Känozoisches Eiszeitalter

Sein Beginn korrespondiert mit der allmählichen Vergletscherung der Antarktis vor rund 34 Millionen Jahren. Vor etwa 2,7 Millionen Jahren setzte auch die verstärkte Eisbildung in der Arktis ein. Ab dieser Zeit wechseln sich (längere) Kaltzeiten (Glaziale) mit (kürzeren) Warmzeiten (Interglaziale) ab.

Das Quartäre Eiszeitalter ist der jüngste Abschnitt des Känozoischen Eiszeitalters. Er umfasst das Quartär ab 2,588 Millionen Jahre vor heute und ist gekennzeichnet durch die Bildung ausgedehnter kontinentaler Eisschilde in der gesamten nördlichen Hemisphäre während dieser Zeit.

 

Nach den Wärmeanomalien und dem Klimaoptimum des frühen Eozäns (etwa 56 bis 49 mya) trat in der Antarktis vor 41 Millionen Jahren erstmals eine deutliche, aber zeitlich begrenzte Abkühlungsphase auf. Ausgeprägter gestalteten sich die Klimaschwankungen während des Eozän-Oligozän-Übergangs vor 33,9 bis 33,7 Millionen Jahren. Ein wesentlicher Faktor dieser Veränderung war die Entstehung der heute etwa 480 Seemeilen breiten Drakestraße, die den Atlantik mit dem Pazifischen Ozean verbindet. Bis in das spätere Eozän existierte zwischen Antarktika und Südamerika eine zunehmend fragiler werdende Landverbindung, ehe sich die Drakestraße allmählich öffnete. Dadurch entstand im Südpolarmeer die stärkste Meeresströmung der Erde, der Antarktische Zirkumpolarstrom, der Antarktika von nun an im Uhrzeigersinn umkreiste, den Kontinent von der Zufuhr wärmeren Meerwassers abschnitt und möglicherweise eine direkte Wirkung auf den weltweiten Abkühlungsprozess ausübte.

Im Rahmen der Grande Coupure (des „Großen Einschnittes“) kam es zu einem großen Artensterben, das mit einem markanten Temperaturrückgang an Land und in den Weltmeeren verknüpft war. Betroffen von dem raschen Klimawandel und dessen Folgen waren im europäischen Raum etwa 60 Prozent der eozänen Säugetiergattungen. Auf globaler Ebene sank die Temperatur der Ozeane bis in tiefere Regionen um 4 bis 5 °C, und der Meeresspiegel sank innerhalb relativ kurzer Zeit um etwa 30 Meter. Auffällig in dem Zusammenhang ist der steile Abfall des atmosphärischen CO₂-Gehalts. Erreichte dieser gegen Ende des Eozäns noch Werte von 700 bis 1.000 ppm, verringerte sich dieses Level abrupt um etwa 40 Prozent (und lag eventuell für einen erdgeschichtlich sehr kurzen Zeitraum noch tiefer). Die bei einem CO₂-Schwellenwert um 600 ppm einsetzende Vereisung des südpolaren Festlands vor 33,7 Millionen Jahren, zum Teil beeinflusst und beschleunigt von den veränderlichen Erdbahnparametern, markiert den Beginn des Känozoischen Eiszeitalters. Auch in der Nordpolarregion konnte parallel dazu eine deutliche Abkühlung festgestellt werden. Funde von Dropstones belegen die zeitweilige Existenz von grönländischem Kontinentaleis. Zusätzlich wird angenommen, dass der lange Zeit isolierte Arktische Ozean nach einem Übergangsstadium als Brackwassermeer im frühen Oligozän (≈ 32 mya) mit dem Einströmen von salzhaltigem Nordatlantikwasser Anschluss an die globale Meereszirkulation fand.

Entwicklung im Miozän und Pliozän

Der vor rund 34 Millionen Jahren verstärkt einsetzende Abkühlungstrend, gekoppelt mit einer allmählichen Reduzierung des atmosphärischen Kohlenstoffdioxids, verlief nicht linear, sondern wurde zuerst von einer Erwärmungsphase im späten Oligozän und anschließend von einem Klimaoptimum im Miozän vor rund 17 bis 15 Millionen Jahren unterbrochen. In dieser Zeit begann die Ausbreitung der an aride Bedingungen angepassten C₄-Pflanzen (vor allem Gräser), die für die Photosynthese erheblich weniger Kohlenstoffdioxid benötigen als C₃-Pflanzen. Auf dem Höhepunkt des miozänen Klimaoptimums stieg der CO₂-Gehalt von 350 ppm am Beginn des Miozäns auf 500 ppm (nach anderen Quellen auf über 600 ppm).

