Die Klimageschichte der Erde ist eine komplexe Abfolge von Warm- und Kaltzeiten, die durch geologische, astrophysikalische und biologische Prozesse beeinflusst wurde. Im Fokus auf Schnee und Eis sowie die Phasen, in denen die Erde schneefrei oder komplett vereist war, lässt sich die Klimageschichte, die eingebettet ist in die Entstehung der Erde, chronologisch wie folgt zusammenfassen. Ich werde die wichtigsten Epochen und Ereignisse hervorheben, insbesondere in Bezug auf die Eisbedeckung.
1. Hadaikum (ca. 4,6–4,0 Milliarden Jahre vor heute)
Klima und Eis: Die Erde war zunächst ein glühender Haufen aus geschmolzenem Material, da sie durch Kollisionen und radioaktiven Zerfall stark erhitzt war. Es gab weder Schnee noch Eis, da die Oberflächentemperaturen weit über dem Gefrierpunkt lagen. Nach etwa 100 Millionen Jahren begann die Erde abzukühlen, und flüssiges Wasser bildete die ersten Ozeane (ca. 4,4 Milliarden Jahre).
Schneefrei oder vereist? Komplett schneefrei, da die Bedingungen für Eisbildung fehlten. Die Atmosphäre war dicht, reich an Treibhausgasen wie CO₂ und Methan, was hohe Temperaturen begünstigte.
2. Archaikum (ca. 4,0–2,5 Milliarden Jahre vor heute)
Klima und Eis: Die Erde hatte flüssige Ozeane, aber die Atmosphäre enthielt kaum Sauerstoff und war von Treibhausgasen dominiert. Es gibt keine eindeutigen Beweise für Gletscher oder Eis in dieser Zeit, da die Sonne etwa 25–30 % schwächer war („schwache junge Sonne“), aber hohe CO₂- und Methankonzentrationen eine warme Erde aufrechterhielten.
Schneefrei oder vereist? Wahrscheinlich schneefrei. Geologische Hinweise auf Gletscher (z. B. Tillite, Gletscherspuren) fehlen, was auf ein überwiegend warmes Klima hinweist.
3. Proterozoikum (ca. 2,5 Milliarden–541 Millionen Jahre vor heute)
Das Proterozoikum ist entscheidend für die Klimageschichte, da hier die ersten nachweisbaren Vereisungen stattfanden, einschließlich der extremen „Schneeball-Erde“-Phasen.
a. Huronische Vereisung (ca. 2,4–2,1 Milliarden Jahre)
Klima und Eis: Dies war die erste bekannte Vereisung der Erde, wahrscheinlich ausgelöst durch den „Großen Sauerstoffereignis“ (Great Oxygenation Event). Cyanobakterien produzierten Sauerstoff, der Methan in der Atmosphäre oxidierte, wodurch die Treibhauswirkung abnahm. Geologische Beweise (z. B. Tillite in Kanada) deuten auf Gletscher hin, die bis in niedrige Breiten reichten.
Schneefrei oder vereist? Teilweise vereist, aber keine vollständige Vereisung. Die Erde hatte wahrscheinlich regionale Eiskappen, aber tropische Ozeane blieben eisfrei.
b. Kryogenium: Schneeball-Erde (ca. 720–635 Millionen Jahre)
Klima und Eis: Das Kryogenium war die intensivste Vereisungsphase in der Erdgeschichte, bekannt als „Schneeball-Erde“. Zwei große Vereisungen (Sturtian, ca. 720–660 Mio. Jahre, und Marinoan, ca. 650–635 Mio. Jahre) führten dazu, dass die Erde nahezu komplett mit Eis bedeckt war. Gletscher reichten bis in die Tropen, und die Ozeane waren größtenteils zugefroren. Diese Phasen wurden durch einen Rückkopplungseffekt (Albedo: Eis reflektiert Sonnenlicht, was die Abkühlung verstärkt) und niedrige CO₂-Konzentrationen ausgelöst. Vulkanische Aktivität und CO₂-Anreicherung beendeten die Vereisungen.
Schneefrei oder vereist? Nahezu komplett vereist. Es gibt Debatten, ob kleine eisfreie Zonen („Slushball“-Hypothese) in den Tropen existierten, aber die Mehrheit der Beweise spricht für eine globale Eisbedeckung.
