Arktis und Antarktis – Naturräume in Poleposition
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WOR 6 Arktis und Antarktis – extrem, klimarelevant, gefährdet | 2019

Eine kurze Geschichte der Polarregionen

Eine kurze Geschichte der Polarregionen © Leo Patrizi/Getty Images

Eine kurze Geschichte der Polarregionen

> Die Polargebiete der Erde faszinieren den Menschen heutzutage mehr denn je. Zum einen gelten weite Teile der Arktis und Antarktis noch immer als unerforscht und damit als Neuland. Zum anderen verfügen beide Regionen über eine ganz besonders abwechslungsreiche Entstehungs- und Vereisungsgeschichte. Deren zahlreiche Facetten stellen die Wissenschaft bis heute vor so manches Rätsel.

Die Faszination der hohen Breiten

Das 21. Jahrhundert ist das Jahrhundert der Polargebiete. Kaum ein Naturraum der Erde fasziniert die Menschheit gegenwärtig so sehr wie die fernen Meeres- und Landgebiete der Arktis und Antarktis. Ein immer noch großer Teil der bislang schwer zugänglichen Regionen aus Eis und Schnee gilt bis heute als unerforscht. Auf viele grundlegende wissenschaftliche Fragen gibt es noch keine Antworten – etwa auf jene, was genau sich unter den kilo­meterdicken Eisschilden Grönlands und der Antarktis verbirgt oder wie der Arktische Ozean entstanden ist.
Gleichzeitig schaut die Welt mit Sorge auf die Polarregionen, denn sie nehmen als Kühlkammern der Erde eine Schlüsselrolle im Klimasystem des Planeten ein und tragen maßgeblich zur globalen Luftmassen- und Ozeanzirkulation bei. Kleine Veränderungen in ihrem komplexen Gefüge können weitreichende Auswirkungen haben. Das gilt vor allem in Bezug auf die großen Eisschilde Grönlands und der Antarktis. Gemeinsam speichern sie 99 Prozent des Eisvorkommens auf der Erde. Schmelzen sie, steigt der globale Meeresspiegel. Ein Abschmelzen beider Eispanzer würde die Pegel weltweit um rund 70 Meter anheben und weite Küstenbereiche der Erde überfluten.
Die Auswirkungen des globalen Klimawandels zeigen sich in den Polargebieten heute schon deutlicher als anderswo, vor allem in der Arktis. Sie erwärmt sich seit der Mitte des 20. Jahrhunderts mehr als doppelt so schnell wie die restliche Erde und gilt deshalb auch als Frühwarnsystem für den Klimawandel. Wetterdienste und Wissenschaftler verfolgen das Geschehen in den hohen Breiten deshalb in Echtzeit – zumindest dort, wo Satelliten und Messnetze Beobachtungen ermöglichen.
1.1 > Ein Kreuzfahrtschiff an der Küste der Antarktischen Halbinsel. Im antarktischen Sommer 2017/2018 besuchten 42 000 Kreuzfahrt-touristen die Antarktis. Das waren 16 Prozent mehr als im Sommer zuvor.
Abb. 1.1 © miralex/Getty Images

Zusatzinfo Die wandernden Pole der Erde Zusatzinfo öffnen

Die Faszination der Polargebiete beruht aber auch darauf, dass nirgendwo sonst auf der Welt Eis, Schnee, klirrende Kälte und die Dunkelheit der Polarnacht das Leben vor solche riesigen Herausforderungen stellen. Sowohl in der Arktis als auch in der Antarktis haben Tiere und Pflanzen ausgeklügelte Überlebensstrategien und eine beeindruckende Artenvielfalt entwickelt, die immer mehr Menschen mit eigenen Augen sehen wollen. Die Zahl der Touristen in beiden Polargebieten steigt deshalb ebenso wie das Interesse der Wirtschaft an einer Nutzung der polaren Ressourcen. Südlich des 60. Breitengrads Süd setzt der Antarktisvertrag den Akteuren enge Grenzen. In der Arktis dagegen bestimmen die fünf Anrainerstaaten das Geschehen. Dort hat der Wettstreit um Rohstoffe und Schifffahrtsrouten längst begonnen.

