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Benutzer:Berossos/Artikel Paläoklimatologie

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Kurzfristige Einflüsse

Dansgaard-Oeschger- und Heinrich-Ereignisse

Dansgaard-Oeschger-Ereignisse (benannt nach dem Paläoklimatologen Willi Dansgaard und dem Physiker Hans Oeschger) werden seit ihrer Entdeckung in den 1980er Jahren erforscht und bezeichnen extrem rasche Temperaturerhöhungen im Bereich des Nordatlantiks während der letzten Eiszeit. Dabei kam es zu einem plötzlichen Anstieg der Temperaturen von 6 bis 10 °C innerhalb eines Jahrzehnts. Die anschließenden Warmphasen flauten nur langsam ab und dauerten oft mehrere Jahrhunderte. Aus der Würm- beziehungsweise der Weichsel-Kaltzeit, die vor 115.00 Jahren begann und vor knapp 12.000 Jahren endete, lassen sich in Klimaarchiven 26 Dansgaard-Oeschger-Ereignisse nachweisen, vor allem in grönländischen Eisbohrkernen sowie in den Tiefseeablagerungen des Atlantiks. Nach dem Übergang in das Holozän traten diese abrupten Klimaschwankungen nicht mehr auf. Allerdings gibt es Hinweise, dass ähnliche Temperatursprünge auch während der Eem-Warmzeit vor 126.000 bis 115.000 Jahren stattfanden.

El Niño und La Niña

Als El Niño oder genauer El Niño-Southern Oscillation (ENSO) wird das Auftreten veränderter Strömungsmuster im ozeanographisch-meteorologischen System des äquatorialen Pazifiks bezeichnet. Ursache ist eine starke Wechselwirkung zwischen den Passatwinden und dem Ozean. Normalerweise treibt der Passat das Wasser des Pazifiks entlang des Äquators nach Westen in Richtung Indonesien. Da sich das Wasser unter dem Einfluss der tropischen Sonneneinstrahlung aufheizt, ist es im westlichen Pazifik besonders warm. Im Osten hingegen, vor der Westküste Südamerikas, wird das abtransportierte Oberflächenwasser durch kälteres Tiefenwasser ersetzt. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen kühlem Wasser im Osten und warmem Wasser im Westen entsteht nicht nur ein Antrieb für die Passatwinde, sondern auch ein Rückkopplungsmechanismus, durch den sich das System in die eine oder andere Richtung aufschaukeln kann. Wenn der Passat zusammenbricht, strömt das warme Wasser zurück nach Osten. Dort entsteht dann eine Wärmeanomalie in Form eines El Niño.

Im Unterschied zu El Niño ist La Niña eine außergewöhnlich kalte Strömung im äquatorialen Pazifik, wodurch sich besonders in Südostasien ausgedehnte Tiefdruckgebiete bilden können. In diesem Fall weht der Passat stark und lang anhaltend. Als Folge davon kühlt sich der östliche Pazifik weiter ab. In Indonesien und den umliegenden Regionen fällt dann ergiebiger Regen, während gleichzeitig in einigen südamerikanischen Gebieten extreme Trockenheit herrscht.

Auf drei Vierteln der Erde wird das Wettergeschehen von einem starken El Niño signifikant beeinflusst. So treten zum Beispiel an der gesamten südamerikanischen Pazifikküste und zum Teil auch an der nordamerikanischen Westküste starke Regenfälle und damit verbunden Überschwemmungen auf. Im Gegensatz dazu kommt es in Südostasien und Australien zu längeren Dürreperioden mit Buschfeuern und Waldbränden.

Günstige Bedingungen für das Auftreten von El Niños gab es innerhalb der letzten drei Jahrhunderte in Abständen von etwa zwei bis acht Jahren, wobei die meisten nur schwach ausgeprägt waren. Allerdings existieren Hinweise auf sehr starke El Niños aus dem frühen Holozän vor etwa 11.700 Jahren. Im 20. Jahrhundert wurden größere El-Niño-Ereignisse in den Jahren 1925/1926, 1972/1973 und 1982/1984 registriert. Der El Niño von 1997/1998 trug maßgeblich dazu bei, dass 1998 zum bis dahin global wärmsten Jahr seit Beginn der systematischen Temperaturaufzeichnungen wurde. Der komplexe Ablauf der El-Niño-Ereignisse wird besonders im Hinblick auf seine Vorhersagbarkeit sowie im Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt derzeit intensiv erforscht. Ein verwandtes Klimaphänomen gibt es auch im Atlantik in Form der Nordatlantischen Oszillation.

Bedeutende paläoklimatische Ereignisse

Die Erde bildete sich vor 4,57 Milliarden Jahren aus mehreren miteinander kollidierenden Protoplaneten unterschiedlicher Größe. Ihre heutige Masse soll sie der Kollisionstheorie zufolge durch einen Zusammenprall mit einem marsgroßen Himmelskörper namens Theia erhalten haben.[1] Das Aufeinandertreffen Theias mit der Protoerde geschah laut Computerberechnungen mit der nach kosmischen Maßstäben geringen Geschwindigkeit von 4 km/s und war keine Frontalkollision (die beide Planeten zerstört hätte), sondern ein hartes Aneinanderschrammen. Dadurch wurden Teile des Erdmantels und zahlreiche Trümmerstücke von Theia in den Orbit geschleudert, aus denen sich innerhalb von 10.000 Jahren der zu Beginn glutflüssige Mond formte.[2] Dessen Abstand zur Erde betrug anfangs lediglich 60.000 km. Daher übertraf die lunare Gravitationswirkung den heutigen Wert um das 125-fache und übte einen stark formenden Einfluss auf den noch ungefestigten Erdmantel aus. Dieser Effekt wurde dadurch verstärkt, dass die Dauer einer Erdrotation und somit die Tageslänge während des Hadaikums im Bereich von zehn bis zwölf Stunden lag.[3]. Als vor vier Milliarden Jahren die ersten Ozeane und vermutlich auch erste „Festlandsinseln“ entstanden, erzeugte der Gezeitenwechsel extreme Flutwellen, die unablässig über die Erde rollten.