Die Erde war mutmaßlich einmal komplett mit Schnee und Eis überzogen. Während dieser Phase der Schneeball-Erde waren selbst die tropischen Ozeane mit dickem Eis bedeckt.
c. Nach dem Kryogenium (Ediacarium, ca. 635–541 Mio. Jahre)
Klima und Eis: Nach dem Ende der Marinoan-Vereisung erwärmte sich die Erde schnell, und es gibt keine Hinweise auf großflächige Gletscher. Die Atmosphäre wurde durch vulkanisches CO₂ wieder wärmer.
Schneefrei oder vereist? Größtenteils schneefrei, mit möglichen kleineren regionalen Vereisungen (z. B. Gaskiers-Vereisung, ca. 580 Mio. Jahre), die jedoch nicht global waren.
Die Erde entkam den „Schneeball-Erde“-Phasen des Kryogeniums (ca. 720–635 Millionen Jahre, insbesondere der Sturtian- und Marinoan-Vereisungen) durch eine Kombination von geologischen, chemischen und klimatischen Prozessen, die die globale Vereisung beendeten. Der Ausstieg aus diesen extremen Vereisungen war ein langsamer, aber dramatischer Prozess, der durch Rückkopplungseffekte ermöglicht wurde. Im Folgenden erkläre ich die Mechanismen detailliert und chronologisch:
Wie kam die Erde aus der praktisch aussichtslosen Schneeball-Phase wieder heraus?
Während der Schneeball-Erde war die Erde nahezu komplett mit Eis bedeckt, einschließlich der Ozeane und tropischen Regionen. Dies führte zu:
Hoher Albedo-Effekt: Eis reflektiert bis zu 90 % der Sonnenstrahlung, wodurch weniger Wärme absorbiert wurde und die Abkühlung verstärkt wurde.
Unterbrochener Kohlenstoffkreislauf: Die Vereisung stoppte weitgehend die Verwitterung von Silikatgesteinen, die normalerweise CO₂ aus der Atmosphäre bindet. Gleichzeitig waren fotosynthetische Organismen (z. B. Algen) durch die Eisbedeckung eingeschränkt, was die CO₂-Entfernung weiter reduzierte.
Niedrige Temperaturen: Globale Durchschnittstemperaturen sanken vermutlich auf -50 °C oder tiefer, mit vereisten Ozeanen von mehreren hundert Metern Dicke.
Diese Rückkopplungsschleifen machten die Schneeball-Erde extrem stabil. Der Schlüssel zum Entkommen lag darin, die Albedo-Rückkopplung zu durchbrechen und die Erde wieder zu erwärmen.
1. Hauptmechanismus: Anreicherung von Treibhausgasen
Der primäre Mechanismus, der die Erde aus der Schneeball-Phase befreite, war die langsame Anreicherung von Treibhausgasen, insbesondere Kohlendioxid (CO₂), durch vulkanische Aktivität. Hier ist, wie es funktionierte:
Vulkanische CO₂-Emissionen: Selbst während der Schneeball-Erde blieb die vulkanische Aktivität aktiv, da sie durch geologische Prozesse im Erdinneren angetrieben wird. Vulkane stießen kontinuierlich CO₂ in die Atmosphäre aus. Da die Vereisung die Verwitterung stoppte (die normalerweise CO₂ bindet), konnte sich CO₂ über Millionen Jahre ansammeln.
Kritische CO₂-Konzentration: Modellrechnungen deuten darauf hin, dass CO₂-Konzentrationen ein Vielfaches der heutigen Werte (z. B. 10.000–100.000 ppm, verglichen mit heute ca. 420 ppm) erreichen mussten, um die starke Albedo der Eisbedeckung zu überwinden. Dies dauerte vermutlich 10–30 Millionen Jahre.
Methan als Verstärker: Neben CO₂ könnte Methan (CH₄) durch vulkanische oder geothermale Quellen freigesetzt worden sein. Methan ist ein starkes Treibhausgas und hätte die Erwärmung beschleunigt.
2. Beginn der Erwärmung: Schmelzen des Eises
Sobald die Treibhausgaskonzentrationen hoch genug waren, begann die Erde, Sonnenwärme effektiver zu absorbieren:
Erhöhte Wärmeabsorption: Die Treibhausgase fingen Infrarotstrahlung ein, was die globale Temperatur langsam anhob.