Im Zuge der weltweiten und mit ariden Bedingungen verknüpften Erwärmung, an der wahrscheinlich massive CO₂-Ausgasungen des Columbia-Plateaubasalts maßgeblich beteiligt waren, wurden die Wald-Habitate zurückgedrängt, und an ihre Stelle traten Steppen- und Graslandschaften. Gleichzeitig verloren die damaligen Antarktisgletscher einen Teil ihrer Masse, ohne jedoch ganz abzuschmelzen. Simulationen unter Einbeziehung des damaligen CO₂-Levels deuten darauf hin, dass die Kernbereiche des Ostantarktischen Eisschilds von der Erwärmung im Mittleren Miozän kaum betroffen waren. Unter dem Einfluss starker Erosions- und Verwitterungsprozesse sank die CO₂-Konzentration gegen Ende des Optimums vor 14,8 Millionen Jahren wieder auf 350 bis 400 ppm, und es begann eine kühlere Klimaphase mit einer erneuten Zunahme der antarktischen Inlandsvereisung. Dennoch lagen vor 14 bis 12,8 Millionen Jahren die Temperaturen in dieser Region 25 °C bis 30 °C über den gegenwärtigen Werten, ehe der Kontinent von einem Kälteeinbruch erfasst wurde.

Obwohl die Globaltemperatur über große Teile des Pliozäns 2 bis 3 °C über dem vorindustriellen Niveau lag, erreichte der Antarktische Eisschild im Verlauf der Epoche seine heutige Ausdehnung von 14 Millionen km². In der Folgezeit und verstärkt seit Beginn des Quartären Glazials nahm die Masse der Eisbedeckung ständig zu, bis zu einer Mächtigkeit von stellenweise 4.500 Metern.

Laut neueren Analysen unterscheidet sich das Känozoische Eiszeitalter - und in diesem Rahmen speziell die Quartäre Kaltzeit - im Hinblick auf die Dynamik von Kohlenstoffkreislauf und Klimaentwicklung erheblich von den vorhergehenden und weitgehend linear verlaufenden Warmklimaphasen. Die komplexe Struktur des „Eishauszustands“ dürfte dagegen einen starken Einfluss der Kryosphäre widerspiegeln und somit auf den relativ raschen Schwankungen des polaren Eisvolumens beruhen.

 

Seit dem Eozän entstanden auf Grönland sporadisch mehr oder minder umfangreiche Eiskappen. Eine intensive Phase der arktischen Vergletscherung einschließlich der Bildung und Ausbreitung des grönländischen Eisschilds begann vor etwa 2,7 Millionen Jahren. Die vollständige Schließung der Landenge von Panama vor 2,76 Millionen Jahren bewirkte die Umlenkung warmer Meeresströmungen nach Norden und damit die Entstehung des Golfstroms mit einer Erhöhung der Luftfeuchtigkeit in den arktischen Regionen. In der neueren Fachliteratur spielen der Isthmus von Panama und der damit verbundene Einfluss des Golfstroms lediglich als Nebeneffekt eine Rolle. Überwiegend wird davon ausgegangen, dass die zunehmende arktische Vergletscherung während des Pliozän-Quartär-Übergangs auf einem deutlichen Rückgang der globalen CO₂-Konzentration beruht.

Die nunmehr verstärkt einsetzende globale Abkühlung führte zu einer Reduzierung der Waldbestände, die auf wärmere Refugialräume zurückgedrängt wurden. An die Stelle der Waldhabitate der gemäßigten Zone traten Steppen- und Graslandschaften, während sich Savannen in den subtropischen Gebieten ausbreiteten. Aufgrund dieser Fragmentierung der Lebensräume entstanden im Faunenbereich neue Arten und Unterarten (siehe auch Artbildung). Die scheinbar ungünstigeren Lebensbedingungen während der Kaltzeitphasen bewirkten neue evolutionäre Entwicklungen mit einer Zunahme der Biodiversität in den folgenden wärmeren Perioden.

