Eiszeitalter

Als Eiszeitalter bezeichnet man eine Periode der Erdgeschichte, die durch Vereisung beider Pole gekennzeichnet ist und innerhalb derer es zu deutlichen Klimaschwankungen mit Warm- und Eiszeiten kam. Gemäß dieser Definition leben wir seit etwa 2,6 bis 2,7 Millionen Jahren in einem Eiszeitalter. Seit dieser Zeit, vor allem aber seit etwa 1 Million Jahren, ist das Klima der Erde relativ kurzfristigen Schwankungen unterworfen, den Kaltzeiten (Glaziale) und Warmzeiten (Interglaziale).

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Verwendung der Begriffe Eiszeit und Eiszeitalter

Der Begriff Eiszeit wird synonym zu Kaltzeit bzw. Glazial verwendet. Er wurde in diesem Sinn 1837 von Karl Friedrich Schimper eingeführt. Um Verwirrungen zu vermeiden, benutzt man für die gesamte Periode der letzten 2,6 Millionen Jahre und auch für die älteren Vereisungsphasen besser den umfassenderen Begriff Eiszeitalter, der sowohl die Eis-/Kaltzeiten als auch die dazwischen liegenden Warmzeiten (im Sinne von Interglazial) umfasst. Das gegenwärtige Eiszeitalter wird in der Fachsprache als Quartär bezeichnet und in das Pleistozän (das eigentliche Eiszeitalter) und das Holozän (die Nacheiszeit) untergliedert.

Eiszeitalter in der Erdgeschichte

Eiszeitalter sind auf der Erde relativ selten. Die Erde ist, betrachtet man ihre gesamte Geschichte, ein normalerweise weitgehend eis- und frostfreier Planet, auf dem es jedoch periodisch relativ kurze Kältephasen von ca. 15–20 Millionen Jahren Dauer gibt. Während dieser Phasen kommt es zur Eisbedeckung an Polen und in Gebirgen, sowie zu Gletschervorstößen bis in mittlere und teilweise auch niedere Breiten. Dies sind die Eiszeitalter. Eine der bekanntesten Vereisungsphasen gab es im jüngeren Präkambrium. Nach der so genannten »Schneeball Erde«-Theorie war die Erde vor etwa 750 bis 580 Millionen Jahren mehrmals fast komplett von Eis bedeckt. Die Entwicklung des Lebens wurde durch die großflächige Vergletscherung stark gefährdet. Eventuell wurde aber dadurch die Evolution der Vielzeller, die kurz nach dem Ende dieser Vereisungsphase einsetzte, deutlich beschleunigt. Klimamodelle der frühen Erde unterstützen diese Theorie mittlerweile zunehmend.

Bekannt ist auch das permo-karbonische Eiszeitalter. Vor allem die Südkontinente, das alte Gondwana, wurden von den Eisvorstößen dieser Epoche überprägt. Mitteleuropa lag zu dieser Zeit in Äquatornähe und hatte tropisches Klima. Die Vermutung eines Eiszeitalters als Ursache für das Artensterben zu Beginn des Mesozoikums wurde dagegen mittlerweile widerlegt.

Das aktuelle Eiszeitalter – Ursachen

Unser jetziges Eiszeitalter hat vor etwa 2,6 Millionen Jahren, im Pliozän, begonnen. Andere Quellen geben den Beginn mit 2,7 Millionen Jahren vor heute an. Wir sind also vermutlich erst am Anfang eines längeren Eiszeitalters.

Bei den Klimaschwankungen des Eiszeitalters muss man zwischen einem generellen Abkühlungstrend auf der Erde unterscheiden, der bereits im älteren Tertiär (Paläogen) einsetzte und sich im jüngeren Tertiär (Neogen) fortsetzte. Dieser Trend wirkt langfristig. Unabhängig davon gibt es (geologisch gesehen) kurzfristige Klimaschwankungen, die zwischen 100.000 Jahren und wenigen Jahrzehnten dauern können. Die letztgenannten Schwankungen laufen meist periodisch ab.

Als Ursachen der allgemeinen Abkühlung seit dem Paläogen werden im Moment 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 spannendsten 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 waren.