Rückgang der Albedo: In tropischen Regionen, wo die Sonneneinstrahlung am stärksten ist, begann das Eis zuerst zu schmelzen. Freiliegendes Meerwasser oder Land (mit niedrigerer Albedo) absorbierte mehr Wärme, was die Erwärmung beschleunigte.
Positive Rückkopplung: Das Schmelzen des Eises setzte eine Kette von Rückkopplungen in Gang:
Weniger Eis → geringere Albedo → mehr Wärmeabsorption.
Freiliegende Ozeane ermöglichten Verdunstung, wodurch Wasserdampf (ein weiteres Treibhausgas) in die Atmosphäre gelangte und die Erwärmung verstärkte.
3. Schneller Übergang: Kollaps der Eisbedeckung
Der Übergang von der Schneeball-Erde zu einer eisfreien oder nahezu eisfreien Erde war geologisch gesehen relativ schnell (einige tausend bis hunderttausend Jahre):
Globale Eisschmelze: Sobald die tropischen Ozeane eisfrei waren, breitete sich die Erwärmung schnell auf höhere Breiten aus. Die Eisschilde schmolzen, und die Ozeane wurden wieder flüssig.
Extreme Klimaschwankungen: Die extrem hohen CO₂-Werte führten nach dem Schmelzen zu einer „Supertreibhausphase“. Temperaturen stiegen möglicherweise auf 30–50 °C, was durch geologische Beweise wie „cap carbonates“ (Karbonatgesteine, die nach der Vereisung abgelagert wurden) gestützt wird. Diese Gesteine deuten auf schnelle chemische Veränderungen in den Ozeanen hin, ausgelöst durch die Rückkehr der Verwitterung.
4. Geologische und biologische Folgen
Das Ende der Schneeball-Erde hatte tiefgreifende Auswirkungen:
Kohlenstoffkreislauf reaktiviert: Mit dem Schmelzen des Eises begann die Verwitterung von Gesteinen wieder, wodurch CO₂ aus der Atmosphäre gebunden wurde. Dies führte langfristig zu einer Abkühlung nach der Supertreibhausphase.
Sauerstoffanstieg: Das Schmelzen ermöglichte die Wiederkehr von photosynthetischen Organismen, die Sauerstoff produzierten. Dies könnte die Evolution komplexer mehrzelliger Organismen im Ediacarium (ca. 635–541 Mio. Jahre) begünstigt haben.
Cap Carbonates: Diese Ablagerungen entstanden durch die schnelle Ausfällung von Karbonaten in den Ozeanen, als CO₂ durch Verwitterung und Meereschemie gebunden wurde.
Warum keine Rückkehr zur Schneeball-Erde?
Nach dem Kryogenium trat keine weitere globale Vereisung auf, obwohl kleinere Vereisungen (z. B. Gaskiers, ca. 580 Mio. Jahre) stattfanden. Mögliche Gründe:
Höhere Sonnenintensität: Die Sonne wurde im Laufe der Zeit heller (heute ca. 5–10 % stärker als im Kryogenium).
Stabilere Kohlenstoffkreisläufe: Die Entwicklung von Landpflanzen und komplexeren Ökosystemen im Phanerozoikum stabilisierte den CO₂-Haushalt.
Kontinentaldrift: Die Position der Kontinente beeinflusste spätere Vereisungen, die regionaler blieben (z. B. Permo-Karbon-Vereisung).
Zusammenfassung
Die Erde entkam der Schneeball-Phase durch:
Langsame Anreicherung von CO₂ (und Methan) durch vulkanische Aktivität über Millionen Jahre.
Erwärmung durch Treibhausgase, die die Albedo-Rückkopplung durchbrachen.
Schnelles Schmelzen des Eises, begleitet von positiven Rückkopplungen (Wasserdampf, geringere Albedo).
Übergang zu einer Supertreibhausphase mit extrem hohen Temperaturen.
Dieser Prozess war ein Zusammenspiel von geologischen Zyklen und Rückkopplungseffekten, die die Erde aus einer der extremsten Klimaphasen ihrer Geschichte befreiten. Falls du spezifische Aspekte (z. B. die Rolle von Methan oder cap carbonates) vertiefen möchtest, lass es mich wissen!