So ähnlich und doch so verschieden

Als Polargebiete werden jene Regionen der Erde bezeichnet, die sich zwischen dem Nord- oder Südpol und dem dazugehörigen Polarkreis befinden. Das Nordpolargebiet, die sogenannte Arktis, umfasst den Arktischen Ozean und einen Teil der ihn umschließenden Landmassen. Das Südpolargebiet, auch Antarktis genannt, enthält den antarktischen Kontinent und Gebiete des ihn umgebenden Südlichen Ozeans. Der Durchmesser beider Regionen beträgt jeweils 5204 Kilometer, denn beide Polarkreise verlaufen in einem Abstand von 2602 Kilometer um ihre geografischen Pole, die jedoch nicht gleichzusetzen sind mit den wandernden magnetischen Polen der Erde.
Auf Weltkarten werden die Polarkreise stets mit gestrichelten Linien in Höhe von 66° 33' nördlicher und südlicher Breite markiert. Für diese Grenzziehung hat man sich einst am Stand der Sonne orientiert. Die Linie des nördlichen Polarkreises definiert nämlich jene geografische Breite, auf der die Sonne zur Sommersonnenwende am 21. Juni eines Jahres genau 24 Stunden lang nicht untergeht. In der südlichen Hemisphäre findet zeitgleich die Wintersonnenwende statt. Die Position des südlichen Polarkreises wird demzufolge durch jenen Breitengrad definiert, auf dem die Sonne 24 Stunden lang vollständig hinter dem Horizont verborgen bleibt.
Abb. 1.4 © Leo Patrizi/Getty Image 1.4 > Winter im arktischen Fischerdorf Reine auf den westlichen Lofoten, Norwegen. Wegen der Ausläufer des warmen Golfstroms sinkt die Lufttemperatur in diesem Teil der Arktis nicht weit unter den Gefrierpunkt.
Die vielen Parallelen zwischen Arktis und Antarktis dürfen nicht darüber hinwegtäuschen, dass sich die zwei Polargebiete fundamental voneinander unterscheiden. Im äußersten Süden erstreckt sich mit Antarktika eine gewaltige Landmasse – ein abgelegener Kontinent, der mit einer Fläche von 14,2 Millionen Quadratkilometern fast zweimal so groß ist wie Australien. 98 Prozent dieser Fläche sind mit bis zu 4700 Meter dickem Eis bedeckt. Der Kontinent ist vollständig vom Südlichen Ozean, auch Südpolarmeer genannt, umgeben, welchen Forscher deshalb auch als Ring­ozean bezeichnen. Er ermöglicht einen regen Austausch der Wassermassen aus dem Atlantischen, Pazifischen und Indischen Ozean und friert im Winter groß­flächig zu (saisonale Meereisdecke). Dieser Ozean trennt die Antarktis nicht nur räumlich vom Rest der Welt. Seine im Uhrzeigersinn strömenden Wassermassen isolieren die Antarktis auch klimatisch und sind somit ein Grund, weshalb es hier in großen Teilen deutlich kälter wird als in der Arktis. Ein kurzer Vergleich: Die Jahresdurchschnittstemperatur am Südpol beträgt minus 49,3 Grad Celsius, jene am Nordpol minus 18 Grad Celsius. Darüber hinaus gilt die Antarktis als windigste und trockenste Region der Erde. Das extreme Klima hier sowie die Abgeschiedenheit sind auch der Grund, warum es bis heute nur wenige Tier- und Pflanzenarten geschafft haben, auf dem vereisten Kontinent heimisch zu werden. Der Mensch hingegen kommt immer nur für kurze Zeit zu Besuch. Abgesehen von Forschungsstationen gibt es auf dem antarktischen Kontinent heute keine auf Dauer angelegten Siedlungen.
Im Nordpolargebiet dagegen verhält es sich in mehreren Belangen genau umgekehrt. Hier umzingeln Landmassen einen Ozean in zentraler Pollage. Der Arktische ­Ozean, auch als Nordpolarmeer bezeichnet, ist nur über wenige Wasserstraßen mit den Weltmeeren verbunden und gilt mit einer Fläche von 14 Millionen Quadratkilo­metern als kleinster Ozean der Welt. Im Gegensatz zum Südpolarmeer verfügt der Arktische Ozean über eine dauerhafte Meereisdecke, deren Fläche allerdings saisonal schwankt. Ihre größte Ausdehnung erreicht sie zum Ende des Winters, ihre kleinste zum Ende des Sommers, wobei Wissenschaftler einen steten Rückgang des Sommereises beobachten. Seit Beginn der Satellitenmessungen im Jahr 1979 ist die Eisfläche des Arktischen Ozeans im Sommer um rund drei Millionen Quadratkilometer geschrumpft. Diese Fläche entspricht in etwa der achtfachen Größe Deutschlands. Da die Kontinente Europa, Asien und Amerika bis weit in das Nordpolargebiet hineinreichen, ist die Arktis schneller von Pflanzen, Tieren und vom Menschen besiedelt worden als die Antarktis. Historische Spuren lassen vermuten, dass die ersten Ureinwohner bereits vor 45 000 Jahren in den Küstenregionen des Arktischen ­Ozeans auf die Jagd gingen. Heute leben etwas mehr als vier Millionen Menschen im Nordpolargebiet

Wo beginnen die Arktis und die Antarktis?