Innerhalb des Känozoischen Eiszeitalters wechselten relativ warme mit sehr kalten Abschnitten. Die Kältephasen (Kaltzeiten bzw. Glaziale) sind durch massive Gletschervorstöße gekennzeichnet. Sie sind deutlich länger als die Wärmephasen (Warmzeiten oder Interglaziale), die durchschnittlich nur rund 15.000 Jahre dauern. Warmzeiten benötigen häufig eine sehr kurze „Anlaufzeit“, während ein Abkühlungsprozess eher schleichend erfolgt.

Aktuell dauert ein Kaltzeitzyklus etwas mehr als 100.000 Jahre und ist damit nach übereinstimmender wissenschaftlicher Meinung an die gleich langen Veränderungen der Erdumlaufbahn (Exzentrizität) gekoppelt. Diese Periode trat in voller Ausprägung erstmals im frühen Mittelpleistozän vor rund 700.000 Jahren auf. Vorher – das heißt seit Beginn des Quartärs (2,6 mya) – betrug die Zyklusdauer lediglich 41.000 Jahre und korrelierte zu dieser Zeit mit den Schwankungen der Erdrotationsachse. Zu den Gründen dieses „Umspringens“ auf einen längeren Warm-Kalt-Zyklus wurden bis vor Kurzem nur Mutmaßungen geäußert. Eine im März 2019 veröffentlichte Studie, basierend auf der Analyse von Sedimentbohrkernen, postuliert als Hauptursache eine signifikante Abschwächung der Tiefenwasserzirkulation vor allem in den subpolaren Regionen des südlichen Ozeans, wodurch im Vergleich zur Gegenwart 50 Prozent weniger Kohlenstoffdioxid aus der Tiefsee an die Meeresoberfläche und von dort in die Atmosphäre gelangte. Aufgrund der reduzierten CO₂-Ausgasung verlängerten sich die Kaltzeitbedingungen, selbst wenn die Konstellation der Orbitalparameter den Beginn einer Erwärmungsphase signalisierte. Ein zusätzlicher Aspekt dieser Entwicklung war die zunehmende Ausdehnung und Stabilität der kontinentalen Eisschilde, die während der relativ kurzen Warmzeiten nur einen Teil ihrer Masse einbüßten.

 

Das aktuelle Interglazial, in der geologischen Zeitskala als Holozän bezeichnet, ist die jüngste Warmzeit des Känozoischen Eiszeitalters, mit einer bisherigen Dauer von etwa 11.700 Jahren. Auch in den Wärmephasen eines Eiszeitalters verharrt das Klima im erdgeschichtlichen Vergleich auf einem relativ kühlen Niveau. Die Eisbedeckung der Polarregionen und Hochgebirge bleibt meistens bestehen, Gletschervorstöße bis in mittlere Breiten werden aber zurückgebildet, und es kommt in diesen Gebieten zu einem deutlich gemäßigten Klima mit milderen Wintern.

Für die letzten 800.000 Jahre wurden elf Interglaziale identifiziert und detailliert beschrieben. Die Dauer dieser Zwischeneiszeiten betrug im Normalfall etwa 10.000 bis 30.000 Jahre, lediglich für den Zeitraum der interglazialen Marinen Isotopenstufe 11c (MIS 11c) werden maximal 40.000 Jahre veranschlagt. In dieser Hinsicht scheint das Holozän eine Sonderstellung einzunehmen. Zwar gilt der seit dem Klimaoptimum des Holozäns herrschende Abkühlungstrend von ca. 0,12 °C pro Jahrtausend als Vorbote und erstes Anzeichen eines nahenden Eiszeitklimas, jedoch kommen verschiedene Studien unter Einbeziehung der sich allmählich verändernden Erdbahnparameter zu dem Ergebnis, dass eine neuerliche Kaltzeit unter normalen Rahmenbedingungen erst in 30.000 bis 50.000 Jahren auftreten wird.

