Warum änderten die Kaltzeiten ihren Rhythmus? Die bisherige Theorie, wonach die Eisschilde während der 41er-Zyklen schlicht kleiner waren, konnten die Forschenden anhand ihrer Daten klar widerlegen. „Diese Erkenntnis stellt die gängige Meinung über den Übergang zum mittleren Pleistozän in Frage und zwingt uns, neue Erklärungen zu entwickeln“, so Clark.

Als Ursache für den Wandel werden vor allem zwei Hypothesen diskutiert. Die erste besagt, dass die Erdatmosphäre im mittleren Pleistozän weniger Kohlendioxid enthielt als vorher – beispielsweise durch geochemische Prozesse, die verstärkt CO2 banden. Dadurch kühlte das globale Klima ab, die Eisschilde wuchsen und der Meeresspiegel sank stärker als zuvor. Daher dauerten die Zyklen zwischen Eisbildung und Schmelze fortan länger. Die zweite Hypothese besagt hingegen, dass sich die Eisschilde im mittleren Pleistozän begannen, anders zu bewegen. Sie wuchsen und verschoben sich demnach, weil sich die Kohlenstoffzyklen im Ozean und in der Luft veränderten, wodurch das Klima abkühlte. Anders als bei der ersten Hypothese spielen hierbei die Sonneneinstrahlung und die Temperaturen nur eine indirekte, nachgelagerte Rolle.

Paradigmenwechsel beim Blick auf die Eiszeit

Diese Hypothesen überprüften die Forschenden anhand der fossilen Daten und stellten so fest: Grund für die Veränderungen der Eismassen und des Meeresspiegels während der Übergangszeit und der zweiten Hälfte des Pleistozäns waren vor allem Bewegungen der Luft-, Wasser- und Eismassen. Wind und Wetter sowie veränderte Meeresströmungen begünstigten demnach eine CO2-Aufnahme aus der Atmosphäre, was für ein weiterhin kühles Klima sorgte. Das beförderte die Entstehung stabiler Eisschilde und längerer Zyklen als zu Beginn der Eiszeit.

Dieser Befund stützt also eher die zweite Hypothese: „Dass diese großen Eisschilde die ganze Zeit hindurch vorhanden waren, bedeutet, dass ihre Entstehung und ihr Zerfall wahrscheinlich eher durch interne Rückkopplungen im Klimasystem als durch externe Dynamiken beeinflusst wurden“, erklärt Clark. Demnach haben nicht nur Veränderungen in der Erdatmosphäre die Eiszyklen verändert, sondern auch Verschiebungen im Eisschild selbst. „Dies ist ein Paradigmenwechsel in unserem Verständnis der Geschichte der Eiszeit“, so Clark.

Die Erkenntnisse über die Klimageschichte könnten nun auch helfen, das künftige Klima angesichts der menschengemachten Erderwärmung vorherzusagen. „Unsere Fähigkeit, die Vergangenheit zu verstehen, gibt uns ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Eisschild und Klima und liefert einen Kontext für das, was wir in der Zukunft erleben könnten“, sagt Clark. „Wir haben heute zwei große Eisschilde, in der Antarktis und in Grönland. Wir müssen darüber nachdenken, in welchem Zustand diese Eisschilde unter verschiedenen Bedingungen existieren können.“

Quelle: Peter Clark (Oregon State University) et al.; Science, doi: 10.1126/science.adv8389

© wissenschaft.de – Claudia Krapp