Die Bezeichnung „Arktis“ geht auf das griechische Wort árktos zurück, was so viel wie „Bär“ bedeutet. Als „Land unter dem Sternbild des Großen Bären“ bezeichneten griechische Seefahrer das Nordpolargebiet, in welches sie vermutlich bereits um das Jahr 325 vor Christus erstmals vorgestoßen waren. Die Seeleute nutzten damals die Sternbilder des Nordhimmels, hier vor allem den Großen Bären und den Kleinen Bären, um sich auf ihren Entdeckungsfahrten zu orientieren.
Ein weiterer Himmelskörper, in diesem Fall die Sonne, gab den Ausschlag, einen nördlichen und später einen südlichen Polarkreis als Grenzen der Polargebiete zu definieren. Beide Linien markieren jene geografische Breite, auf der die Sonne am Tag der jeweiligen Sommersonnenwende gerade nicht mehr untergeht. Auf der Nordhalbkugel fällt die Sommersonnenwende meist auf den 21. Juni; auf der Südhalbkugel auf den 21. oder 22. Dezember. Die genaue Position der Polarkreise wird durch den Neigungswinkel der Erdachse bestimmt. Da das Ausmaß der Erdneigung (Obliquität) in einem Rhythmus von rund 41 000 Jahren leicht schwankt, verlagert sich auch die Position der Polarkreise stetig. Gegenwärtig nähern sie sich den geografischen Polen um etwa 14,4 Meter pro Jahr an.
Als eindeutige Südgrenze der Arktis hat sich der nördliche Polarkreis jedoch nie durchgesetzt. Das liegt vor allem daran, dass es kein Naturmerkmal gibt, welches ­seine astronomisch bestimmte Linienführung erdumspannend unterstützt und den arktischen Raum klar gegen ­südliche Gefilde abgrenzt. Im Gegenteil: Wäre die Arktis nur auf die Regionen nördlich des Polarkreises begrenzt, würden die Südspitze Grönlands sowie weite Teile der kanadischen Arktis nicht dazugehören. Aus diesem Grund definieren Wissenschaftler den Naturraum der Arktis heutzutage meist über Klima- oder Vegetationsmerkmale. Eine häufig verwendete Südgrenze ist die sogenannte 10° C-Juli-Isotherme. Nördlich dieser imaginären Linie liegt die langjährige Mitteltemperatur für den Monat Juli unter zehn Grad Celsius. Zum arktischen Raum gehören demzufolge der Arktische Ozean, Grönland, Spitzbergen, große Teile Islands sowie die nördlichen Küsten und Inseln Russlands, Kanadas und Alaskas. Über dem Europäischen Nordmeer verlagert sich die 10° C-Juli-Isotherme aufgrund der Wärme des Nordatlantikstroms Richtung Norden, sodass auf Basis dieser Definition nur die nördlichen Regionen Skandinaviens zur Arktis dazugezählt werden. In Sibirien und Nordamerika hingegen ist kalte arktische Luft dafür verantwortlich, dass die Temperaturgrenze relativ weit südlich verläuft und Regionen wie der nordöstliche Teil Labradors, die kanadische Hudson Bay und große Teile des Beringmeers zur Arktis dazugezählt werden.
1.5 > Am 21. Juni, dem Tag der Sommersonnenwende, erreicht die Sonne ihren höchsten Stand auf der Nordhalbkugel. Am nördlichen Polarkreis geht sie dann 24 Stunden lang nicht unter, am südlichen Polarkreis 24 Stunden lang nicht auf.
Abb. 1.5 © maribus
Eine zweite natürliche Südgrenze des Nordpolargebietes ist die sogenannte Baumgrenze. Wie der Name schon vermuten lässt, sind die heutigen klimatischen Bedingungen nördlich dieser Linie so harsch, dass Bäume keine Überlebenschance mehr haben. Da jedoch der Übergang von zusammenhängenden Wäldern zu den baumlosen Gras- und Moorlandschaften der Arktis, der Tundra, in Wirklichkeit oft fließend ist, sprechen Forscher im Zusammenhang mit der Baumgrenze eher von einer Zone als von einer klaren Grenzlinie. In Nordamerika beispielsweise ist diese Übergangszone ein schmales Band. Im Norden Europas und Asiens dagegen kann sie bis zu 300 Kilometer breit sein. Der Verlauf der nördlichen Baumgrenze stimmt in großen Teilen mit der 10° C-Juli-Isotherme überein. In manchen Gegenden jedoch liegt sie bis zu 200 Kilometer südlicher als die Temperaturgrenze, sodass dieser Definition zufolge auch Westalaska und die Aleuten zur Arktis dazugehören. Das Nordpolargebiet wäre demnach etwa 20 Millionen Quadratkilometer groß.