Ungefähr zur selben Zeit begann eine Serie von Impakt-Ereignissen, ausgelöst durch zahlreiche Planetesimale (Vorstufen von Protoplaneten). Dieses Große Bombardement (englisch Late Heavy Bombardment) geschah vor 4,1 bis 3,8 Milliarden Jahren und wurde nach der Analyse von Mondgestein postuliert, das während der Apollo-Missionen gesammelt wurde. Eine auf der Anzahl der bekannten Mondkrater basierende Berechnung ergab, dass über 20.000 Planetesimale mit einer Größe zwischen 1 km und 50 km innerhalb dieses Zeitraums auf die Erde gestürzt sein könnten. Allerdings wird in jüngeren Studien sowohl die Intensität als auch das relativ knapp bemessene Zeitfenster des Großen Bombardements zunehmend in Zweifel gezogen.[4]

Über die klimatischen Bedingungen der frühesten Erdgeschichte sind mangels verwertbarer Daten keine gesicherten Aussagen möglich. Erst ab der Zeit vor 3,8 Milliarden Jahren existieren fossile Spuren und geologische Proxys, aus denen sich überwiegend hypothetische Rückschlüsse auf das Klimasystem ableiten lassen. Auf Basis dieser fragmentarischen Hinweise wird angenommen, dass mit Ausnahme der lokalen Pangolavereisung vor 2,9 Milliarden Jahren im gesamten Archaikum, bedingt durch hohe Treibhausgas-Konzentrationen, ein relativ warmes Klima herrschte. Diese Phase endete im frühen Proterozoikum mit dem Übergang in eine lange währende Eiszeit.

Äonothem Ärathem System Alter
(mya)
P
h
a
n
e
r
o
z
o
i
k
u
m

Dauer:
541
Ma 		Känozoikum
Erdneuzeit
Dauer: 66 Ma 		Quartär 0
⬍
2,588
Neogen 2,588
⬍
23,03
Paläogen 23,03
⬍
66
Mesozoikum
Erdmittelalter
Dauer: 186,2 Ma 		Kreide 66
⬍
145
Jura 145
⬍
201,3
Trias 201,3
⬍
251,9
Paläozoikum
Erdaltertum
Dauer: 288,8 Ma 		Perm 251,9
⬍
298,9
Karbon 298,9
⬍
358,9
Devon 358,9
⬍
419,2
Silur 419,2
⬍
443,4
Ordovizium 443,4
⬍
485,4
Kambrium 485,4
⬍
541

P
r
ä
k
a
m
b
r
i
u
m
Dauer:
4059
Ma
P
r
o
t
e
r
o
z
o
i
k
u
m

Dauer:
1959
Ma 		Neoproterozoikum
Jungproterozoikum
Dauer: 459 Ma 		Ediacarium 541
⬍
635
Cryogenium 635
⬍
720
Tonium 720
⬍
1000
Mesoproterozoikum
Mittelproterozoikum
Dauer: 600 Ma 		Stenium 1000
⬍
1200
Ectasium 1200
⬍
1400
Calymmium 1400
⬍
1600
Paläoproterozoikum
Altproterozoikum
Dauer: 900 Ma 		Statherium 1600
⬍
1800
Orosirium 1800
⬍
2050
Rhyacium 2050
⬍
2300
Siderium 2300
⬍
2500

A
r
c
h
a
i
k
u
m

Dauer:
1500
Ma 		Neoarchaikum
Dauer:
300 Ma 		2500
⬍
2800
Mesoarchaikum
Dauer: 400 Ma 		2800
⬍
3200
Paläoarchaikum
Dauer: 400 Ma 		3200
⬍
3600
Eoarchaikum
Dauer: 400 Ma 		3600
⬍
4000

H
a
d
a
i
k
u
m

Dauer:
600
Ma 		4000
⬍
4600

Paläoproterozoische Vereisung

Die Paläoproterozoische Vereisung oder Huronische Eiszeit (nach dem Huronsee an der Grenze zwischen den USA und Kanada) begann vor 2,4 Milliarden Jahren und war mit einer Dauer von etwa 300 Millionen Jahren das längste Eiszeitalter der Erdgeschichte. Geologische Klimazeugen aus dieser Epoche sind unter anderem in Nordamerika, Skandinavien, Indien sowie im südlichen Afrika zu finden und deuten auf einen globalen Kälteeinbruch hin. Etliche Studien nehmen darüber hinaus ein Schneeball-Erde-Ereignis an, das zu einer vollständigen Eisbedeckung der Erde einschließlich der äquatorialen Zone und der Ozeane führte.[5]

Die Klimamechanismen der Paläoproterozoischen Vereisung sind nur lückenhaft dokumentiert, da über Art und Umfang der damaligen plattentektonischen Prozesse in Verbindung mit Verwitterung, Abtragung und Kohlenstoffdioxid-Bindung keine gesicherten Erkenntnisse vorliegen. Ebenfalls nicht nachweisbar ist der für spätere Eiszeitalter typische Wechsel verschiedener Kalt- und Warmzeiten.[6] Allgemeine Akzeptanz findet hingegen die Hypothese, dass das Eiszeitklima des frühen Paläoproterozoikums eng mit der Großen Sauerstoffkatastrophe (englisch Great Oxigenation Event) vor 2,4 Milliarden Jahren verknüpft sein könnte.[7]

Am Beginn des Paläoproterozoikums wies die irdische Atmosphäre eine relativ hohe Methankonzentration, aber nur geringe Spuren an freiem Sauerstoff auf. Zwar produzierten Cyanobakterien schon vor mehr als 3 Milliarden Jahren mittels der oxygenen Photosynthese als „Abfallprodukt“ ihres Stoffwechsels große Mengen an O2, doch wurde der Sauerstoff bei der Oxidation von organischen Verbindungen, Schwefelwasserstoff und zweiwertigen Eisen-Ionen Fe2+ in dreiwertige Eisen-Ionen Fe3+ vollständig verbraucht. Nach Abschluss dieser intensiven Oxidationsphase entstand ein Überschuss an freiem Sauerstoff, der sich sowohl in der Atmosphäre als auch im Ozean anzureichern begann. Letzteres führte zum Massenaussterben der Organismen in sauerstofffreien Biotopen (obligat anaerobe Organismen), die der toxischen Wirkung des Sauerstoffs fast vollzählig zum Opfer fielen. Dieses Ereignis zählt zu den größten Krisen in der Geschichte der Lebens, gleichwohl eröffnete es der Evolution neue Wege im Hinblick auf eine effizientere Nutzung des Energiestoffwechsels bei vielen Lebensformen.

