Klimahistorie der Erde

Klimahistorie der Erde – vom Schneeball zum Treibhaus

Die Erde hatte nie „das“ Klima. In über vier Milliarden Jahren hat sie fast alles durchgespielt, was ein Planet mit Ozeanen und Atmosphäre zu bieten hat: Phasen, in denen sogar in Polnähe Wälder wuchsen, und Phasen, in denen Gletscher bis an den Äquator reichten. Auf dieser Seite geht es vor allem um den Vereisungsgrad, also darum, wie viel Eis die Erde im Lauf der Zeit getragen hat. Drei Fragen stehen im Mittelpunkt: Wie war das Klima aus erdgeschichtlicher Sicht? War die Erde die meiste Zeit nahezu eisfrei? Und wie konnte sie aus dem „Schneeball“-Zustand, der eigentlich kein Zurück kennt, wieder herauskommen?

Die Bühne: eine wechselnde Sonne und ein träges Thermostat

Zwei Größen bestimmen das Klima über lange Zeiträume: wie viel Energie die Sonne liefert und wie viel davon die Atmosphäre festhält. Die junge Sonne strahlte mit nur etwa 70 Prozent ihrer heutigen Leuchtkraft, im Cryogenium vor rund 700 Millionen Jahren war sie noch etwa 6 Prozent schwächer als heute. Dass es trotzdem von Anfang an flüssige Ozeane gab, wird mit einer deutlich dichteren Treibhaus-Decke erklärt, vor allem mit mehr Kohlendioxid und, in der sauerstoffarmen Frühzeit, mit viel Methan, das von methanbildenden Mikroorganismen erzeugt wurde.

Über Jahrmillionen wirkt dabei ein natürliches Thermostat, der Karbonat-Silikat-Kreislauf. Vulkane geben ständig Kohlendioxid (CO₂) ab. Regen und Verwitterung von Silikatgestein holen es wieder aus der Luft und lagern es als Karbonat am Meeresgrund ab. Wird es wärmer und feuchter, verwittert das Gestein schneller, das CO₂ sinkt, und es kühlt wieder ab. Wird es kälter, läuft die Verwitterung langsamer, das vulkanische CO₂ reichert sich an, und es wird wieder wärmer. Dieses Thermostat ist träge, es arbeitet auf Zeitskalen von Hunderttausenden bis Millionen Jahren. Genau deshalb kann das Klima zwischendurch weit ausschlagen, und genau deshalb kann es sich auch aus extremen Zuständen wieder befreien.

Eishaus und Treibhaus: die zwei Grundzustände

Geologen unterscheiden grob zwei Klimazustände. Im Treibhaus (englisch greenhouse oder hothouse) gibt es keine dauerhaften Eisschilde auf den Kontinenten. Im Eishaus (icehouse) tragen mindestens die Pole große, dauerhafte Eiskappen, und die Erde schwankt zwischen Kalt- und Warmzeiten.

Wir leben heute in einem Eishaus. Seit rund 34 Millionen Jahren liegt dauerhaftes Eis auf der Antarktis, und mit unseren etwa 15 °C globaler Mitteltemperatur zählt die heutige Erde nach den Maßstäben der Erdgeschichte zu den kühlen Phasen. Eine 2024 veröffentlichte Rekonstruktion der letzten 485 Millionen Jahre (PhanDA, Judd et al.) zeigt, wie weit die Spanne reicht: Die globale Mitteltemperatur lag zwischen rund 11 °C in den kältesten und rund 36 °C in den wärmsten Phasen. Zeiten mit ausgeprägtem Treibhausklima über 25 °C machten dabei nach einer Auswertung der Studie knapp 60 Prozent der Zeit aus, ausgesprochene Eishaus-Phasen nur etwa 11 Prozent. Andere Auswertungen, die Zustände anders abgrenzen, kommen für das Phanerozoikum, die letzten gut 540 Millionen Jahre, auf einen Treibhausanteil von mehr als 70 oder sogar rund 80 Prozent. Die genaue Zahl hängt also davon ab, wo man die Grenzen zieht. Die Richtung ist aber in allen Studien dieselbe: Das Treibhaus war der häufigere Zustand.

