G. Lohmann,

Warum gibt es Eiszeiten ?

Woher wei? man, wie die Temperatur auf der Erde vor vielen tausend Jahren war ?

Der Wechsel von Kaltzeiten mit ausgedehnten Vereisungen (Glaziale) und Warmzeiten mit Gletscherr?ckgang (Interglaziale) ist f?r die geologische Epoche des Quat?rs kennzeichnend. Die Zeitspanne des Quat?rs umfa?t die letzten 2 Millionen Jahre und wird unterteilt in das Pleistoz?n und das Holoz?n . Verbunden mit diesen Klimaschwankungen ist der Auf- und Abbau ausgedehnter Eisschilde auf den Kontinenten Nordamerikas und Nordeuropas. Die Lage von ehemaligen Gletschern und Inlandeisen wird aus dem Vorkommen von Mor?nen und Gletscherschliffen erschlossen. So sind etliche Landstriche Norddeutschlands durch die Endmor?nen der nordeurop?ischen Eisschilde gepr?gt worden.

Die Warmzeiten ?hneln in Klima und Vegetation der Gegenwart (siehe Temperaturver?nderungen in den letzten 150000 Jahren ). W?hrend der letzen Eiszeit vor 20.000 Jahren (genannt W?rm-, Weichsel-, oder Wisconsin-Eiszeit) war die Temperatur in Europa ca. 10-20 Grad niedriger als heute ( CLIMAP-Reconstruktion, 1976 ). Dieses kann aus Proxydaten (indirekte Daten: Vegetation, Messungen von Sauerstoffisotopen in Eisbohrkernen, Kalkschalen von Diatomenen und Foraminiferen, Pflanzenpollen usw.) erschlossen werden.

Die Glazial-Interglazial Schwankungen werden mit der Ver?nderung der Sonneneinstrahlung, Ver?nderungen in Treibhausgaskonzentrationen (wie z.B. Kohlendioxid), sowie internen Wechselwirkungen im Klimasystem in Verbindung gebracht. Obwohl es keine allgemein anerkannte Theorie f?r das Auftreten von Eiszeiten gibt, gilt die Hypothese, da? Schwankungen der Erdbahn f?r Glazial-Interglazial Zyklen verantwortlich sind, als die am besten von Daten gest?tzte. Milutin Milankovitch (1941) stellte diese Hypothese als erster auf eine mathematische Grundlage. Diese Theorie beruht auf der Variation dreier Erdumlaufbahnparamter:

  1. Exzentrizit?t. Die Bahn der Erde um die Sonne ist nicht kreisrund. Die Abweichung der Bahnellipse vom Kreis wird durch die Exzentrizit?t beschrieben. Die wichtigsten Perioden dieser Schwankungen liegen bei etwa 100.000 und 400.000 Jahren. Die Exzentrizit?t schwankt aufgrund der Massenanziehung der anderen Planeten, vorzugsweise der beiden gr??ten, Jupiter und Saturn.
  2. Nutation, Obliquit?t. Die Neigung der Erdachse gegen?ber der Ebene, die durch die Erdumlaufbahn beschrieben wird, hat eine dominante Periode bei 41.000 Jahren. Dieser Winkel (delta in der Abbildung) betr?gt zur Zeit 23,5 Grad und variierte etwa zwischen 22 und 24,5 Grad im Quat?r.
  3. Pr?zession. Der Mond wirkt auf den Kreisel Erde mit einem Drehmoment, das bem?ht ist, die Kreiselachse der Erde senkrecht zur Bahnebene des Mondes aufzurichten. Die Erde vollf?hrt eine Pr?zession der Tag- und Nachtgleichen (?quinoktien) mit einer charakteristischen Periode von 21.000 Jahren. Der Winkel omega in der Abbildung gibt an, ob ein Sommer nahe dem Perihel P (Sonnenn?he) oder nahe dem Aphel A (Sonnenferne) eintritt.




Erdbahnparameter

Bahnparameter der Erde: Die Exzentrizit?t wird als das Verh?ltnis von MS zu MP definiert, wobei M der Mittelpunkt der Ellipse und S ihr Brennpunkt ist, an dem sich die Sonne befindet. Der Winkel delta gibt die Schiefe der Rotationsachse an (Nutation), der Winkel omgea bestimmt, ob ein Sommer nahe dem Perihel P (Sonnenn?he) oder nahe dem Aphel A (Sonnenferne) eintritt. (Quelle: Herterich, 1990).




Milankovitchs astronomische Theorie (Berger, 1978) erlaubt die Berechnung der einfallenden solaren Strahlung (siehe Juni-Einstrahlung bei 65 Nord) . In der Tat lassen sich diese Perioden z.B. in Sauerstoffisotopenverh?ltnissen in Planktonschalen, die in den Sedimenten der Tiefsee abgelagert wurden, wiederfinden (Hays et al., 1976). Die Forschung der letzen Jahre hat gezeigt, da? sich die Gr??enordnung der beobachteten Klimavariationen von Eis- und Warmzeiten nur aufgrund von R?ckkoplungen im System Erde erkl?ren lassen k?nnen. Wichtig erscheinen u.a. die ozeanische Tiefenzirkulation, die Vegetation, der Kohlenstoffkreislauf, die Schneekomponente, die Inlandeischilde und der hydrologische Zyklus der atmosph?rischen Zirkulation.


  Im heutigen Afrika, Australien, S?damerika und Indien findet man Hinweise auf Vergletscherung und gr??ere Eisschilde vor ca. 250 Millionen Jahren, also einer ganz anderen geologischen Zeitskala , als die Vereisungen im Quat?r. Diese glazialen Eigenschaften lassen sich teilweise mit der Kontinentalverschiebung erkl?ren: Die oben genannten Gebiete befanden sich nicht weit weg vom S?dpol und grenzten and die Antarktis an. Dort herrschten relativ kalte Bedingungen, die die Existenz der Eisschilde m?glich machte. Eisschilde sind keine Dauereinrichtung des Klimas auf der Erde, sondern ?ber die geologische Zeit betrachtet relativ selten.
 
 
  Literatur:

  1. Berger, A. L., Long-term variations of daily insolation and Quaternary climatic changes, J. Atm. Sci., 35, 2362-2367, 1978.
  2. CLIMAP Project Members, The surface of the ice age Earth, Science, 191, 1131-1137, 1976.
  3. Crowley, T. J., and G. R. North, Paleoclimatology, Oxford University Press, New York, 339 pp., 1991.
  4. Hays, J. D., J. Imbrie, and N. J. Shackelton, Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages, Science, 194, 1121-1132, 1976.
  5. Herterich, K., 1990, Modellierung eiszeitlicher Klimaschwankungen. Habilitationsschrift Fachbereich Geowissenschaften, Universit?t Hamburg.
  6. Milankovitch, M., Kanon der Erdbestrahlung, Royal Serbian Acad. Spec. Publ. 132, Sect. Math. Nat. Sci., 33, 1941.


  F?r weiterf?hrende Literatur zur Pal?oklimatologie
 
  Einige links:
  Geologische Zeitmaschiene (Berkley)
  Atlas f?r Pal?ovegetation
  Tektonische Rekonstruktionen
  Centennial and longer time scale variability
  Links to other www-servers dealing with (paleo)climate
  Links to other institutes  


 
 
 
 

Autor: Gerrit Lohmann 5. August 1999