In der Atmosphäre oxidierte der Sauerstoff mithilfe der UV-Strahlung den größten Teil des Methanvorkommnens zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Da Methan jedoch über ein erheblich größeres Treibhauspotenzial als CO2 verfügt, kam es in der Folge zu einem abrupten Klimawandel, und die Temperaturen sanken für 300 Millionen Jahre auf ein eiszeitliches Niveau. Der atmospärische Sauerstoffanteil war bis in das Proterozoikum hinein nur unwesentlichen Schwankungen unterworfen und pendelte zumeist zwischen 2 bis 3 Prozent. Erst mit Beginn des Kambriums vor rund 540 Millionen Jahren trat allmählich eine signifikante Erhöhung ein.

Die Schneeball-Erde-Hypothese

Die ausgeprägten Eiszeitzyklen im späten Proterozoikum hinterließen eine Vielzahl deutlicher Spuren auf allen Kontinenten. Eine genaue zeitliche Einordnung und die Abgrenzung dieser Zyklen untereinander ist jedoch schwierig und mit großen Unsicherheiten behaftet. Allgemein werden vier oder fünf proterozoische Glazial-Ereignisse vermutet, von denen die folgenden näher definiert werden können:[8]

  • Sturtische Eiszeit, vor etwa 760 bis 680 Millionen Jahren (globale Vereisung, möglicherweise in mehreren Phasen)
  • Marinoische Eiszeit, vor etwa 660 bis 635 Millionen Jahren (globale Vereisung)
  • Gaskiers-Eiszeit, vor etwa 582 bis 580 Millionen Jahren (wahrscheinlich nur regional)

Einige Indizien sprechen dafür, dass sich während der Sturtischen und der Marinoischen Eiszeit eine Serie von Schneeball-Erde-Events ereignete, mit einer völligen Vereisung aller Landmassen und Ozeane über eine Dauer von jeweils mehreren Millionen Jahren. Eine wesentliche Stütze dieser relativ jungen Hypothese, die seit den 1990er Jahren umfassend geprüft wird, sind mächtige glazigene Ablagerungen, die an vielen Orten der Erde zu finden sind und die sich paläomagnetischen Untersuchungen zufolge zum Teil in unmittelbarer Äquatornähe gebildet haben.[9] Als mögliche Ursache der wiederkehrenden Vereisungsvorgänge wird eine zyklische Klimakonstellation unter Einbeziehung von Plattentektonik, Verwitterung, Abtragung und Kohlenstoffdioxid-Bindung angenommen, die sich solange wiederholte, bis eine oder mehrere ihrer Komponenten (beispielsweise durch Kontinentalverschiebungen) aus dem Kreislauf ausscherten. Zusätzlich könnte eine selbstverstärkende Eis-Albedo-Rückkopplung die weltweite Abkühlung auf bis zu –50 °C gefördert und erheblich beschleunigt haben.[10] Der natürliche Kohlenstoffzyklus kam auf diese Weise fast zum Erliegen, und in den Meeren sank die Biomasseproduktion auf ein Minumum. Dies änderte sich erst, als das ungenutzte atmospärische Reservoir vulkanischer CO2-Emissionen einen extrem hohen Schwellenwert erreichte (eventuell im Bereich von 100.000 ppm), der das Dauerfrost-Klima zum Kippen brachte und ein globales Tauwetter auslöste. Innerhalb von etwa 40.000 Jahren verwandelte sich die Erde von einem tiefgefrorenen Schneeball unter chaotischen Witterungsbedingungen (Überflutungen, Starkregen, Wirbelstürme) in ein „Supertreibhaus“ mit tropischen Temperaturen von mindestens 40 °C.

Obwohl das plakative Bild von der Erde als riesiger Schneeball eine gewisse Popularität erlangte und auch außerhalb der Fachliteratur zirkulierte, mehrten sich die Stimmen, die der Hypothese entschieden widersprachen. Einige der ermittelten Datensätze sind nach Ansicht der Kritiker nicht ausreichend verifiziert oder lassen sich mehrdeutig interpretieren[11], was unter anderem zum Gegenentwurf einer „Matschball Erde“ führte.[12] Vor allem jedoch hätte eine Millionen Jahren andauernde Komplettvereisung die Photosynthese sauerstoffproduzierender Organismen verhindert und zum Aussterben fast aller marinen Lebewesen geführt. Wie die meisten Details des Schneeball-Szenarios ist auch dieser Kritikpunkt ein Gegenstand kontroverser wissenschaftlicher Diskussionen.[13] Fest steht gegenwärtig nur, dass die Schneeball-Erde-Hypothese weder bestätigt noch widerlegt ist und deshalb einer weiteren Überprüfung bedarf.

Nach dem Ende der Gaskiers-Eiszeit erfolgte eine offenbar dauerhafte globale Erwärmung, und der Sauerstoffgehalt stieg zuerst in den Ozeanen und mit Beginn des Kambrium auch in der Atmosphäre signifikant an. Diese Zunahme gilt als Grundvoraussetzung für das Erscheinen erster komplexer Eukaryoten und für die Entwicklung der Ediacara-Fauna.[14]

Eiszeiten und Massenaussterben im Paläozoikum

Nach Aussage des australischen Meeresbiologen John Veron lassen sich Massenaussterben (englisch Mass Extinction Events) in zwei verschiedene Kategorien einordnen: nämlich ob sie durch eine unmittelbare Mitwirkung des Kohlenstoffzyklus verursacht wurden oder ob sie unabhängig davon stattfanden. Eine biologische Krise durch eine extrem rasche Zu- oder Abnahme der Treibhausgas-Konzentration würde beispielsweise unter die erste Kategorie fallen, während für Impakt-Katastrophen oder eine plattentektonisch bedingte Absenkung des Meeresspiegels die zweite Gruppe reserviert ist.[15] Zusätzlich sind bei jedem Aussterbe-Ereignis die in der Vergangenheit herrschenden Umweltbedingungen von Bedeutung. So wie jede erdgeschichtliche Epoche ihre eigene biologische und klimatische Signatur besitzt, unterscheiden sich auch die verschiedenen Evolutionskrisen im Hinblick auf Ursachen, Dauer und Folgen.