War die Erde die meiste Zeit nahezu eisfrei?

Die ehrliche Antwort lautet: Im Großen und Ganzen ja, aber „nahezu eisfrei“ muss man mit Vorsicht lesen.

Die letzten 540 Millionen Jahre (Phanerozoikum). Hier sind die Daten am besten. Es gab nur zwei lange Eishaus-Phasen: das Spätpaläozoische Eiszeitalter (etwa 340 bis 280 Millionen Jahre vor heute), in dem der Südkontinent Gondwana vergletscherte, und die heutige känozoische Phase. Dazwischen lag das Erdmittelalter mit seinem langen Treibhausklima. Die Kreidezeit ist dafür das Musterbeispiel: Vor rund 90 Millionen Jahren wuchs ein Regenwald in der Nähe des Südpols, bei CO₂-Werten, die auf grob 1.100 bis 1.700 ppm geschätzt werden. Selbst die Antarktis war später, im Eozän, noch von Wäldern bedeckt, bevor vor rund 34 Millionen Jahren bei sinkendem CO₂ das Eis kam. Auch kürzere Vereisungen wie die spätordovizische vor rund 445 Millionen Jahren gab es, aber sie sind die Ausnahme.

Wichtig ist eine Einschränkung: Das Erdmittelalter war nicht durchgehend und überall eisfrei. Die CO₂-Rekonstruktionen für die Kreide streuen enorm, von wenigen hundert bis über 2.000 ppm, und eine Studie von 2024 findet Hinweise auf kleinere bis größere Eisschilde in südlichen Polargebieten während großer Teile der frühen Kreide, die bei Vulkanausbrüchen zeitweise abschmolzen. Das Bild der „ewig eisfreien Pole“ ist also eher eine Faustregel als ein gesicherter Befund.

 

Davor (Präkambrium). Hier wird die Datenlage dünn, und das Bild ist überraschend. Zwischen den frühen Vereisungen im Paläoproterozoikum (vor etwa 2,4 bis 2,2 Milliarden Jahren) und den Schneebällen des Neoproterozoikums (vor etwa 720 bis 635 Millionen Jahren) liegt eine Lücke von rund 1,5 Milliarden Jahren, in der praktisch keine Eisschilde bekannt sind. Ihr Kern ist das „Boring Billion“, die Zeit zwischen etwa 1,8 und 0,8 Milliarden Jahren vor heute. Sie gilt als geologisch und klimatisch ungewöhnlich ruhig, ohne eindeutige Hinweise auf große Vereisungen, und das, obwohl die Sonne damals 5 bis 18 Prozent schwächer strahlte als heute. Warum das Klima so stabil blieb, ist offen. Zwei Geologen haben 2024 vorgeschlagen, die Epoche lieber „Balanced Billion“ zu nennen, weil „langweilig“ ein Werturteil ist. Dazu passt auch die Warnung, dass Gletscherspuren aus so alter Zeit leicht verloren gehen: Aus der Zeit um eine Milliarde Jahre vor heute wurden vereinzelt Hinweise auf Eis berichtet, die „keine Vereisung“ zumindest relativieren.

 

Das Fazit: Über den größten Teil der Erdgeschichte trug unser Planet vermutlich keine großen, dauerhaften Eisschilde. Das Eishaus ist die Ausnahme, und wir leben mitten in einer. Eine belastbare Prozentzahl für die gesamte Erdgeschichte gibt es allerdings nicht. Die Zahlen von 60 bis 80 Prozent gelten für die letzten 485 bis 540 Millionen Jahre, also nur für gut ein Zehntel der Erdgeschichte. Dass die Zeit davor ähnlich warm war, ist plausibel und für das Boring Billion gut belegt, aber für das Archaikum bleibt es eine Annahme. „Nahezu eisfrei“ wäre außerdem zu glatt, denn Gebirgsgletscher und saisonales Eis hat es wohl fast immer gegeben.

