Kaltzeit

Computergenerierte Ansicht der Erde während der letzten Kaltzeit
Eisbohrkerndaten und die Kalt- und Warmzeiten des Quartärs

Als Kaltzeit oder Kryomer bezeichnet man in Klimageschichte und Geologie einen Zeitraum innerhalb eines Eiszeitalters mit im Durchschnitt tieferen Temperaturen zwischen zwei Zeitabschnitten mit durchschnittlich höheren Temperaturen, sogenannten Warmzeiten. Die Ausdrücke Eiszeit und Glazial werden zum Teil synonym dazu verwendet, zum Teil auch auf Phasen mit weiter ausgedehnter Vereisung beschränkt.[1][2][3]

Die Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten innerhalb der letzten Million Jahre ist oszillierend mit einer Periodizität von etwa 100.000 Jahren.[4]

Dieselbe Kaltzeit wird in verschiedenen Regionen der Erde meist unterschiedlich benannt. So wird die letzte Kaltzeit mit ihrem Maximum vor etwas mehr als 20.000 Jahren im nördlichen Mitteleuropa als Weichsel-, im nördlichen Alpenraum als Würm-, in Nordrussland als Waldai-, in Sibirien als Zyryanka-, auf den Britischen Inseln als Devensian-, auf Irland als Midlandian-, in Nordamerika als Wisconsin-, in Venezuela als Mérida-, in Chile als Llanquihue- und in Neuseeland als Otira-Kaltzeit bezeichnet.

Sedimentablagerungen während Glazialen

Material aus Gletscherbächen oder Schmelzwässern des Inlandeises wird zwar vom fließenden Wasser abgelagert; ihre Entstehung ist aber an das Vorkommen von Gletschern geknüpft. Diese Erscheinungen werden glazifluvial, glazifluviatil oder fluvioglazial genannt, je nachdem ob die Aktion des Eises oder des fließenden Wassers im näheren Umfeld dominiert. Hierzu gehören die Übergangskegel in Gletschernähe, deren Gerölle im Allgemeinen noch wenig gerundet sind. Die Materialsortierung ist zwar bereits vorhanden aber undeutlich. Mit zunehmender Entfernung vom Gletscher sind die glazifluvialen Ablagerungen zwar rein fluviatil, jedoch ohne den Gletscher nicht zu erklären. Bekannt sind die Sander in Norddeutschland.

Die glaziäolischen Ablagerungen verdanken ihre Bildung dem Wind und dem Gletscher, aus dessen Vorland ihr Material stammt. In Mitteleuropa gehören dazu der Löss sowie Flugsandablagerungen (Düne).

Glaziolimnische Ablagerungen werden im Becken eines Sees abgelagert, der durch das Eis aufgestaut wird. Auch hier ist die Entstehung der Ablagerungen ohne den Gletscher nicht denkbar.

Material, das durch Gletscher und Gletscherflüsse im Meer abgelagert worden ist, bezeichnet man als glazimarin.

Ursachen

Diagramm der Milanković-Zyklen im Verlauf der letzten 1 Million Jahre, mit den Zyklen der Präzession (Precession) und der Neigung der Erdachse (Obliquity) sowie der Exzentrizität der Erdbahn (Excentricity). Zudem aufgetragen sind die Schwankungen der Intensität der Solarstrahlung (Solar Forcing) sowie die Kalt- und Warmzeiten des jüngeren Pleistozäns (Stages of Glaciation).

Die Suche nach den Ursachen für die beinahe regelmäßigen Wechsel von Glazial- und Interglazialstadien innerhalb des derzeitigen Eiszeitalters gehört auch heute noch zu den Herausforderungen für die Paläoklimatologie. Sie ist eng mit den Namen James Croll und Milutin Milanković verbunden. Beide hatten Ideen des Franzosen Joseph-Alphonse Adhémar aufgegriffen, wonach Veränderungen der Erdbahngeometrie für wiederkehrende Kaltzeiten verantwortlich seien.

Die Veränderung der Erdbahngeometrie wird durch wechselseitige Gravitationskräfte im System Sonne, Planeten, 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 20.930 Jahren wieder dieselbe Position auf der Ellipse einnimmt (Tropische Apsidendrehung). Durch diese sogenannten 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 Kaltzeiten, wo sie am offensichtlichsten sind, in den hohen nördlichen Breiten.

Die Variationen der Erdbahnparameter (Milanković-Zyklen) waren Auslöser und geeignete Randbedingungen, deren Wirkung aber noch durch andere Faktoren verstärkt wurde. So werden als eine Ursache für den Beginn sowohl der antarktischen wie der nordhemisphärischen Vereisung tektonische Vorgänge und deren Einfluss auf die ozeanische Zirkulation angenommen.[5] Außerdem ist der CO2-Gehalt der Atmosphäre ein wesentlicher Faktor, der mit den Temperaturschwankungen eine enge Kopplung aufweist, wie verschiedene Untersuchungen von Eisbohrkernen der Antarktis und Grönlands, die Eis der letzten 800.000 Jahre enthalten, belegen.[6] Danach soll die Konzentrationsabnahme des Treibhausgases Kohlendioxid (zusammen mit Methan und Distickstoffoxid) für ca. ein Drittel der Temperaturveränderung zwischen Warm- und Kaltzeit stehen,[7] nach einer jüngeren Veröffentlichung sogar für die Hälfte.[8] Andere positive Feedbackprozesse wie die Eis-Albedo-Rückkopplung, die Vegetationsbedeckung und die Variabilität des Wasserdampfgehaltes in der Atmosphäre spielten eine zusätzliche Rolle. Für die Schwankungen in den Kaltzeiten zwischen sogenannten Stadialen und Interstadialen werden Rückkopplungseffekte im Zusammenhang mit der thermohalinen Zirkulation angenommen.