Eine dritte natürliche Grenze kann mithilfe der Meeresströmungen definiert werden. Demnach beginnen die arktischen Gewässer dort, wo an der Meeresoberfläche kalte, relativ salzarme Wassermassen aus dem Arktischen Ozean auf wärmeres, salzhaltiges Wasser aus dem Atlantischen oder dem Pazifischen Ozean treffen. Im Gebiet des kanadisch-arktischen Archipels, der Inselgruppe zwischen Nordamerika und Grönland, erstreckt sich diese sogenannte Konvergenzzone auf 63 Grad Nord. Im weiteren Verlauf Richtung Osten zweigt sie dann zwischen der ­Baffininsel und Grönland Richtung Norden ab. In der Framstraße, dem Meeresgebiet zwischen Ostgrönland und Spitzbergen, verläuft sie sogar auf 80 Grad Nord – also deutlich nördlicher als etwa der Polarkreis. Auf der anderen Seite des Arktischen Ozeans, im Beringmeer, ist die Definition einer Konvergenzzone etwas schwieriger, weil sich hier die Wassermassen aus dem Pazifischen und dem Arktischen Ozean großflächig mit­einander ver­mischen anstatt übereinander hinwegzuströmen. Auf ­Karten verläuft diese vage Grenzlinie deshalb einmal quer über die schmale Beringstraße.
Neben diesen drei von Naturmerkmalen geprägten Grenzen der Arktis gibt es verschiedene anderweitig definierte Grenzen, deren Verlaufskriterien variieren. So ziehen unter anderem die verschiedenen Arbeitsgruppen des Arktischen Rates zum Teil unterschiedliche Grenzen. Für die Expertengruppe des Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP) zum Beispiel gehören in Asien alle Landflächen nördlich des 62. Breitengrads zur Arktis dazu. Auf dem nordamerikanischen Kontinent ziehen sie die Grenze entlang des 60. Breitengrads. Das betrachtete Territorium ist demzufolge deutlich größer als der durch die Baumgrenze definierte Naturraum. Die größte Ausdehnung hat die Arktis im Rahmen des Arctic Human Devel­opment Report (AHDR): Hier wurden bei der Gebietsdefinition auch politisch und statistisch relevante Aspekte beachtet, weshalb die Grenze vor allem in Sibirien weiter südlich verläuft als jede andere. Demnach umfasst die Arktis eine Fläche von über 40 Millionen Quadratkilo­metern, was in etwa insgesamt acht Prozent der Erdober­fläche ausmacht.
In diesem „World Ocean Review“ bezieht sich die Bezeichnung „Arktis“ stets auf jenen Naturraum, der an Land durch die Baumgrenze und über dem Meer durch die Konvergenzzone definiert wird. Sollten im Ausnahmefall andere Definitionen der Arktis von Relevanz sein, so wird dies durch einen Hinweis gekennzeichnet.
Auf der Südhalbkugel fällt die Grenzziehung nicht ganz so schwer, denn die Insellage des antarktischen Kontinents sowie markante Meeresströmungen ermöglichen eine relativ klare Abgrenzung des Südpolargebiets. Dessen Synonym „Antarktis“ geht übrigens auf das griechische Wort antarktiké zurück und bedeutet so viel wie „dem Norden entgegengesetzt“. Die Antarktis erstreckt sich über den Kontinent Antarktika und den ihn umgebenden Südlichen Ozean, wobei die Spitze der Antarktischen Halbinsel sowie Küstengebiete der Ostantarktis über den südlichen Polarkreis hinausragen. Als Nordgrenze wird deshalb häufiger der 60. Breitengrad Süd verwendet, auf welchen sich im Jahr 1959 die Unterzeichnerstaaten des Antarktisvertrags geeinigt haben.
Etwas größer noch fällt das Gebiet der Antarktis aus, wenn als dessen Nordgrenze die Zone der antarktischen Konvergenz angegeben wird. Dabei handelt es sich um jene ringförmige Meereszone, in der kaltes, nordwärts strömendes Oberflächenwasser aus der Antarktis auf wärmere, südwärts fließende Wassermassen aus dem Norden trifft. Das kalte, salzhaltige Wasser sinkt infolgedessen ab und schiebt sich unter die wärmeren Wassermassen. Für Polarforscher stellt die 32 bis 48 Kilometer breite Zone der antarktischen Konvergenz den nördlichen Rand des Südlichen Ozeans dar, weil sie sowohl die Wassermassen der Antarktis und der gemäßigten Breiten als auch die Lebensgemeinschaften beider Meereszonen klar voneinander trennt. Im Allgemeinen liegt die Konvergenzzone auf Höhe des 50. südlichen Breitengrads, sodass, folgt man dieser Grenzbestimmung, auch subantarktische Inseln wie Südgeorgien und die Südlichen Sandwichinseln zum antarktischen Naturraum dazugezählt werden. Die genaue Position der Konvergenzzone hängt allerdings vom Längengrad, dem Wetter und der Jahreszeit ab und kann sich dementsprechend regional bis etwa 150 Kilometer nach Norden oder Süden verschieben.
Dieser „World Ocean Review“ folgt der 1959 im Antarktisvertrag festgelegten Definition des Südpolargebiets, soweit nicht anders vermerkt. Es erstreckt sich demnach über alle Land- und Meeresgebiete südlich des 60. Breitengrads Süd.