Umfassende Analysen bekannter Massenaussterben führten in letzter Zeit zu einem vertieften Verständnis der Mechanismen und Zusammenhänge dieser Ereignisse. Die Fachliteratur zu diesem Themenbereich hat sich seit den 1980er Jahren annähernd verzehnfacht und berücksichtigt zunehmend interdisziplinäre Forschungen.[16] Daraus resultierte die Erkenntnis, dass Massenaussterben nicht zwangsläufig an langfristige geologische Prozesse gekoppelt sein müssen, sondern mitunter einen katastrophischen und zeitlich eng begrenzten Verlauf nehmen.

Kambrium

Datei:Cambrian sea.JPG
Ozeanisches Leben im Kambrium (Diorama im Museum Mensch und Natur, München)

Vor 541 Millionen Jahren begann mit dem geologischen System des Kambrium das Paläozoikum (Erdaltertum). Während der unmittelbar darauf stattfindenden Kambrischen Explosion entwickelten sich innerhalb von nur 5 bis 10 Millionen Jahren die damaligen Vertreter fast aller heute existierenden Tierstämme inklusive ihrer seitdem nicht mehr veränderten morphologischen Baupläne.

Die rasche Zunahme der Biodiversität als Folge der Kambrischen Explosion führte gleichzeitig zu einem Anstieg des so genannten Hintergrundaussterbens, das als permanente Begleiterscheinung der biologischen Evolution in der ersten Hälfte des Paläozoikums ein relativ hohes Niveau erreichte. Eine Abgrenzung zwischen dem natürlichen Artenaustausch und „echten“ Aussterbe-Ereignissen ist daher schwierig, zumal einige kambrische Schichten im Hinblick auf die fossile Überlieferung nur spärliches Material enthalten. Für das Kambrium werden zwei große und mehrere kleine Aussterbewellen angenommen, über deren Dauer und Intensität wenig bekannt ist. Ein kambrisches Massenaussterben vor 510 Millionen Jahren konnte jedoch vor kurzem rekonstruiert werden, wobei offenbar vulkanische Aktivitäten sowie die Bildung anoxischer Zonen in den Ozeanen eine mitentscheidende Rolle spielten.[17]

Unter paläoklimatischen Gesichtspunkten war das Kambrium eine Periode mit erhöhtem Vulkanismus, mit Durchschnittstemperaturen um 20 °C sowie einer atmosphärischen CO2-Konzentration von über 5000 ppm. Diese Faktoren beeinflussten nachhaltig die chemische Beschaffenheit des Meerwassers, sodass die ozeanischen Lebensgemeinschaften durch Sauerstoffverknappung, Schwefeldioxid-Eintrag und das Absacken des ph-Werts häufig an ihre biologischen Grenzen gelangten.[18]

Ordovizium

Die Anden-Sahara-Eiszeit begann vor rund 460 Millionen Jahren im Oberen Ordovizium, erreichte ihren Höhepunkt auf der letzten ordovizischen Stufe des Hirnantiums und endete im Silur vor 430 Millionen Jahren. Anhand eiszeitlicher Ablagerungen kann die Bewegung des Großkontinents Gondwana über den Südpol in chronologischer Abfolge rekonstruiert werden. Der Kernbereich der Vereisung lag vor 450 bis 440 Millionen Jahren in der heutigen Sahara, wanderte dann westwärts in Richtung Südamerika (Brasilien und unteres Amazonasgebiet) und weitete sich vor 430 Millionen Jahren auf die Region der damals noch nicht existierenden Andenkette aus.

Eine Besonderheit der Anden-Sahara-Eiszeit besteht darin, dass ungeachtet eines CO2-Levels von anfangs 4000 ppm eine langfristige globale Abkühlung einsetzte. Als Erklärungen werden die Kontinentalbedeckung der Antarktis, ein verstärkter Verwitterungseffekt durch das Erscheinen der ersten Landpflanzen sowie eine möglicherweise größere Schwankungsbreite der Erdachse angeführt. Daneben muss vor allem die im Vergleich zur Gegenwart geringere Sonneneinstrahlung berücksichtigt werden, die bei ungefähr 1310 W/m2 lag (Solarkonstante im Holozän 1367 W/m2).[19]

Auf dem Höhepunkt der Vereisungsphase ereignete sich vor 443 Millionen Jahren eines der folgenschwersten Massenausterben der Erdgeschichte. Die Schätzungen zur Aussterberate der davon betroffenen Arten schwanken erheblich und belaufen sich auf bis zu 85 Prozent. Als Grund wird zumeist eine Kombination verschiedener Einflüsse wie die allgemeine Abkühlung, eine Senkung des Meeresspiegels sowie ein starker Vulkanismus angegeben.[20] Alternativ wurde verschiedentlich eine extraterrestrische Ursache in Form eines Gammablitzes vorgeschlagen.[21] Zwar stimmt die rasche Dezimierung der die oberen Meereszonen bewohnenden Organismen mit der Strahlungshypothese überein, es fehlen jedoch darüber hinaus weitere faktische Belege.

Devon

Ansicht einer Waldlandschaft im Devon

Kennzeichen des Devon ist eine biologische Doppelkrise: das Kellwasser-Ereignis an der Frasnium-Famennium-Grenze vor 372 Millionén Jahren und an der Schwelle vom Oberdevon zum Karbon das schwächer ausgeprägte Hangenberg-Aussterben 13 Millionen Jahre später. Von den Ereignissen betroffen waren 70 Prozent aller marinen Lebensformen, vor allem die Faunengruppen flacher tropischer Meere. Die Biodiversität des Phytoplanktons nahm so stark ab, dass die ursprüngliche Artenvielfalt erst im Jura wieder erreicht wurde (Phytoplankton-Blackout).[22]

Als Hauptgrund des devonischen Massenaussterbens gilt eine Abkühlung am Ende der Epoche, entweder als einmaliger abrupter Kälteeinbruch oder als kurzzeitiger Wechsel mehrerer Warm- und Kaltphasen. Ein wichtiger Faktor dieses Klimaumschwungs war mit großer Wahrscheinlichkeit die Verringerung des atmosphärischen CO2-Gehalts. Zu Beginn des Devon noch weit jenseits der 1000-ppm-Marke liegend, wurden erhebliche Mengen Kohlenstoff der Atmosphäre entzogen und in der sich allmählich ausbreitenden Waldvegetation gespeichert.