Diese für ein Interglazial ungewöhnlich lange Dauer könnte sich möglicherweise bei einer weiteren Zunahme der anthropogenen CO₂-Emissionen auf insgesamt 100.000 Jahre ausdehnen und damit nahezu verdoppeln. Dies würde den Ausfall eines kompletten Eiszeitzyklus aufgrund menschlicher Eingriffe in das Klimasystem bedeuten.

Als Ursachen für die Abkühlungstendenz seit dem mittleren und verstärkt seit dem späten Eozän kommen vor allem irdische Faktoren in Frage, während die kurzfristigen Klimawechsel im Verlauf eines Kaltzeitzyklus hauptsächlich von den periodischen Veränderungen der Erdbahnparameter und der damit gekoppelten solaren Einstrahlung gesteuert werden.

Irdische Ursachen

Hauptantrieb für die Abschwächung des Warmklimas im Paläogen und Neogen waren plattentektonische Prozesse wie die Kontinentaldrift in Verbindung mit Gebirgsbildungen (Orogenese) sowie Phasen intensiver Verwitterung mit entsprechend hoher CO₂-Reduktion, aber auch pflanzliche Organismen, die durch Fixierung und Ablagerung (Sedimentation) umfangreicher Mengen an Kohlenstoff klimawirksame Effekte ausübten.

Ozeanische Strömungssysteme

Die Schließung oder Öffnung von Meeresstraßen hat einen nachhaltigen Einfluss auf die thermohaline Zirkulation und damit auf den globalen Wärmetransport. So entstanden aufgrund der Abspaltung Australiens und später Südamerikas von Antarktika im zeitlichen Umkreis der Eozän-Oligozän-Grenze zwei Meeresstraßen: die Tasmanische Passage und die Drakestraße. Diese tektonischen Prozesse schufen die geographischen und klimatischen Rahmenbedingungen für die Bildung des Antarktischen Eisschilds.

Ein geologisch bedeutendes Ereignis mit weitreichenden klimatischen Auswirkungen war das mehrmalige Austrocknen des Mittelmeers an der Grenze zwischen Miozän und Pliozän vor 6 bis 5 Millionen Jahren. Die wiederholte Schließung der Straße von Gibraltar aufgrund tektonischer Verschiebungen unterbrach den Wasseraustausch zwischen dem Atlantik und dem zwischen Afrika und Eurasien verbliebenen Rest des Tethysmeeres und bewirkte die zeitweilige Umwandlung des mediterranen Beckens in eine Salzwüste (Messinische Salinitätskrise).

Bildung von Hochgebirgen

Durch die Kollision kontinentaler Platten setzte ab dem frühen Neogen eine verstärkte Phase der Gebirgsbildung ein. Diese Auffaltungsprozesse, wie etwa die der Alpen, der Rocky Mountains oder des Himalayas, veränderten groß- und kleinräumig die atmosphärischen Strömungsmuster und begünstigten mit dem Transport feuchter Luftmassen auf das Festland die Vergletscherung großer Teile der nördlichen Hemisphäre. Gleichzeitig sind auch die Hochgebirge selbst bevorzugte Regionen der Gletscherentstehung.

Eine Theorie weist dem Hochland von Tibet dabei eine zentrale Rolle zu, da sie eine nahezu vollständige Vergletscherung des Hochlandes postuliert. Über die deutliche Erhöhung der Albedo führte das weltweit zu einer Verstärkung des Abkühlungsprozesses. Die geschlossene Vergletscherung Tibets wird jedoch teilweise abgelehnt. Änderungen der Albedo, in Verbindung mit der Dauer und Ausdehnung der Schneebedeckung des Hochlandes, sind allerdings unstrittig.

Azolla-Ereignis

Das Azolla-Ereignis (50/49 mya) markiert das Ende des Eozänen Klimaoptimums und gilt als einer der Wendepunkte in der Klimageschichte des Känozoikums. Der zur Familie der Schwimmfarngewächse zählende Algenfarn (Azolla) kann große Mengen an Stickstoff und Kohlenstoffdioxid speichern und sich unter günstigen Bedingungen massenhaft vermehren. Dieser Fall trat durch eine Verkettung besonderer Umstände ein, als Azolla den damaligen Arktischen Ozean auf einer Fläche von 4 Millionen km² „besiedelte“. Da im Eozän das arktische Meeresbecken vom globalen Kreislauf der thermohalinen Zirkulation abgeschnitten war und deshalb gewissermaßen zum stehenden Gewässer wurde, könnte sich an seiner Oberfläche durch Regen und den Eintrag der Flüsse eine dünne, aber nährstoffreiche Süßwasserschicht gebildet haben, die ein explosives Wachstum von Azolla ermöglichte. Der schwimmende Vegetationsteppich der Algenfarne existierte unter moderaten Klimabedingungen etwa 800.000 Jahre und bewirkte in dieser Zeit durch die Aufnahme großer Mengen Kohlenstoffdioxid und dessen Einbindung in Sedimentationsprozesse eine erste deutliche CO₂-Reduktion.