Die Wanderung der Kontinente

Dass heute zur selben Zeit beide Polregionen der Erde vereist sind, ist eine seltene Ausnahmesituation in der 4,6 Milliarden Jahre alten Geschichte unseres Planeten. Nur wenige Mal zuvor hatten sich die Kontinente der Erde so zueinander angeordnet, dass sowohl im Norden als auch im Süden entsprechend kalte Klimabedingungen herrschten. Die Wanderung der Kontinente gab also die Initialzündung für die Vereisung beider Polargebiete.
Dass sich die Kontinente bewegen, wurde erstmals vom deutschen Polarforscher Alfred Wegener wissenschaftlich postuliert. Im Jahr 1912 veröffentlichte er seine Hypothese von der Kontinentalverschiebung, die Geologen bis heute nur ergänzen und verfeinern konnten – so genau waren Wegeners Rekonstruktionen von der Wanderung der Kontinente. Seiner Theorie zufolge ist die bis zu 60 Kilometer dicke äußere Hülle der Erde, die Erdkruste, vor etwa drei bis vier Milliarden Jahren in große Platten zerbrochen. Diese bewegen sich seitdem unabhängig ­voneinander auf dem Erdmantel, der unter der Kruste liegt und aus geschmolzenem Gestein, dem Magma, besteht. Die Platten legen dabei bis zu zehn Zentimeter pro Jahr zurück. Sie kollidieren miteinander, schieben sich an ihren Rändern übereinander oder driften auseinander, wodurch Gräben und Brüche entstehen, durch die wiederum flüssiges Magma aus dem Erdinnern aufsteigen kann. Auf diese Weise entsteht an diesen Bruchstellen neuer Erd- oder Meeresboden.
Klimaforscher bezeichnen die Kontinentalverschiebung als einen der einflussreichsten Faktoren in der Vereisungsgeschichte der Polregionen. Denn die Lage der Kontinente und Ozeane zueinander bestimmt die Pfade der Luft- und Meeresströmungen und somit die Wärmeverteilung auf dem Planeten. Das gilt vor allem für die zwei Polargebiete, deren geologischer Bau und Untergrund durch ganz unterschiedliche plattentektonische Prozesse geprägt wurde.
1.6 > Erdgeschichtlich betrachtet ist die aktuelle Lage der Antarktis und Spitzbergens nur eine Momentaufnahme. Zuvor haben Teile beider Regionen auch schon auf der jeweils entgegengesetzten Erdhalbkugel gelegen.
Abb. 1.6 © nach Arbeitskreis Geologie und Geophysik der Polargebiete der Deutschen Gesellschaft für Polarforschung