4. Phanerozoikum (ca. 541 Millionen Jahre–heute)
Das Phanerozoikum umfasst die letzten 541 Millionen Jahre und ist durch wechselnde Warm- und Kaltzeiten gekennzeichnet. Eis spielte in mehreren Perioden eine wichtige Rolle.
a. Kambrium bis Silur (ca. 541–419 Mio. Jahre)
Klima und Eis: Diese Zeit war überwiegend warm, mit hohen CO₂-Konzentrationen und tropischen Bedingungen. Es gibt keine klaren Hinweise auf großflächige Gletscher, obwohl kleinere Vereisungen möglich waren.
Schneefrei oder vereist? Größtenteils schneefrei. Die Erde hatte warme Ozeane und keine signifikanten Eiskappen.
b. Ordovizium–Silur: Hirnantian-Vereisung (ca. 445–443 Mio. Jahre)
Klima und Eis: Eine kurze, aber intensive Vereisung ereignete sich im späten Ordovizium (Hirnantian). Gletscher bedeckten Teile des Superkontinents Gondwana (heutiges Afrika und Südamerika). Diese Vereisung war mit einem Massenaussterben verbunden, wahrscheinlich durch CO₂-Schwankungen und Kontinentaldrift ausgelöst.
Schneefrei oder vereist? Teilweise vereist, vor allem in den Polarregionen Gondwanas, aber keine globale Vereisung.
c. Devon bis frühes Perm (ca. 419–299 Mio. Jahre)
Klima und Eis: Diese Zeit war überwiegend warm, mit hohen CO₂-Werten und der Entwicklung großer Wälder, die Sauerstoff produzierten. Es gibt keine Hinweise auf großflächige Gletscher.
Schneefrei oder vereist? Schneefrei, mit tropischen bis subtropischen Bedingungen weltweit.
d. Karbon–Perm: Permo-Karbon-Vereisung (ca. 360–260 Mio. Jahre)
Klima und Eis: Dies war eine der längsten Vereisungsphasen des Phanerozoikums. Gletscher bedeckten große Teile Gondwanas (heutiges Australien, Antarktika, Südamerika, Afrika). Die Vereisung war durch Zyklen von Eisschildwachstum und -schwund gekennzeichnet, ähnlich den heutigen Eiszeiten. Sie wurde durch niedrige CO₂-Werte (u. a. durch Kohleablagerung in Wäldern) und die Position Gondwanas am Südpol begünstigt.
Schneefrei oder vereist? Teilweise vereist, mit großen Eisschilden in den Polarregionen, aber tropische Regionen blieben eisfrei.
e. Mesozoikum (ca. 252–66 Mio. Jahre)
Klima und Eis: Das Mesozoikum (Trias, Jura, Kreide) war eine überwiegend warme Periode, oft als „Treibhauswelt“ bezeichnet. CO₂-Werte waren hoch, und es gibt kaum Hinweise auf Gletscher, selbst in den Polarregionen. Fossilien von Dinosauriern und tropischen Pflanzen in hohen Breiten deuten auf ein schneefreies Klima hin.
Schneefrei oder vereist? Komplett schneefrei. Selbst die Pole waren vermutlich eisfrei, obwohl es in der späten Kreide (ca. 70 Mio. Jahre) möglicherweise kleinere saisonale Eiskappen gab.
f. Känozoikum (ca. 66 Mio. Jahre–heute)
Das Känozoikum markiert den Übergang von einer Treibhaus- zu einer Eiszeitwelt, in der wir heute leben.
Paleozän–Eozän (ca. 66–34 Mio. Jahre): Die Erde war warm, mit tropischen Bedingungen bis in hohe Breiten. Das Paleozän-Eozän-Temperaturmaximum (PETM, ca. 55 Mio. Jahre) war eine extreme Warmphase. Keine Hinweise auf Eis.
Schneefrei oder vereist? Schneefrei.
Oligozän–Miozän (ca. 34–5 Mio. Jahre): Ab dem Oligozän begann die Bildung eines dauerhaften Eisschilds in der Antarktis (ca. 34 Mio. Jahre), ausgelöst durch sinkende CO₂-Werte und die Öffnung der Drake-Passage, die die Antarktis thermisch isolierte. Im Miozän schwankte die Eisbedeckung, aber die Antarktis blieb vereist.
Schneefrei oder vereist? Teilweise vereist (Antarktis), während der Rest der Erde weitgehend eisfrei war.