Erdbürtige 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 bzw. Öffnen von Meeresstraßen veränderten sich entscheidend die Meereströmungen (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 ca. 35 Mio. 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 z.B. der Alpen, der Rocky Mountains oder des Himalayas, 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.

Weitere erdbürtige Ursachen: In der Kreide und im Paläogen gab es deutlich stärkeren Vulkanismus als im Neogen und Quartär (Geologie). 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 Die Veränderung der Erdbahngeometrie wird durch wechselseitige Gravitationskräfte im System Sonne, Erde, 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 25 780 Jahren wieder die selbe Position auf der Ellipse einnimmt (Präzession). Durch diese so genannten 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.

In jüngster Zeit gerät die klassische Milanković-Theorie immer mehr in die Kritik. Die Vorstellung von einer wichtigen Rolle der Tropen und der Südhemisphäre bei Kaltzeit-Warmzeit-Wechseln gewinnt seit Ende der 1990er-Jahre zunehmend an Bedeutung. Statt eines Antriebs in hohen nördlichen Breiten allein muss nun von generellen Veränderungen des globalen Strahlungshaushalts ausgegangen werden, unter anderem durch Änderungen der Zusammensetzung der Atmosphäre. Komplexe interne Wechselwirkungen durch ozeanische und atmosphärische Zirkulation – vor allem im Zusammenhang mit dem Golfstrom –, die Wirkung der Treibhausgase und andere Prozesse führen zu einem komplizierteren Mechanismus der Steuerung von Kaltzeit-Warmzeit-Wechseln.

Aktivitätszyklen der Sonne In der letzten 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 meist alle 1470 Jahre auf. Diese Periodizität kann mit einer Überlagerung der drei bekannten Aktivitätszyklen der Sonne von elf, 87 und 210 Jahren erklärt werden: Nach 1470 Jahren ist der 210er-Zyklus sieben mal und der 86.5er-Zyklus 17 mal abgelaufen. In der heutigen Warmzeit traten diese Dansgaard-Oeschger-Ereignisse nicht mehr auf, da die schwachen Sonnenschwankungen die stabilen Atlantikströmungen der letzten 10.000 Jahre nicht mehr stören konnten.

Struktur des aktuellen Eiszeitalters

Innerhalb der einzelnen Eiszeitalter gibt es relativ warme und extrem kalte Zwischenphasen. Die Kältephasen eines Eiszeitalters (Kaltzeiten bzw. Glaziale) sind gekennzeichnet durch massive Gletschervorstöße. Sie sind mit etwa 100.000 Jahren in der Regel länger als die Wärmephasen (Warmzeiten bzw. Interglaziale), die nur 15.000 Jahre dauern. Warmzeiten beginnen häufig recht plötzlich, während die Abkühlung eher schleichend erfolgt. Dabei verläuft die Klimaveränderung selten gleichmäßig, sondern mit abrupten Änderungen und dazwischen liegenden gegenläufigen Entwicklungen.

Ein gesamter Zyklus von einer Warmzeit zur nächsten dauert derzeit etwas mehr als 100.000 Jahre. Diese Zyklendauer ist allerdings erst seit 600.000 - 800.000 Jahren gültig. Von 2,7 Mio. Jahren vor heute bis vor ca. 700.000 Jahren lag die Dauer eines Zyklus nur bei etwa 40.000 Jahren. Dies ist mit der etwa gleich langen Periode, mit der die Schiefe der Ekliptik (Stellung der Erdachse) schwankt, in Verbindung zu bringen. Der aktuell gültige 100.000-Jahre Zyklus beruht vor allem auf Änderungen der Exzentrizität der Erdbahn. Warum es zu dem Wechsel in der Dauer der Warm-Kaltzeit-Zyklen kam, ist im Moment nicht eindeutig geklärt.

Die aktuelle Nacheiszeit, in der geologischen Zeitskala als Holozän bezeichnet, ist eine Warmzeit innerhalb eines globalen Eiszeitalters, die seit etwa 11 000 Jahren andauert. Auch in den Wärmephasen eines globalen Eiszeitalters bleibt das Klima im erdgeschichtlichen Vergleich relativ kalt, die Eisbedeckung von Polen und höheren Gebirgen wird meist erhalten. Gletschervorstöße bis in die Mittelbreiten werden aber zurückgebildet, und es kommt dort zu wesentlich gemäßigterem Klima, insbesondere mit milderen Wintern.