Antarktika – ein uralter Kontinent

Um die Entstehungsgeschichte des Südpolargebiets zu verstehen, muss man wissen, dass der antarktische Kontinent eigentlich aus zwei Teilen besteht: zum einen aus der relativ großen, soliden Landmasse der Ostantarktis, die aus bis zu 3,8 Milliarden Jahre alter und bis zu 40 Kilo­meter dicker Erdkruste besteht; zum anderen aus der Westantarktis, die sich wiederum aus vier deutlich kleineren und dünneren Krustenblöcken zusammensetzt. Diese vier Krustenfragmente sind bis heute nicht fest miteinander verbunden. Sie verschieben sich stetig.
Obwohl die Landmasse der Ostantarktis und die Krus­tenblöcke der Westantarktis auf einer Kontinentalplatte liegen, trennt ein breiter Graben beide Teile voneinander. Am ostantarktischen Rand dieses Grabens erhebt sich das weit über 4000 Meter hohe und 3500 Kilometer lange Transantarktische Gebirge.
Die geografische Lage und Abgeschiedenheit des antarktischen Kontinents sind erdgeschichtlich betrachtet relativ junge Phänomene. Den größten Teil der Erdgeschichte grenzte die antarktische Kontinentalplatte nämlich unmittelbar an andere Kontinente. Mindestens zweimal befand sie sich sogar fernab des Südpols im Zentrum sogenannter Superkontinente. Das erste Mal vor etwa einer Milliarde Jahre: In diesem Zeitraum hatten sich infolge weltweiter Gebirgsbildungen alle damaligen Kontinente zum Superkontinent Rodinia zusammengeschlossen. Die Landmasse der heutigen Ostantarktis bildete damals dessen Herzstück und lag nördlich des Äquators vermutlich in unmittelbarer Nachbarschaft zur Laurentischen Platte, dem Ur-Nordamerika. Andere Rekonstruktionen platzieren Australien oder Mexiko daneben. Welcher Erklärungsansatz nun der richtige ist, wird bis heute sehr kontrovers diskutiert.
Ungefähr 550 Millionen Jahre später, im Erdzeitalter des Ordoviziums, war die antarktische Kontinentalplatte zum zweiten Mal in das Zentrum eines Großkontinents gerückt. Diesmal formte sie das Kerngebiet des riesigen Gondwana-Kontinents. Dieser vereinte alle heutigen Südkontinente sowie den indischen Subkontinent in sich und lag so, dass sich Antarktika zwischen dem Äquator und dem südlichen Wendekreis befand. Indien und Australien grenzten diesmal im Westen an, Südamerika im Süden.
1.7 > Als der Superkontinent Gondwana vor 200 Millionen Jahren zu zerfallen begann, löste sich die Antarktis allmählich aus dem Plattenverbund und wanderte Richtung Südpol.
Abb. 1.7 © nach Arbeitskreis Geologie und Geophysik der Polargebiete der Deutschen Gesellschaft für Polarforschung

Zusatzinfo Eine Vulkanlandschaft verborgen unter dem Eis Zusatzinfo öffnen

Gondwana existierte mehr als 300 Millionen Jahre. Seine Landschaften waren geprägt durch weitverzweigte Flusssysteme, Seen, dichte Wälder und zwischenzeitlich sogar durch einen dicken Eispanzer, der den Kontinent am Ende des Erdaltertums vor 300 Millionen Jahren bedeckte. Vor etwa 180 Millionen Jahren begann Gondwana wieder zu zerfallen – begleitet und angetrieben von vielen Vulkan­ausbrüchen, tiefen Rissen in der Erdkruste und starken Driftbewegungen. Sie gaben der antarktischen Kontinentalplatte den Startschuss für die Wanderung ­Richtung Süden, die nun möglich wurde, weil sich nach und nach alle Nachbarkontinente abspalteten.
Den Anfang machte vor etwa 160 Millionen Jahren Afrika, dessen Südspitze sich an jener Stelle vom antarktischen Kontinent löste, wo sich heute das Weddellmeer befindet. Anschließend trieben die Landmassen Indiens und Madagaskars Zentimeter für Zentimeter ­Richtung Norden davon. Als sich dann vor 90 bis 80 ­Millionen Jahren Neuseeland von der Antarktis trennte, sortierten sich die Krustenblöcke in der Westantarktis neu. Heiße Magmaströme im Erdinnern begannen die ­Blöcke an ihrer Grenze zur Ostantarktis anzuheben. ­Infolgedessen entstanden nicht nur das Transantark­tische Gebirge und die Bergkette auf dem Marie-Byrd-Land. Es bildete sich auch ein Riss in der Erdkruste, welcher sich bis heute als gewaltiger, von Verwerfungen durchsetzter Graben vom Rossmeer bis zum Weddell­­meer zieht. Geologen nennen diesen Grabenbruch entlang des Transantarktischen Gebirges Westantarktisches Riftsystem. Es ist 800 bis 1000 Kilometer breit, mehr als 2500 Kilometer lang und gehört damit zu den größten kontinentalen Grabenbruchsystemen der Erde – in seiner Dimen­sion vergleichbar mit dem ostafrikanischen Great Rift Valley, welches Afrika vom Roten Meer bis nach Mosambik durchzieht.