Nach heutigem Forschungsstand sind die von Milanković nachgewiesenen Zyklen zwar für Temperaturdepressionen verantwortlich, doch bedingen diese nur eine Abnahme von wenigen Zehntel Kelvin, erfassen nur eine Hemisphäre und waren darüber hinaus auch schon im Präkambrium präsent, wo es nach heutigem Wissensstand nicht zu einem solch markanten Wechsel von Warm- und Kaltzeiten kam. Auch ist letztlich ungeklärt, warum der Wechsel zwischen Warm- und Kaltzeiten bis vor etwa einer Million Jahren im Rhythmus von 41.000 Jahren, dann seit der sogenannten Mid-Pleistocene Revolution aber alle 100.000 Jahre erfolgte. Die Periodendauer von 41.000 Jahren wird mit der Schwankung der Erdachsenneigung in Zusammenhang gebracht, während die Periodendauer von 100.000 Jahren mit der Exzentrizität der Erdbahn in Zusammenhang stehen könnte, dabei aber die bei weitem schwächste der von Milanković vorhergesagten Frequenzen ist. Man nimmt an, dass Verstärkungen der Milanković-Zyklen durch Prozesse innerhalb des Erdklimas verantwortlich dafür sind. Daher müssen mehrere Ursachen, die sowohl exogenen als auch endogenen Ursprungs sind, für die pleistozänen Wechsel verantwortlich gemacht werden. Das Zusammenspiel von tektonischen, astronomischen, ozeanischen und klimatischen Prozessen muss dabei unbedingt beachtet werden, da jeder einzelne Prozess nicht in der Lage ist, globale Kaltzeiten hervorzurufen.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Jürgen Ehlers: Allgemeine und historische Quartärgeologie. Enke, Stuttgart 1994, ISBN 3-432-25911-5.
  2. [1]
  3. Murawski, H., Meyer, W. (2004): Geologisches Wörterbuch. Spektrum Akademischer Verlag, 11. Auflage, 262 S. ISBN 3-8274-1445-8
  4. Handbook of Paleoanthropology: Vol I:Principles, Methods and Approaches Vol II:Primate Evolution and Human Origins Vol III:Phylogeny of Hominids. Springer Science & Business Media, 2007, ISBN 978-3-540-32474-4, S. 362 (books.google.de).
  5. Gerald Haug, Ralf Tiedemann & Rainer Zahn: Vom Panama-Isthmus zum Grönlandeis. In: Spektrum der Wissenschaft. November 1998
  6. Dieter Lüthi, Martine Le Floch, Bernhard Bereiter, Thomas Blunier, Jean-Marc Barnola, Urs Siegenthaler, Dominique Raynaud, Jean Jouzel, Hubertus Fischer, Kenji Kawamura & Thomas F. Stocker: High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present. In: Nature. Vol. 453, S. 379–382, doi:10.1038/nature06949
  7. Eystein Jansen & Jonathan Overpeck et al.: Palaeoclimate. In: IPCC Fourth Assessment Report. 2007 (PDF; 8,1 MB – 6.4.1 und Figure 6.5)
  8. James Hansen, Makiko Sato, Pushker Kharecha, David Beerling, Robert Berner, Valerie Masson-Delmotte, Mark Pagani, Maureen Raymo, Dana L. Royer & James C. Zachos: Target Atmospheric CO2: Where Should Humanity Aim? In: The Open Atmospheric Science Journal. Vol. 2, 2008, S. 217–231, doi:10.2174/1874282300802010217 (PDF; 1,4 MB)

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Milankovitch Variations.png
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This figure shows the variations in Earth's orbit, the resulting changes in solar energy flux at high latitude, and the observed glacial cycles.

According to Milankovitch Theory, the precession of the equinoxes and the apsides, variations in the tilt of the Earth's axis (obliquity) and changes in the eccentricity of the Earth's orbit are responsible for causing the observed 100 kyr cycle in ice ages by varying the amount of sunlight received by the Earth at different times and locations, particularly high northern latitude summer. These changes in the Earth's orbit are the predictable consequence of interactions between the Earth, its moon, and the other planets.

The orbital data shown are from Quinn et al. (1991). Principal frequencies for each of the three kinds of variations are labeled. The solar forcing curve (aka "insolation") is derived from July 1st sunlight at 65 °N latitude according to Jonathan Levine's insolation calculator [1]. The glacial data are from Lisiecki and Raymo (2005) and gray bars indicate interglacial periods, defined here as deviations in the 5 kyr average of at least 0.8 standard deviations above the mean.
IceAgeEarth.jpg
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Earth at the last glacial maximum of the current ice age. Based on: "Ice age terrestrial carbon changes revisited" by Thomas J. Crowley (Global Biogeochemical Cycles, Vol. 9, 1995, pp. 377-389
Atmospheric CO2 with glaciers cycles.png

Ice Core data for Atmospheric CO2 related to the glacial cycles
This graph shows the newest Ice Core data for Atmospheric CO2 from air bubbles in the ice. I tried to connect it to the glacial cycles by marking 230 ppm as a transition level and colored "glacial periods" blue and interglacial periods yellow. There's a clear 80,000-110,000 period of repeating glacier even if they vary in quality.

Human deforestation and burning of fossil fuel has raised atmospheric CO2 to over 380 ppm in the last century, well above pre-industrialized levels, and "off the scale" of this graph top.