Gliederung und Nomenklatur

Probleme der Gliederung

Ursprunglich wurde die Gliederung des Eiszeitalters auf der Grundlage terrestrischer (festländischer) Ablagerungen vorgenommen. Man unterschied die einzelnen, übereinander vorkommenden Ablagerungen der verschiedenen Kalt- und Warmzeiten. Probleme traten und treten jedoch mit dem Vergleich und der Korrelation der eiszeitlichen Ablagerungen über weite Entfernungen auf. So ist man sich zum Beispiel bis heute nicht sicher, ob die Ablagerungen der Saale-Eiszeit in Norddeutschland gleich alt denen der Riß-Eiszeit im Alpenvorland sind. Aus diesem Grunde hat jede Region auf der Erde eine eigene quartärstratigraphische Gliederung erhalten und bis heute bewahrt.

Die zahlreichen lokalen Gliederungen mit ihren Eigennamen, die selbst von Fachleuten kaum übersehen werden können, wirken auf Nichtfachleute oft verwirrend. So wird der jüngste kaltzeitliche Eisvorstoß vor etwa 20.000 Jahren im nördlichen Mitteleuropa als Weichsel-, im nördlichen Alpenraum als Würm-, in Nordrussland als Waldai-, auf den Britischen Inseln als Devensian-, in Nordamerika als Wisconsin-Eiszeit usw. bezeichnet. Auch für ältere Kalt- und Warmzeiten existiert eine Fülle von Lokalnamen.

Eine weitere Schwierigkeit der eiszeitlichen Ablagerungen auf dem Festland besteht darin, dass sie nicht kontinuierlich (ununterbrochen) abgelagert wurden und werden. Vielmehr folgen auf Phasen schneller Sedimentation (z.B. bei Gletschervorstößen), Phasen ohne Sedimentation oder sogar Abtragungsereignisse. In Norddeutschland ist zum Beispiel kein Ort bekannt, an dem alle Geschiebemergel der drei großen Vereisungsphasen und die Ablagerungen der dazwischen liegenden Warmzeiten übereinander vorkommen. Die Korrelation muss auch hier über große Entfernungen erfolgen und kann Fehler aufweisen.

Internationale Gliederungen

Die international anerkannte Gliederung des Eiszeitalters beruht daher auf marinen (Meeres-)Ablagerungen. Sie haben den Vorteil, dass sie an günstigen Stellen kontinuierlich abgelagert werden und sowohl die warm- als auch die kaltzeitlichen Ablagerungen enthalten.

Isotope: Wichtigstes Hilfsmittel bei der Gliederung des Eiszeitalters sind die Isotope des Sauerstoffs ¹⁶O und ¹⁸O, die als globales Thermometer verwendet werden können. Man hat das komplette Eiszeitalter in 103 Isotopenstadien untergliedert. Ungerade Zahlen werden an Warmzeiten (Interstadiale bzw. Interglaziale) vergeben, gerade hingegen an Kaltzeiten. Die gegenwärtige Warmzeit ist dementsprechend das Isotopenstadium 1 (abgekürzt: MIS 1), der Höhepunkt der letzten Eiszeit ist das Isotopenstadium 2 usw.

Erdmagnetfeld: Eine weitere, verbreitete Gliederung geht von den Schwankungen und Umpolungen des Magnetfeldes der Erde aus. Vor etwa 0,78 Mio. und 2,58 Mio. Jahren gab es große Umpolungen des Magnetfeldes. Weiterhin gab es kurze Umpolungsphasen innerhalb der großen Epochen, so zum Beispiel vor 1,77 Mio. Jahren. Findet man Spuren davon, etwa durch die Ausrichtung magnetischer Minerale, in eiszeitlichen Ablagerungen, kann man so die Ablagerungen datieren. Diese Methode ist sowohl für festländische als auch für Meeresablegerungen geeignet. Deshalb ist eine von vielen Wissenschaftlern anerkannte Grenze des Eiszeitalters gegen das Pliozän die große Umpolung des Erdmagnetfeldes vor 2,58 Mio. Jahren, die gut mit dem ersten Auftreten von Vergletscherungen auf der Nordhalbkugel übereinstimmt.