Der karbonische Tropenwald-Kollaps

In populären Darstellungen ist die „Steinkohlenzeit“ des Karbon oft ein Synonym für feuchtheiße Klimata und tropische Urwälder, die ganze Kontinente bedeckten. Dieses Bild entspricht nur teilweise den damaligen Gegebenheiten. Zwar setzte sich die seit dem Devon bestehende Tendenz zur Bildung ausgedehnter Wald- und Sumpflandschaften bis in das Oberkarbon fort, wobei Bärlapppflanzen wie die Schuppenbäume eine Größe von bis zu 40 Metern erreichten. Doch selbst auf dem Höhepunkt der karbonischen Vegetationsausbreitung gab es in den kontinentalen Zentralbereichen große Trockengebiete mit wüstenähnlichem Charakter. Die globale Temperatur betrug zu Beginn des Karbon 20 °C, nahm jedoch über die Dauer der Periode stetig ab und entsprach mit einem Durchschnittswert von 15 °C ungefähr dem heutigen Niveau.[23] Dieser Abwärtstrend steht in engem Zusammenhang mit dem Permokarbonischen Eiszeitalter (Karoo-Eiszeit), das sich im Unterkarbon mit der beginnenden Vergletscherung der innerhalb des südlichen Polarkreises liegenden Landmassen ankündigte.

Bereits im Silur hatten sich die beiden Kontinente Laurentia (Nordamerika) und Baltica (Nordeuropa und Russische Tafel) zum neuen Großkontinent Laurussia zusammengeschlossen, während auf der südlichen Hemisphäre der bis in antarktische Regionen reichende Großkontinent Gondwana dominierte. Im Laufe des Devon rückten Laurussia und Gondwana immer enger zusammen, um sich im Oberkarbon vor 310 Millionen Jahren zum Superkontinent Pangaea zu vereinigen. Damit verbunden war die mit erhöhtem Vulkanismus einhergehende Variszische Gebirgsbildung, doch das dabei freigesetzte Kohlenstoffdioxid wurde durch Verwitterungsprozesse und vor allem durch die Biomasseproduktion der karbonischen Flora der Atmosphäre rasch wieder entzogen. Demzufolge sank die Kohlenstoffdioxid-Konzentration gegen Ende der Epoche erstmals in der Erdgeschichte unter 400 ppm[24] und fiel wenig später im Perm kurzfrstig auf 300 ppm.[25] Im Gegensatz dazu stieg der Sauerstoff-Anteil auf den Rekordwert von 35 Prozent. Dies trug wesentlich zum Größenwachstum verschiedener Gliederfüßer wie der Riesenlibelle Meganeura bei, barg jedoch die Gefahr großflächiger Waldbrände.[26]

Hypothetische Darstellung des karbonischen Waldsterbens

Vor 305 Millionen Jahren im Kasimovium kam es zum plötzlichen Zusammenbruch der in Äquatornähe angesiedelten Regenwälder (englisch Carboniferous Rainforest Collaps) und damit zum ersten pflanzlichen Massenaussterben.[27] Die tropischen Wälder wurden innerhalb einer kurzen Zeitspanne bis auf einige Vegetationsinseln dezimiert, und ebenso verschwanden viele Feucht- und Sumpfgebiete.[28] Vom Verlust dieser Lebensräume besonders betroffen waren die Amphibien, von denen die meisten Arten ausstarben.[29]

Im späten Karbon und während der Übergangsphase zum Perm entstanden neue Waldbiotope, die an ein kühleres und trockenes Klima mit jahreszeitlich bedingten Temperaturschwankungen angepasst waren. Ein prägnantes Beispiel für diesen Wandel ist die kälteresistente und laubabwerfende Glossopteris-Flora im südlichen Teil von Gondwana, die sich dort zum vorherrschenden Pflanzentypus entwickelte.

Welche Faktoren an der Umweltkrise im Karbon mitwirkten, ist noch nicht hinreichend geklärt. Relativ sicher scheint zu sein, dass sich verschiedene Rückkopplungen im Erdklimasystem zu einem „Tipping-Point“ kumulierten, bei dessen Erreichen der bis dahin stabile Gleichgewichtszustand schlagartig kippte.

Die Perm-Trias-Krise

Gegen Ende des Perm, an der Grenze zur Trias, ereignete sich ein nach geologischen Begriffen rapider Klimawandel mit gravierenden Auswirkungen auf die Artenvielfalt von Flora[27] und Fauna. Als Hauptursache favorisiert werden heftige vulkanische Aktivitäten mit extrem hohen Ausgasungen im Gebiet des heutigen Sibirien, die mehrere Hunderttausend Jahre andauerten und dabei sieben Millionen km² mit Basalt bedeckten (was etwa 80 % der Fläche Australiens entspricht). Bis zum Beginn der Trias starben 96 % aller Meeresbewohner und 75 % der Landlebewesen aus. Davon betroffen waren – ein bis heute singuläres Ereignis – auch zahlreiche Insektenarten. Somit markiert die Perm-Trias-Grenze das wahrscheinlich umfassendste Massenaussterben der Erdgeschichte.