Wie kam es zur Schneeball-Erde?

Die Idee, dass die Erde einmal fast vollständig gefroren war, hat Anfang der 1990er Jahre der Geophysiker Joseph Kirschvink als „Snowball Earth“ formuliert. Paul Hoffman und Kollegen haben sie 1998 in Science für das Neoproterozoikum ausgearbeitet. Ausgangspunkt waren verblüffende Funde: Gesteine eiszeitlichen Ursprungs, die nach paläomagnetischen Messungen in Äquatornähe entstanden sind, dazu Dropstones (von Eis ins Meer getragene Steine), Bändereisenerze und die rätselhaften Cap-Carbonate, Kalk- und Dolomitschichten, die direkt auf den Eiszeitablagerungen liegen.

 

Es gab zwei große Episoden im Cryogenium: die Sturtian-Vereisung (rund 717 bis 659 Millionen Jahre vor heute, also etwa 58 Millionen Jahre lang) und die kürzere Marinoan-Vereisung, die vor etwa 635 Millionen Jahren endete. Ihre Dauer wird je nach Studie mit mindestens 5, nach manchen Schätzungen mit bis zu 15 oder 20 Millionen Jahren angegeben. Zwischen beiden lag nur eine Warmphase von 9 bis 19 Millionen Jahren. Benannt sind sie nach dem Sturt Gorge und den Marino Rocks bei Adelaide in Südaustralien.

Als Auslöser gelten mehrere zusammenwirkende Faktoren:

  • Kontinente in den Tropen. Der Superkontinent Rodinia zerbrach, und viele Landmassen lagen nahe dem Äquator. In feuchtwarmem Klima verwittert Gestein besonders schnell und entzieht der Luft dabei CO₂. Für die Sturtian-Vereisung wird zudem der Magmatismus der äquatorialen Franklin-Provinz diskutiert, dessen Basalte besonders verwitterungsfreudig sind. Modellrechnungen deuten außerdem darauf hin, dass zeitweise geringe vulkanische CO₂-Nachlieferung die Absenkung auf Werte unter etwa 200 ppm begünstigt haben könnte.
  • Eine schwächere Sonne. Im Cryogenium strahlte die Sonne etwa 6 Prozent schwächer als heute.
  • Die Eis-Albedo-Rückkopplung. Eis und Schnee werfen viel Sonnenlicht zurück. Sobald die Eisgrenze weit genug in Richtung Äquator wandert, kippt das System: Mehr Eis bedeutet mehr Reflexion, mehr Reflexion bedeutet Abkühlung, und die Abkühlung bringt noch mehr Eis.
  • Biologie als Taktgeber. Eine einflussreiche Hypothese (Tziperman et al. 2011) macht Lebewesen mitverantwortlich: Wenn größere, schwerere eukaryotische Algen mehr organisches Material in die Tiefe sinken ließen, wurde dort mehr Kohlenstoff begraben und der Atmosphäre entzogen. Das hätte das CO₂ abgesenkt und die Erde in die Eiszeit gekippt. Belegt ist das nicht, aber es erklärt, warum die Schneebälle gerade im späten Neoproterozoikum auftraten.

Ein früherer Fall hatte vermutlich eine biologische Ursache: Als Cyanobakterien die Atmosphäre mit Sauerstoff anreicherten (Große Sauerstoffkatastrophe, etwa 2,4 Milliarden Jahre vor heute), wurde das treibhauswirksame Methan oxidiert. Die Wärmedecke wurde dünner, und es kam zu den Huronischen Vereisungen. Ob das schon ein echter Schneeball war, ist umstritten. Als Kandidat gilt die Makganyene-Vereisung vor etwa 2,22 Milliarden Jahren.

Warum war der Zustand eigentlich „irreversibel“?