Gliederung in Mitteleuropa

In Mitteleuropa werden die Kaltzeiten nach Flüssen benannt, die im Allgemeinen die weiteste Ausdehnung der jeweiligen Eisschilde angeben. In Süddeutschland ging die Vereisung von den Alpengletschern aus, in Norddeutschland kam das Eis aus dem skandinavischen Raum. Es ist, mit Ausnahme der jüngsten Kaltzeit nicht gesichert, ob die Vergletscherungen im Alpenraum und in Norddeutschland wirklich synchron abliefen. Daher können die angeführten Werte mit weiterer Forschung durchaus verändert werden. Der Begriff Eiszeit anstelle des heute bevorzugten Kaltzeit ist aber in Deutschland nach wie vor gebräuchlich.

Die letzten Kaltzeiten
Alpenraum (Namensgeber)	Norddeutschland (Namensgeber)	Zeitraum (Tsd. Jahre)	- align="center"	Günz-Kaltzeit (Günz)	Elbe-Kaltzeit (Elbe)	640–540	- align="center"	Mindel-Kaltzeit (Mindel)	Elster-Kaltzeit (Weiße Elster)	350–250	- align="center"	Riß-Kaltzeit (Riß)	Saale-Kaltzeit (Saale)	230–130	- align="center"	Würm-Kaltzeit (Würm)	Weichsel-Kaltzeit (Weichsel)	115– 10

Auswirkungen auf die Erde

Vergletscherungen

Während der Kaltzeiten breiteten sich die Inlandeisschilde und die Gebirgsgletscher stark aus und bedecken 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 nimmt man an, dass dies 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.

Dass die heutigen Gletscher der Alpen oder Skandinaviens Reste der letzten Vereisung sind, wird vielfach angenommen, ist aber falsch. Vielmehr war Europa auf dem Höhepunkt der Nacheiszeit (Holozän) vor ungefähr 7.000 Jahren völlig eisfrei. Die meisten europäischen Gletscher sind erst danach wieder entstanden und demnach ziemlich jung und höchstens 6.000 Jahre alt. Ihr Umfang schwankte in den letzten Jahrtausenden zudem stark.

Meeresspiegel

Durch die Bildung kontinentaler Eismassen wurde den Meeren massiv Wasser entzogen. Während des Höhepunktes der jüngsten Eiszeit lag der Meeresspiegel um 120-130 m tiefer als heute. Dadurch entstanden zahlreiche Landbrücken. Nebenmeere und Flachmeere wie die Nordsee fielen teilweise oder vollständig trocken.

Klima und Atmosphäre

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 (2005): 381 ppmv; CH₄ im LGM: 350 ppbv, vorindustriell: 750 ppbv, heute: 1750 ppbv).

Lebewelt

Die Klimaschwankungen des Eiszeitalters hatten erhebliche Auswirkungen auf die Fauna und Flora ihrer Zeit. Mit den Abkühlungen bzw. 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, Säbelzahnkatzen, Höhlenlöwen, Höhlenbären und weiteren Formen. Auch lebten der Homo heidelbergensis, der Neandertaler und der Homo sapiens in Europa während der Kaltzeiten.

Siehe auch

Literatur

Edmund Blair Bolles: Eiszeit. Wie ein Professor, ein Politiker und ein Dichter das ewige Eis entdeckten. Argon, Berlin 2000. ISBN 3870245220 : Zur Forschungsgeschichte, insb. Louis Agassiz, Charles Lyell und Elisha Kent Kane
Hansjürgen Müller-Beck: Die Eiszeiten. Naturgeschichte und Menschheitsgeschichte. Beck, München 2005. ISBN 3-406-50863-4 : Knappe Einführung aus der Beck'schen Reihe
Josef Klostermann: Das Klima im Eiszeitalter. Schweizerbart, Stuttgart 1999. ISBN 3-510-65189-8
Christian-Dietrich Schönwiese: ''Klima im Wandel. Tatsachen, Irrtümer, Risiken. Deutsche Verlagsanstalt, 1992. ISBN 3-421-02764-1 : Zwar schon etwas älter, aber im Grossen und Ganzen immernoch aktuell

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