Aussterbe-Ereignisse bei marinen Lebewesen während des Phanerozoikums mit dem „Peak“ der Perm-Trias-Krise in der Mitte

Die Rekonstruktion der Geschehnisse lässt auf mehrere Erwärmungsphasen schließen. Zuerst erhöhte sich die globale Temperatur durch die zunehmende CO2-Konzentration (2000 ppm) in relativ kurzer Zeit um 5 °C. Der Sibirische Trapp emittierte darüber hinaus Millionen Tonnen an giftigem Schwefeldioxid, das als Schwefelsäure im Regenwasser gleichermaßen ozeanische und kontinentale Biotope schädigte. Analysen der 18O/16O-Isotope aus dieser Zeit dokumentieren eine rasche Erwärmung der oberen Meeresschichten um mindestens 8 °C. Die Temperaturzunahme führte nicht nur zur Bildung und Ausbreitung sauerstofffreier Zonen, sondern destabilisierte wahrscheinlich auch die Methanhydrat-Lagerstätten der ozeanischen Schelfgebiete, wodurch große Mengen an Methan in die Atmosphäre diffundierten. Der zusätzliche Eintrag an Treibhausgasen führte zu einem CO2-Äquivalentwert von über 3000 ppm sowie in der nächsten Phase zu einem Temperatursprung von nochmals 5 °C. Der Sauerstoffgehalt sank aufgrund der inzwischen stark dezimierten Vegetationsbedeckung bis auf 15 % oder lag zeitweilig noch darunter.[30][31]

Als eine weitere mögliche Ursache für den Zusammenbruch fast aller Ökosysteme wird die Massenvermehrung von bestimmten marinen Einzellern erwogen, die ihre Stoffwechselprodukte in Form von Halogenkohlenwasserstoffen oder Methan an die Atmosphäre abgaben.[32][33] Die Gesamtdauer des Massenaussterbens wurde bis vor kurzem auf 200.000 Jahre geschätzt, aktuellen Forschungsergebnissen zufolge verringert sich dieser Zeitraum nunmehr auf etwa 60.000 Jahre.[34] Die neue Datenlage spricht für eine plötzliche Naturkatastrophe und macht allmähliche Umweltveränderungen weniger wahrscheinlich.

Über den oder die Auslöser der Perm-Trias-Krise gibt es derzeit mehrere Hypothesen, darunter auch die Annahme eines großen Meteoriteneinschlags.[35] Im Jahr 2006 wurde anhand von Satellitendaten in der südpolaren Wilkesland-Region eine Schwereanomalie festgestellt. Radarbilder lieferten Hinweise auf die Existenz eines 480 km großen Einschlagkraters tief unter dem antarktischen Eisschild mit einem vermutlichen Alter von 250 Millionen Jahren. Damit wäre der Wilkesland-Krater der größte bekannte Impakt der Erdgeschichte, dessen Zerstörungspotenzial das des Chicxulub-Meteoriten an der Kreide-Tertiär-Grenze erheblich übertroffen hätte. Solange jedoch kein direkter Nachweis erfolgt, zum Beispiel durch geologische Tiefenbohrungen, gilt der Wilkesland-Einschlag vorerst als hypothetisches Ereignis.

Ozeanische anoxische Ereignisse

Ein Ozeanisches anoxisches Ereignis (englisch Anoxic Oceanic Event, abgekürzt OAE) beruht auf einem Sauerstoff-Defizit (unter 2 mg/l) in allen Meeresbereichen mit Ausnahme der oberflächennahen Wasserschicht.[36] Nach gegenwärtigem Kenntnisstand traten die letzten OAEs in gemäßigter Form während des Paläozän-Eozän-Temperaturmaximums (PETM) vor mehr als 50 Millionen Jahren auf, sind jedoch relativ häufig im Mesozoikum und sehr wahrscheinlich auch im Paläozoikum mit einer Reihe von Aussterbe-Ereignissen verknüpft.[37] Ein signifikantes anoxisches Ereignis basiert im Normalfall auf mehreren Voraussetzungen:

  • eine atmosphärische Kohlenstoffdioxid-Konzentration von deutlich über 1000 ppm
  • ein weltweit subtropisches bis tropisches Klima und gleichzeitige Erwärmung der Ozeane mit entsprechend reduzierter Sauerstoffbindung (aus dem Oberen Ordivizium ist allerdings ein OAE während einer globalen Abkühlung dokumentiert)
  • eine zum Stillstand gekommene Tiefenwasserzirkulation zwischen den Polarregionen und dem Äquator
  • die Überdüngung der Meere mit festländischen Verwitterungsprodukten aufgrund rasch verlaufender Erosionsprozesse

Zur Zeit gibt es mit stark zunehmender Tendenz einige hundert hypoxische oder anoxische Zonen (englisch oft Dead Zones genannt) mit einer Gesamtausdehnung von rund 250.000 km², wie zum Beispiel die Ostsee, die nördliche Adria oder das Mississippidelta im Golf von Mexiko. Für das kreidezeitliche OAE 2 wird angenommen, dass 5 Prozent der Meere sauerstofffrei waren,[38] wobei im Zuge eines großen Massenaussterbens wie der Perm-Trias-Krise das anoxische Milieu erheblich umfangreicher gewesen sein dürfte.

Ausgeprägte anoxische Ereignisse erstreckten sich zumeist über mehrere hunderttausend Jahre, konnten in Ausnahmefällen aber auch 2 Millionen Jahre oder länger andauern. Regelmäßige Begleiterscheinungen einer Sauerstoffverknappung waren eine das Meerwasser grün färbende Algenblüte sowie die bakterielle Erzeugung von großen Mengen an Schwefelwasserstoff (H2S), dessen Geruch nach faulen Eiern vermutlich weite Küstenbereiche erfasste. Ein Indikator für die Bestimmung anoxischer Ereignisse sind die in einer sauerstofffreien Umgebung entstandenen marinen Schwarzschiefersedimente, die sich aus Faulschlamm am Grund des Ozeans bilden und gehäuft in kreidezeitlichen Ablagerungsschichten vorkommen. Da das Alter der ozeanischen Kruste begrenzt ist, beschränkt sich die Suche nach OAEs vor mehr als 150 bis 200 Millionen Jahren ausschließlich auf das heutige Festland.

Kreide-Tertiär-Grenze

Im Juni 1980 publizierte die Forschungsgruppe um den Physiker und Nobelpreisträger Luis Walter Alvarez und dessen Sohn, den Geologen Walter Alvarez, ihre Entdeckung einer Iridium-Anomalie an der Kreide-Tertiär-Grenze.[39] Die sich daraus ergebende Annahme eines großen Meteoriteneinschlags, der zum Aussterben unter anderem der Dinosaurier führte, war der Beginn einer langen Diskussion über das Für und Wider der von Vater und Sohn Alvarez vorgelegten Hypothese.