Die Schneeball-Erde ist ein Lehrbuchbeispiel für eine Hysterese: Der Weg hinein ist nicht derselbe wie der Weg hinaus. Ist der Planet erst einmal von hellem Eis überzogen, reflektiert er so viel Sonnenlicht, dass selbst die heutige Sonneneinstrahlung nicht mehr ausreichen würde, um ihn aufzutauen. Es fällt kaum Regen, und die Verwitterung, die normalerweise CO₂ aus der Luft nimmt, kommt zum Erliegen. Die Erde sitzt in einer Kältefalle. Streng genommen war der Zustand also nicht „irreversibel“, sondern nur durch den Mechanismus selbst blockiert: Genau der Prozess, der das CO₂ entfernt, wurde vom Eis abgeschaltet.

 

 

 

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Schneeball-Erde – die Oberfläche war zum großen Teil oder komplett mit Eis und Schnee bedeckt.

Der Ausweg: Vulkane, Geduld und ein Treibhaus-Schock

Der Schlüssel zur Befreiung war die Plattentektonik. Auch unter einem eisbedeckten Planeten arbeiten die Vulkane weiter und blasen CO₂ in die Atmosphäre. Normalerweise verschwindet es durch Verwitterung wieder, unter dem Eispanzer aber fehlt diese Senke. Das CO₂ sammelt sich deshalb über Millionen bis Zehnermillionen Jahre an. Geochemische Daten legen nahe, dass die Konzentration am Ende der Marinoan-Vereisung in der Größenordnung des Hundertfachen des heutigen Niveaus lag, klassische Modellrechnungen sprechen von mehreren Prozent der Atmosphäre. Die Sturtian-Vereisung dauerte deutlich länger, vermutlich weil bei ihr ein größeres Eisvolumen oder eine stärkere Hysterese zu überwinden war und entsprechend mehr CO₂ nötig wurde.

Ab einer kritischen Schwelle kippt das System wieder, nur diesmal in die andere Richtung. Das Eis schmilzt, das dunkle Meer nimmt mehr Sonnenlicht auf, Wasserdampf verstärkt den Effekt, und die Eis-Albedo-Rückkopplung läuft rückwärts, geologisch gesehen in einem Wimpernschlag von vermutlich nur einigen Jahrtausenden. Auch Staub, der sich auf dem Eis anreicherte, dürfte die Oberfläche abgedunkelt und den Prozess unterstützt haben.

Auf den Schneeball folgte ein extremes Treibhaus. Die Verwitterung schoss in die Höhe, spülte große Mengen Alkalinität ins Meer und führte zur Ausfällung der Cap-Carbonate, jener Kalk- und Dolomitschichten, die man heute weltweit über den Eiszeitablagerungen findet. Ihre auffällig niedrigen Kohlenstoff-Isotopenwerte dokumentieren den raschen chemischen Umbruch des Ozeans. Nach einigen Millionen Jahren hatte die Verwitterung das überschüssige CO₂ wieder aus der Luft geholt und die Erde in einen gemäßigten Zustand zurückgebracht. Das natürliche Thermostat funktioniert also auch dann, wenn es zeitweise überfordert ist.

Wirklich eine harte Kugel? Die Slushball-Debatte

Ganz Konsens ist das Bild nicht. Die Hard-Snowball-These geht von einer fast vollständig gefrorenen Erde aus, mit Eisschilden, die in allen Breiten bis auf Meereshöhe reichten, und mit Meereis von einigen hundert Metern Dicke. Dafür sprechen die paläomagnetischen Daten, die weltweit gleichzeitigen Enden der Vereisungen und die Chemie der Cap-Carbonate. Die Slushball-These hält dagegen: Um den Äquator blieb ein Band offenen Wassers. Klimamodelle, unter anderem am NASA-Institut GISS, zeigen, dass die globale Mitteltemperatur um rund 12 °C unter den Gefrierpunkt fallen kann, ohne dass der Ozean komplett zufriert. Eine Studie von 2023 findet außerdem Hinweise auf offenes Wasser in niederen und mittleren Breiten während der Marinoan-Vereisung. Das würde auch erklären, wie lichtabhängige Algen die Millionen Jahre überstanden haben. Die Verfechter des harten Schneeballs entgegnen, dass Modelle ohne vollständige Vereisung die Cap-Carbonate und die abrupten Enden nicht erklären.

