Die uns so vertraute Alpenlandschaft verdankt ihre heutige Form mehreren geologischen Großereignissen. Während einer Periode großer Eiszeiten, die vor 1,5 Millionen Jahren begann, waren große Teile des Planeten von Gletschern überzogen. Nicht nur Nordeuropa, auch die Alpen waren von einem dicken Eisschild bedeckt. Die Gletscher gruben sich tief in der Täler und hinterließen bei ihrem Rückzug Unmengen an Sedimenten.

Dass die Erde überhaupt "ewiges" Eis besitzt, ist nicht selbstverständlich. Lange Zeit waren die Pole eisfrei, seit etwa dreißig Millionen Jahren gibt es permanent Eis an zumindest einem Pol. Das Wachsen und Schrumpfen dieser Polkappen wird durch Veränderungen der Erdumlaufbahn bestimmt und folgte vor 1,5 Millionen Jahren einem Zyklus von etwa 40.000 Jahren.

Doch dann kam es zu einer dramatischen Veränderung. Die Eiszeiten wurden stärker und dauerten länger. Der Rhythmus änderte sich von 40.000 auf 100.000 Jahre, ein Umbruch, der als Mittelpleistozän-Übergang bekannt ist und in der sogenannten großen Eiszeit vor etwa 500.000 Jahren gipfelte

Erdbahn nicht verantwortlich

Schon seit langem ist klar, dass diese Kälteperiode nicht auf die Exzentrizität der Erdbahn zurückzuführen ist, deren Einfluss sich nicht veränderte, sondern dass es dafür eine andere Erklärung geben muss. Die bisher plausibelste Theorie ging von komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Gletschereis und dem Untergrund aus. Doch nun berichtet eine im Fachjournal "Science" veröffentlichte Studie von einer neuen Erklärung, die auch Auswirkungen auf aktuell gebräuchliche Klimamodelle hat.

Bislang galt die "Regolith-Hypothese" als Erklärung für die Verstärkung der Eiszeiten. Demnach hätten die Gletscher den Grund von losem Material gesäubert und sich auf dem stabileren, felsigen Grund hoher auftürmen können. Das habe zu mehr Eis und zu einem Absinken der globalen Temperaturen geführt.

Doch diesem Modell widerspricht die neue Studie, die globale Temperaturveränderungen während der letzten viereinhalb Millionen Jahre untersuchte. Und diese Ergebnisse legen nahe, dass die Meere der Südhalbkugel der entscheidende Faktor waren.

Erstautor Peter Clark und das Forschungsteam fanden heraus, dass das Meer sich dort vor 1,5 Millionen Jahren allmählich abkühlte. Das führte zu verstärkter Eisbildung, die eine Kettenreaktion auslöste. Das Eis entzog dem Meer große Mengen Süßwasser und ließ schweres, salziges Wasser absinken. Die dadurch ausgelösten Umwälzungen von Meerwasser entzogen der Atmosphäre große Mengen CO2 und verstärkten die Abkühlung. Erst das Abbrechen riesiger Eisberge durch eine Erwärmung der Atmosphäre leitete große Mengen Schmelzwasser in den Ozean und ließ diese Strömungen zum Erliegen kommen, wodurch die Eiszeit endete. Im letzten Punkt ähnelt die neue Erklärung der Regolith-Hypothese.

Bessere Erklärung

Studienautor Clark war einst ein Pionier bei der Erarbeitung der Regolith-Hypothese. Doch auch er hält die neue Hypothese für überzeugender. "Die Daten deuten darauf hin, dass die Eisschilde nur einen geringen oder gar keinen Einfluss auf die globale Temperatur hatten", sagt Clark.

Die Idee, dass die Formierung von arktischem Eis die Veränderung vor 1,5 Millionen Jahren auslöste, ist nicht völlig neu. Doch die neue Studie füllt eine Lücke im Verständnis dieses Szenarios, weil sie die Wichtigkeit des arktischen Meeres betont.

Um diese genauen Temperaturdaten zu gewinnen, musste das Team alternative Zugänge suchen. Temperaturschätzungen auf Basis von Bohrkernen des Polareises reichen maximal 800.000 Jahre zurück. Über die Zeit davor geben fossile, einzellige Meereslebewesen namens Foraminiferen Aufschluss, genauer gesagt: Isotope des darin enthaltenen Sauerstoffs.

Doch die darin enthaltenen Informationen sind mehrdeutig. "Es gibt eine Menge Annahmen", sagt Studienautor Jeremy Shakun, der am US-amerikanischen Boston College forscht, auf dem Onlineportal von "Science". "Wir wollten etwas Direkteres".

Die Forschenden suchten also nach weiteren Quellen für die Temperaturen vor mehreren Millionen Jahren. Sie fanden 128 öffentlich verfügbare Datensätze von Fettbestandteilen aus Algen und von genaueren Analysen der Bestandteile der Foraminiferen, die sich auch das Verhältnis der Elemente Magnesium und Kalzium ansahen. Das erlaubte die Herleitung neuer Temperaturkurven, die sich wesentlich von den bisherigen Annahmen unterschieden.

Anpassungen für aktuelle Klimamodelle

Die Ergebnisse haben auch Einfluss auf unser Verständnis des aktuellen Klimawandels. Die Forschenden simulierten die damalige Situation anhand aktueller Modelle und kamen auf abweichende Werte. Die Temperaturen waren im beobachteten Zeitraum um bis zu drei Grad niedriger, als die Modelle es anhand der Rahmenbedingungen nahelegten. Der Einfluss von CO2 dürfte von den Modellen unterschätzt werden, mutmaßt das Team. "Diese Arbeit zeigt wirklich die Macht von Kohlendioxid auf das Klimasystem", sagt Ruth Mottram vom Dänischen Meteorologischen Institut, die an der Studie nicht beteiligt war.

Die großen Abweichungen zu bisherigen Daten und den Prognosen von Klimamodellen zur Zeit vor einigen Millionen Jahren sorgen noch für einiges an "wenn" und "aber" unter den Klimaforschenden, die sich zu der neuen Arbeit äußerten. Genauere Untersuchungen dürften nötig sein. Einigkeit herrscht allerdings darüber, dass die Regolith-Hypothese damit vom Tisch sein dürfte. (Reinhard Kleindl, 26.2.2024)