Golf Als „Golf“ werden große Meeresbuchten, Binnen- oder Randmeere bezeichnet, die zum Großteil von Landmassen umgeben sind. Bekannte Beispiele sind der Golf von Mexiko, der als Randmeer des Atlantischen Ozeans von den Küsten der USA, Mexikos und Kubas begrenzt wird, sowie der Persische Golf – ein tausend Kilometer langes und bis zu 300 Kilometer breites Binnenmeer zwischen dem Persischen Plateau und der Arabischen Halbinsel.

Entlang dieser aktiven Bruchzone könnte der ant­arktische Kontinent eines Tages weiter auseinanderbrechen, doch bisher weitet sich der Graben nur um zwei Millimeter pro Jahr oder umgerechnet um einen Meter alle 500 Jahre. Die Bewegungen der beteiligten Platten zueinander sowie das Auseinanderdriften der West- und der Ostantarktis hatten in der jüngeren Erdgeschichte aber zur Folge, dass sich die Erdkruste entlang der ­Bruchzone stark ausdünnte und tief liegende Becken im Rossmeer entstanden. Auf diese Weise erklärt sich auch, warum in der Westantarktis heutzutage große Teile ­­des Untergrunds ein bis zwei Kilometer unter dem Meeresspiegel liegen und sie ohne ihren verbindenden Eisschild nicht wie eine geschlossene Fläche aussähe, ­sondern wie eine Ansammlung ­größerer und kleinerer Inseln.
Die Entstehung der westantarktischen Bruchzone vor rund 80 Millionen Jahren sollte jedoch nicht der letzte tektonische Schlüsselmoment in der Driftgeschichte der antarktischen Kontinentalplatte bleiben. Zwei weitere folgten nahezu zeitgleich, erneut angetrieben von Spreizungsprozessen in der Erdkruste. Die eine Region, in der diese vor 50 Millionen Jahren deutlich zunahmen, war die Grenze zwischen Südamerika und der Antarktischen Halbinsel. Hier öffnete sich vor rund 41 Millionen Jahren die Drake Passage, eine Meeresstraße, die heute rund 800 Kilometer breit ist und den Pazifischen Ozean mit dem Atlantischen Ozean verbindet.
Der zweite entscheidende Spreizungsprozess vollzog sich auf der anderen Seite, in der Ostantarktis. Hier löste sich Australien von der antarktischen Platte. Diese Abspaltung versetzt Forscher bis heute in Erstaunen, denn sie verlief zum Teil in einem geologisch betrachtet atemberaubenden Tempo.
Soweit man heute weiß, trennte sich die australische Platte in zwei Schritten von der ­Antarktis. Vor 95 bis 60 Millionen Jahren löste sich zunächst nur die Südküste Australiens von der Ostantarktis, während der Teil des heutigen Tasmaniens über eine zeitweise von Flachwasser überflutete Landverbindung noch Kontakt zum antarktischen Viktorialand hielt. Diese Landbrücke begrenzte jedoch bereits einen lang gezogenen flachen Golf, der zwischen beiden Platten entstanden war. Vor etwa 34 Millionen Jahren sackte der Meeresboden im Bereich dieser Landbrücke innerhalb von nur ein bis zwei Millionen Jahren ab – vermutlich, weil sich die Bewegungsrichtung der pazifischen Kontinentalplatte geändert hatte. Eine Meeresstraße entstand daraufhin und machte den Weg frei für kaltes, ozeanisches Tiefenwasser aus dem Südlichen Ozean, welches jetzt ungehindert ­zwischen Australien und der Antarktis hindurchströmen konnte. Der Wasserring um die Antarktis war geschlossen und damit jener Ring­ozean entstanden, dessen Strömungsband den südlichen Kontinent bis heute klimatisch vom Rest der Welt isoliert und maßgeblich dazu beitrug, dass die Antarktis vor 34 Millionen Jahren zu vereisen begann.
1.9 > Der Berg Skansen am Eingang zum Billefjord, Spitzbergen. Er weist klar voneinander getrennte Sedimentschichten auf, anhand derer Geowissenschaftler die Entstehungsgeschichte der Inselgruppe nachvollziehen können. Die hier sichtbaren Kalksteinschichten sind 320 bis 290 Millionen Jahre alt und stammen demzufolge aus den Epochen Mittleres Karbon bis Unterperm.
Abb. 1.9 © Eye ­Ubiquitous/UIG/Getty Images