Wahrscheinlich ist die Wahrheit differenziert. Die beiden Vereisungen waren unterschiedlich lang, und womöglich war das Eis nicht in beiden gleich dicht oder gleich weit vorgedrungen. Offen bleibt auch, wie viel „Schneeball“ im Einzelnen nötig ist, um die geologischen Spuren zu erklären.

Ein evolutionärer Neustart?

Dass das Leben auch die Schneebälle überstand, ist gesichert. Möglicherweise hat es davon sogar profitiert. Als Rückzugsräume kommen Schmelzwassertümpel auf dem Eis, offene Wasserflächen und die Umgebung heißer Quellen infrage. Die frühesten Hinweise auf Tiere, chemische Fossilien von Schwämmen und tierische Embryonen, stammen aus dem Umfeld der Vereisungen. Die Schwamm-Biomarker sind spätestens in der Warmphase zwischen Sturtian und Marinoan nachweisbar. Nach dem Ende der Marinoan-Vereisung folgten die Ediacara-Fauna und schließlich die kambrische Explosion. Ob der Frost-Hitze-Zyklus diesen Schub ausgelöst hat, ist Gegenstand intensiver Forschung und keineswegs entschieden. Kritiker weisen darauf hin, dass ein „harter“ Schneeball viele Organismen hätte aussterben lassen müssen, wofür es im Fossilbericht keine Spuren gibt.

Vom Treibhaus ins heutige Eishaus

Nach den Schneebällen kehrte die Erde zu ihrem Wechselspiel zurück. Im Spätpaläozoikum vergletscherte Gondwana, danach folgte das lange Treibhaus des Erdmittelalters. Der jüngste große Umschwung fand vor etwa 34 Millionen Jahren statt, an der Grenze von Eozän zu Oligozän. Innerhalb von rund einer halben Million Jahren wuchs auf der Antarktis ein kontinentaler Eisschild, begleitet von sinkendem CO₂. Eine Studie nennt als Schwelle für die Vereisung etwa 760 ppm, Modellvergleiche sprechen für einen Rückgang von rund 910 auf 560 ppm. Hinzu kamen Veränderungen der Meeresströmungen. In der Folge sank das CO₂ weiter, von etwa 1.500 ppm im Eozän auf rund 500 ppm im Miozän. Vor etwa 2,6 Millionen Jahren begannen im Quartär auch auf der Nordhalbkugel die Eiszeitzyklen, in denen der CO₂-Gehalt zwischen rund 180 ppm in den Kaltzeiten und rund 280 ppm in den Warmzeiten pendelte. Diese Kalt- und Warmzeiten sind aus erdgeschichtlicher Sicht kurze Schwankungen innerhalb des längst bestehenden Eishauses.

Gedankenspiele: Pionier, Maverick und ein Blick über den Tellerrand

Dieser Abschnitt ist bewusst kein Konsens, sondern Denkmaterial. 

 

Pionier: Die Erde als Kippsystem mit biologischem Taktgeber.

Die Standarderzählung betont die Stabilität des Thermostats. Aus anderer Sicht ist die Erde eher ein System, das mehrere Kipppunkte kennt, von denen einige biologisch ausgelöst wurden: Der Sauerstoff der Cyanobakterien zerstörte die Methan-Decke und löste die frühen Vereisungen aus, die Algen des Neoproterozoikums könnten per Kohlenstoff-Export die späteren Schneebälle mit vorbereitet haben. Für das Ende der Vereisungen diskutieren manche Forscher zusätzlich eine Destabilisierung von Methanhydraten. Dazu passt die Beobachtung, dass die Eishäuser des Phanerozoikums offenbar nicht von einem einzelnen Mechanismus, sondern von mehreren gleichzeitig wirkenden Abkühlungsprozessen der festen Erde getragen wurden (Lage der Kontinente, Gebirgsbildung, Gesteinsverwitterung). CO₂ wäre dann weniger der Dirigent als der Verstärker, und Eisbedeckung eher ein stufenloser Regler als ein Schalter.