Pliozän–Pleistozän (ca. 5 Mio. Jahre–heute): Vor etwa 2,7 Millionen Jahren begann die Vereisung der Nordhemisphäre (Grönland, später Nordamerika und Eurasien). Das Pleistozän ist durch zyklische Eiszeiten gekennzeichnet, die durch Milanković-Zyklen (Änderungen in Erdachse und Umlaufbahn) gesteuert werden. In Kaltzeiten (Glaziale) waren große Teile der Nordhemisphäre mit Eisschilden bedeckt, während Warmzeiten (Interglaziale) wie das heutige Holozän (seit ca. 11.700 Jahren) eine geringere Eisbedeckung aufweisen.
Schneefrei oder vereist? Teilweise vereist, mit Eisschilden in der Antarktis, Grönland und zeitweise in Nordamerika/Europa während Glazialen. Die Erde war nie komplett vereist, aber auch nie komplett schneefrei.
Zusammenfassung: Schneefreie und komplett vereiste Phasen
Komplett schneefrei:
Hadaikum und Archaikum (4,6–2,5 Mrd. Jahre): Zu heiß für Eis.
Große Teile des Proterozoikums nach der Huronischen Vereisung (2,1–720 Mio. Jahre).
Mesozoikum (252–66 Mio. Jahre): Treibhauswelt ohne Eiskappen.
Ordovizium (445–443 Mio. Jahre): Gletscher auf Gondwana.
Permo-Karbon (360–260 Mio. Jahre): Große Eisschilde auf Gondwana.
Känozoikum (seit 34 Mio. Jahre): Antarktis und später Nordhemisphäre vereist, mit zyklischen Eiszeiten im Pleistozän.
Grundsätzlich wird das Klima der Erde von mehreren Faktoren beeinflusst:
Sonnenstrahlung: Die Intensität und Verteilung der Sonneneinstrahlung (z. B. durch Erdachse, Umlaufbahn, Sonnenzyklen) bestimmen die Energie, die das Klimasystem antreibt.
Atmosphärische Zusammensetzung: Treibhausgase wie CO₂, Methan und Wasserdampf speichern Wärme (Treibhauseffekt). Aerosole und Schadstoffe können die Strahlung reflektieren oder absorbieren.
Ozeanzirkulation: Meeresströmungen wie der Golfstrom verteilen Wärme und Feuchtigkeit global, z. B. mildern sie das Klima in Westeuropa.
Landoberfläche: Albedo (Reflexionsvermögen) von Eis, Wäldern oder Wüsten beeinflusst die Wärmeaufnahme. Entwaldung oder Urbanisierung verändern das lokale Klima.
Vulkanismus: Vulkanausbrüche schleudern Partikel in die Atmosphäre, die kurzfristig (Monate oder wenige Jahre) abkühlen können (z. B. durch Schwefeldioxid).
Menschliche Aktivität: Verbrennung fossiler Brennstoffe, Abholzung, Landwirtschaft und Industrie erhöhen Treibhausgase und verändern Landnutzung. Vor allem der Anteil dieses Faktors ist derzeit Bestandteil der häufigen Diskussionen („menschengemachter Klimawandel“).
Natürliche Schwankungen: Phänomene wie El Niño/La Niña (ENSO) oder die Nordatlantische Oszillation (NAO) beeinflussen regionale Klimamuster.
Aus sehr langfristiger Sicht hat die Lage der Kontinente einen erheblichen Einfluss auf das Klima der Erde, vor allem über Zeiträume von Millionen Jahren. Hier die gesamte Klimahistorie der Erde mit Schwerpunkt auf den Grad der Vereisung der Erde.
Die genannten Faktoren interagieren komplex und wirken auf unterschiedlichen Zeitskalen, von Jahrzehnten bis Jahrtausenden. Ein größerer Vulkanausbruch oder eine Abschwächung des Golfstromes können beispielsweise für deutlich kältere Jahre in Europa sorgen.
Hinweise und aktuelle Perspektive
Die Klimageschichte zeigt, dass die Erde selten komplett vereist oder schneefrei war. Die „Schneeball-Erde“-Phasen waren außergewöhnlich, während die heutige Eiszeitwelt (mit Eisschilden in der Antarktis und Grönland) seit etwa 34 Millionen Jahren besteht. Mehr Details zum Klima der letzten 2000 Jahre auf der Seite Außergewöhnliche Wetterereignisse in Mitteleuropa der letzten 2000 Jahre. Mehr zum Thema Klimawandel und zum aktuellen Wetter in Deutschland.