Auf der Suche nach der möglichen Einschlagstelle des Impaktors fand man 1991 auf der mexikanischen Halbinsel Yucatán einen verschütteten, 180 km großen Krater tief unterhalb der Ortschaft Chicxulub Puerto. Damit war die wissenschaftliche Kontroverse um den so genannten Chicxulub-Einschlag jedoch nicht beendet. Auch wenn der Krater im Hinblick auf Alter und Größe dem Anforderungsprofil eines „Global Killers“ entsprach, wurde eine Reihe von Gegenhypothesen vorgebracht, darunter jene, dass nicht der Impakt, sondern der magmatische Ausbruch der indischen Dekkan Trapps das Massenaussterben an der KT-Grenze forciert hatte. Zudem schienen Sedimentuntersuchungen zu bestätigen, dass der Chicxulub-Krater 300.000 Jahre vor der eigentlichen KT-Grenzschicht entstanden war.[40]

Diese „Vordatierung“ wurde von Anfang an kritisiert[41] und gilt inzwischen angesichts der jüngsten Forschungsergebnisse als sehr unwahrscheinlich. Die Anwendung verfeinerter Datierungsmethoden und Analysetechniken mit sehr geringen Toleranzbereichen führte zu dem Resultat, dass Impakt-Ereignis und KT-Grenzschicht zeitlich präzise übereinstimmen.[42][43] Auch der nach dem Einschlag aufgetretene Impaktwinter gilt inzwischen als faktisch gesichert.[44] In der Wissenschaft besteht heute überwiegend Einigkeit darüber, dass am Ende der Kreide die Biodiversität und die Stabilität der Ökosysteme im Schwinden begriffen waren, dass es jedoch dem Chicxulub-Einschlag vorbehalten blieb, den Schlusspunkt für die mesozoische Faunenwelt zu setzen.[45]

Darstellung einer Landschaft der späten Kreide (Maastrichtium)

Somit wird ein Szenario als wahrscheinlich betrachtet, dass ein etwa 10 km großer Meteorit mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 40 km/s im Gebiet des heutigen Golf von Mexiko in einem tropischen Flachmeer detonierte.[46] Der Impaktor verdampfte dabei innerhalb einer Sekunde, schleuderte aber durch die Wucht der Explosion, die wahrscheinlich auf dem gesamten Erdball zu vernehmen war, einige tausend Kubikkilometer Carbonat- und Evaporitgestein über weite Strecken als glühende Ejekta bis in die Stratosphäre. Neben den umittelbaren Auswirkungen des Einschlags wie Megatsunamis, einer überschallschnellen Druckwelle sowie Erdbeben im Bereich der Stärke 11 traten weltweit Flächenbrände auf, deren Ausdehnung und Stärke derzeit noch diskutiert wird.[47][48] Innerhalb weniger Tage verteilte sich in der gesamten Atmosphäre eine große Menge an Ruß und Aerosolen, die das Sonnenlicht über Monate hinweg absorbierten und einen globalen Temperatursturz herbeiführten.

Von der nun folgenden biologischen Krise waren die ozeanischen und festländischen Ökosysteme gleichermaßen betroffen. 75 Prozent der Arten fielen dem Massenaussterben zum Opfer, darunter nicht nur die Saurier, sondern auch die Ammoniten, fast alle kalkschalenbildenden Foraminiferen sowie in hohem Ausmaß die Vögel.[49] Nach einer vermutlich mehrere Jahrzehnte dauernden Kältephase begann eine rasche Erwärmung, bedingt durch Milliarden Tonnen Kohlenstoffdioxd, die der Einschlag infolge der Verdampfung ozeanischer Böden freigesetzt hatte. Die Dauer des extremen Treibhhaus-Effekts wird auf rund 50.000 Jahre geschätzt, ehe sich das Klima allmählich wieder normalisierte.[50]

Das Känozoikum

Päläogen

Vorlage:Linkbox Känozoikum (Geologie) Mit dem Känozoikum begann vor 66 Millionen Jahren die Erdneuzeit. Zu Beginn des Paläogens existierte mit den verbundenen Landflächen von Australien, Antarktika und Südamerika noch ein umfangreicher Rest des früheren Großkontinents Gondwana. Dessen endgültiger Zerfall geschah vor 45 Millionen Jahren, als sich Australien von Antarktika löste und Südamerika wenig später diesem Trend folgte. Damit entstand in der südlichen Hemisphäre ein System von Meeresströmungen, das bereits stark dem gegenwärtigen ähnelte.

Das Paläogen mit den drei Serien Paläozän, Eozän und Oligozän ist in mehrfacher Hinsicht von Bedeutung. Zum einen wirken manche der in dieser Zeit begonnenen Entwicklungen bis in die geologische Gegenwart nach, und zum anderen steht eine Reihe der damaligen Ereignisse aufgrund markanter Merkmale im Fokus der Forschung. Klimatologisch ist hierbei das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum von besonderem Interesse, da es ein prägnantes Beispiel für einen abrupten Klimawandel darstellt und deshalb Parallelen zur aktuellen Globalen Erwärmung und deren Folgen aufweisen könnte.

Die nachfolgende Tabelle enthält eine chronologische Darstellung jener Umweltveränderungen, die in relativ dichter Abfolge vor 55 bis 33 Millionen Jahren auftraten.