Maverick: Der Schneeball als Uhr, die klemmt

Die Frage unterstellt, der Schneeball sei eine Falle, aus der die Erde sich wie durch ein Wunder befreit. Ich kehre das um und denke an John Harrison, den autodidaktischen Tischler und Uhrmacher des 18. Jahrhunderts, der Jahrzehnte lang von einer Uhr besessen war, die auf einem schwankenden Schiff die Zeit hält. Sein Durchbruch war ein Streifen aus zwei Metallen, der sich bei Hitze und Kälte verbiegt und so die Temperaturfehler der Uhr ausgleicht. Die Erde hat so einen Streifen, den Verwitterungs-Thermostat. Im Schneeball stößt der Ausgleich an seinen Anschlag und klemmt, weil Eis die Verwitterung abstellt. Die Antriebsfeder, der vulkanische CO₂-Nachschub, läuft weiter und spannt sich Jahrmillionen lang, bis sich alles in einem einzigen Ruck löst. Nach diesem Bild ist nicht die Befreiung das Rätsel, sondern die Annahme, die Erde sei ein Planet, der Wärme „will“. Sie wäre dann ein Kippschwinger, bei dem das Eis nicht der Unfall ist, sondern das Aufziehen der Feder, und Wärme der Rückschlag. Das ist ein Gedankenspiel und kein Befund, und es kann falsch sein: Für einen solchen Oszillator-Charakter gibt es im Känozoikum keinen Beleg. Eine ähnliche Idee wurde als Bild vom „Alchemisten“ vorgeschlagen, der die Erde absichtlich überhitze und abkühle, um Neues zu erschaffen. Das ist ein schönes Bild, unterstellt aber eine Absicht, die die Naturwissenschaft ausschließt. Die Erde plant nicht, sie reagiert.

Ein Blick über den Tellerrand

Wenn Schneebälle nicht nur intern, sondern auch kosmisch getaktet wären, etwa durch den Lauf der Sonne durch die Spiralarme der Milchstraße und die dabei wechselnde kosmische Strahlung, die die Wolkenbildung beeinflussen könnte? Diese Idee ist tatsächlich vorgeschlagen worden (Shaviv und Veizer 2003, ein Zyklus von rund 140 Millionen Jahren). Spätere Auswertungen konnten die behauptete Korrelation nicht bestätigen, und die Abstände der Cryogenium-Vereisungen passen ohnehin schlecht zu so langen Perioden. Für mich ist sie ein Beispiel dafür, wie Erdgeschichte und Astronomie zusammenhängen könnten, nicht mehr.

Was bleibt

Die Klimahistorie der Erde zeigt vor allem drei Dinge. Erstens: Die Erde pendelt zwischen Treibhaus und Eishaus, und der Treibhaus-Zustand war über weite Zeiträume der häufigere. Zweitens: Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre ist über Jahrmillionen die zentrale Stellschraube, im Zusammenspiel mit der Lage der Kontinente, der Sonnenstrahlung, dem Leben und dem Eis-Albedo-Effekt. Drittens: Selbst aus dem scheinbar ausweglosen Schneeball-Zustand fand die Erde heraus, weil Vulkane weiterliefen und das Thermostat aus Vulkanismus und Verwitterung über Jahrmillionen Kältefallen nicht ewig halten ließ. Wer die heutige Klimadebatte einordnen will, sollte diese Zeitskalen im Kopf haben: Die Prozesse der Erdgeschichte laufen über Jahrtausende bis Jahrmillionen, und Rückschlüsse auf die Gegenwart sind nur mit Vorsicht zu ziehen.

Quellen und weiterführende Literatur

 

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