Vulkanismus

Obwohl aus dem Neogen und Quartär etwa 40 vulkanische Eruptionen der höchsten Kategorie VEI-8 dokumentiert sind, hatten diese nicht das Potenzial, einen dauerhaften Einfluss auf die Klimaentwicklung auszuüben. Hingegen waren sogenannte Magmatische Großprovinzen (englisch Large Igneous Provinces) mehrfach Ursache für eine gravierende und relativ rasch auftretende globale Erwärmung. Dabei handelte es sich um den großvolumigen Austritt magmatischer Gesteine aus dem Erdmantel, überwiegend in Form von Flutbasalten, die sich im Verlauf von einigen Hunderttausend bis Millionen Jahren mitunter über eine Fläche von Millionen km² ergossen. In Abhängigkeit von Ausmaß und Dauer der vulkanischen Aktivitäten wurden erhebliche klimawirksame Mengen an Kohlenstoffdioxid freigesetzt, gelegentlich unter Mitwirkung des starken Treibhausgases Methan beziehungsweise Methanhydrat aus ozeanischen Lagerstätten.

So soll zum Beispiel das Tropenklima der Mittleren Kreidezeit mit einer lange anhaltenden Superplume-Aktivität im Bereich des westlichen Pazifiks in Verbindung stehen, während das Klimaoptimum des Eozäns eventuell den Einfluss der Nordatlantischen Magmatischen Großprovinz widerspiegelt, deren Aktivitätszyklen an die Entstehung und Ausdehnung des Nordatlantiks gekoppelt waren. Unabhängig davon könnte auch der „normale“ Vulkanismus im Mesozoikum und frühen Känozoikum aktiver gewesen sein als in der jüngeren Erdgeschichte, mit der Folge einer generell höheren atmosphärischen CO₂-Konzentration.

Astronomische Ursachen

Erdbahngeometrie

Die regelmäßigen Schwankungen der Erdbahnparameter werden durch wechselseitige Gravitationskräfte im System Sonne, Erde und Mond hervorgerufen, zum Teil unter Mitwirkung der Gasriesen Jupiter und Saturn. Durch diese Einflüsse ändert sich die Form der Erdbahn um die Sonne von leicht exzentrisch bis fast kreisförmig mit einer Periode von etwa 100.000 beziehungsweise 405.000 Jahren, die Neigung der Erdachse zur Umlaufbahn ungefähr in einem 41.000-Jahre-Zyklus (Schiefe der Ekliptik), während die Tag-und-Nacht-Gleiche auf der elliptischen Umlaufbahn nach etwa 25.780 Jahren wieder dieselbe Position auf der Ellipse einnimmt (Präzession).

Wie neuere Untersuchungen belegen, sind die Erdbahnparameter über die Dauer geologischer Zeiträume in einen stabilen Zeitrahmen eingebunden und offenbar keinen Änderungen unterworfen. So konnte der Großzyklus mit 405.000 Jahren bis in die Obertrias vor etwa 215 Millionen Jahren zurückverfolgt und anhand von Umpolungsereignissen des irdischen Magnetfelds chronologisch eingeordnet werden.

Angeregt durch den Meteorologen und Geographen Wladimir Peter Köppen formulierte Milutin Milanković 1941 in seiner Arbeit „Der Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitproblem“ im Hinblick auf die jüngere Erdgeschichte die inzwischen belegte Annahme, dass eine Kaltzeit immer dann auftritt, wenn die Intensität der Sommersonneneinstrahlung in hohen nördlichen Breiten abnimmt. Kühle Sommer sind demnach für den Eisaufbau entscheidender als kalte Winter.