Bezeichnung Beginn Dauer Auswirkung des Ereignisses
Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM) vor 55,5 Millionen Jahren 200.000 Jahre Extrem hohe und rasche globale Erwärmung einschließlich der Ozeane
Eocene Thermal Maximum 2 (ETM-2) vor 53,7 Millionen Jahren 200.000 Jahre Signifikante globale Erwärmung
Azolla-Ereignis vor 49,0 Millionen Jahren 800.000 Jahre Massenvermehrung des Schwimmfarns Azolla im Arktischen Ozean, Abnahme der atmosphärischen CO2-Konzentration
Chesapeake-Bay-Impakt (Nordamerika) vor 35,5 ±0,3 Millionen Jahren wahrscheinlich kurzzeitige Abkühlung Differierende Angaben zur Kratergröße (40 bis 90 km), Einfluss auf das Klima deshalb ungewiss, Megatsunami
Popigai-Impakt (Sibirien) vor 35,7 (33,7?) Millionen Jahren Eventuell länger andauernde Impaktfolgen Kratergröße 90 bis 100 km, wahrscheinlich Temperatursturz mit Impaktwinter
Eozän-Oligozän-Massensterben (Grande Coupure) vor etwa 33,5 Millionen Jahren Relativ kurzfristiges Ereignis Globale Abkühlung und Aussterbe-Ereignis mit anschließendem Faunenwechsel
  • Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM). Nach der Zäsur des Massenaussterbens an der Kreide-Tertiär-Grenze herrschte im Paläozän zunächst ein trockenes, relativ gemäßigtes Klima, das gegen Ende der Epoche zunehmend tropischer und feuchter wurde. Am Übergang zum Eozän erwärmte sich die Erde in sehr kurzer Zeit um etwa 4 °C in äquatorialen Bereichen und bis zu 10 °C in höheren Breiten. Mehrere Untersuxhungen zeigen, dass die Ozeane während des PETM erhebliche Wärmemengen speicherten. Für subpolare Gewässer (westliche sibirische See) wurden 27° C ermittelt,[51] und Sedimentbohrkerne aus der Küstenregion vor Tansania belegen ein Temperaturmaximum um 40 °C.[52] Dies führte zu einer raschen Versauerung der Meere und zur Entstehung anoxischer Milieus mit nachhaltigen Folgen für die ozeanischen Biotope.[53] Die genaue Ursache des PETM ist nach wie vor unbekannt, wenngleich vielfach vermutet wird, dass freigesetztes Methanhydrat das Ereignis maßgeblich beschleunigt und verstärkt hat. Neuere Studien postulieren eine Kohlenstoff-Injektion in die Atmosphäre von 2000 bis 6000 Gigatonnen und veranschlagen für diesen Prozess nur wenige Jahre.[54]
  • Die Wärmeanomalie des Eocene Thermal Maximum 2 glich in seiner Dauer und Auswirkung dem besser erforschten PETM, könnte jedoch ein etwas geringeres Temperaturniveau als dieses erreicht haben. Aus der Zeit vor 53,6 bis 52,8 Millionen Jahren gibt es Hinweise auf drei weitere und schwächer ausgeprägte Wärmeanomalien, deren wissenschaftliche Untersuchung jedoch erst am Anfang steht. Angaben zur atmosphärischen CO2-Konzentration im Unteren Eozän sind aufgrund der gravierenden und kurzfristigen Klimaschwankungen mit großen Unsicherheiten behaftet, allgemein wird ein Durchschnittswert von über 2000 ppm angenommen.[55]
Großer Algenfarn (Azolla filiculoides)
  • Das Azolla-Ereignis war ein Wendepunkt in der Klimageschichte des Känozoikums und hatte weitreichende Folgen bis in die Gegenwart. 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 vor 49 Millionen Jahren den damaligen Arktischen Ozean auf einer Fläche von 4 Millionen km² „besiedelte“.[56] Da im Eozän das Arktische Meer von anderen ozeanischen Strömungen isoliert war und aufgrund fehlender Durchmischung gewissermaßen zum stehenden Gewässer wurde, entstand vermutlich an seiner Oberfläche durch Regen und den Eintrag der Flüsse eine dünne, aber nährstoffreiche Süßwasserschicht, die ein explosives Wachstum von Azolla ermöglichte.[57] Die schwimmende Vegetationsinsel der Algenfarne existierte mehrere Hunderttausend Jahre lang und bewirkte in dieser Zeit durch die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid und dessen Einbindung in Sedimentationsprozesse eine rapide CO2-Reduktion von 2000 auf 650 ppm. Damit begann eine allmähliche globale Abkühlung, die schließlich in das Känozoische Eiszeitalter überging.
  • Der Chesapeake-Bay-Krater an der Ostküste der USA steht stellvertretend für rund ein Dutzend Einschlagkrater mit einem Durchmesser von deutlich über 10 km, die während des Paläogens entstanden sind.[58] Mit Schwerpunkt im Eozän trat eine Serie von Impakt-Ereignissen in kurzen zeitlichen Abständen auf. Im Gegensatz dazu ist aus dem gesamten Neogen mit dem Ries-Ereignis vor 15 Millionen Jahren nur ein größerer Einschlag belegt. Ahnlich wie der Chesapeake-Bay-Einschlag, über dessen Dimensionen noch diskutiert wird,[59] werfen andere Impakt-Ereignisse aus dieser Zeit ebenfalls viele Fragen hinsichtlich der Datierung und ihres Einflusses auf Umwelt und Klima auf. In der neueren Fachliteratur wird diese Problematik mithilfe von umfangreichem Datenmaterial zunehmend detaillierter erörtert.[60] So könnte nach einer kürzlich publizierten Hypothese die Kollision eines Kometen mit der Erde das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum ausgelöst haben.[54]
  • Der Popigai-Einschlag im nördlichen Sibirien hinterließ einen 90 bis 100 km großen Krater und ist nach dem Chicxulub-Impakt und zusammen mit dem Manicouagan-Ereignis aus der Trias die zweitgrößte Impaktkatastrophe der letzten 500 Millionen Jahre.[61] Je nach Struktur und Zusammensetzung des Meteoriten wird dessen Größe auf 5 bis 8 km geschätzt. Für das Alter des Kraters wurden bisher 35,7 Millionen Jahre errechnet, nach einer neueren Datierung könnte der wahrscheinlichste Wert nun bei 33,7 Millionen Jahren liegen.[62] Danach würde der Popigai-Einschlag mit dem Artensterben des Grande Coupure an der Grenze zwischen Eozän und Oligozän (englisch Eocene-Oligocene Extinction Event) zeitlich weitgehend harmonieren.[63] Neben der plötzlichen Auslöschung von 60 Prozent der europäischen Säugetiergattungen ließe sich auch die abrupte Abkühlung der Ozeane vor etwa 34 Millionen Jahren mit einem oder mehreren Impakten erklären.[64]

Neogen und Quartär

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