Arktis: ein Ozean öffnet sich

Eine noch viel weitere Wanderung als der antarktische Kontinent haben die Landmassen der heutigen Arktis hinter sich. Die Inselgruppe Spitzbergen zum Beispiel lag vor 650 Millionen Jahren noch als Teil einer großen Land­masse in Südpolnähe – dafür sprechen mächtige Eiszeit­ablagerungen, die Wissenschaftler heute noch auf den Inseln finden. Seitdem ist Spitzbergen 12 000 Kilometer Richtung Norden gewandert – mit einem Durchschnittstempo von weniger als zwei Zentimetern pro Jahr. Belege für diese Wanderung gibt es in den verschiedenen Gesteinsschichten der Inselgruppe.
Rostrote Felshänge sind die Überreste einer Zeit vor 390 Millionen Jahren, als Spitzbergen zu einer großen Wüste gehörte und in der Nähe des Äquators lag. 50 Millionen Jahre später, zum Auftakt des Erdzeitalters Karbon, befand sich die Region in den nördlichen Subtropen. Das Klima war feucht-heiß und auf Spitzbergen wuchsen dichte Regenwälder.
Als vor 225 Millionen Jahren das Zeitalter der Dinosaurier begann, wurde die Landmasse Spitzbergens von einem Meer bedeckt, in dem zunächst Ichthyosaurier und einige Millionen Jahre später die bis zu 20 Meter langen Plesiosaurier schwimmend auf die Jagd gingen. Skelette beider Arten haben Forscher inzwischen schon häufiger auf der Insel gefunden.
Zur selben Zeit müssen Flüsse, die damals existierten, große Mengen Sedimente und organisches Material in das Meer eingetragen haben. Diese sanken zu Boden und lagerten sich in großen Becken kilometerdick ab. Diese Sedimentschichten spielen heutzutage bei der Suche nach Erdgas- und Erdöllagerstätten eine entscheidende Rolle.
1.10 > Die Entstehungsgeschichte des Arktischen Ozeans ist noch nicht ganz erschlossen. Ein ­Erklärungsansatz ist, dass die Kontinentalplatten Nordamerikas und Sibiriens scherenartig auseinanderdrifteten und auf diese Weise Platz für das Amerasische Becken schufen.
Abb. 1.10 © nach Arbeitskreis Geologie und Geophysik der Polargebiete der Deutschen Gesellschaft für Polarforschung
Abb. 1.11 © Jørn Hurum/NHM/UIO

1.11 > Paläontologen auf Spitzbergen vor versteinerten Überresten mariner Reptilien
Im Zeitalter des Oberjuras, vor 150 Millionen Jahren, begannen plattentektonische Prozesse, welche zur Bildung des Arktischen Ozeans und zur heutigen Konstella­tion der Kontinente führten. Der Superkontinent Pangäa brach zu diesem Zeitpunkt in den Südkontinent Gondwana und den Nordkontinent Laurasia auseinander. Letzterer setzte sich aus den Kontinentalplatten des heutigen Nordamerikas, Europas und Asiens zusammen – ein Verbund, der ebenfalls vor 145 Millionen Jahren zu zerfallen begann. Geologen nehmen an, dass sich damals ein kleines Ozeanbecken zwischen Nordamerika und Sibirien bildete, infolgedessen die beiden Platten auseinanderbrachen und scherenförmig auseinanderdrifteten. Welche Verschiebungen dabei genau stattgefunden haben, können die Wissenschaftler bisher nur vermuten. Fest steht, zwischen Kanada und Alaska auf der einen sowie Sibirien auf der anderen Seite öffnete sich mit dem dreiecksförmigen Amerasischen Becken der erste und damit ältere Teil des heutigen Arktischen Ozeans.
Am Rand dieses Beckens kam es vor allem auf Franz-Josef-Land, auf Spitzbergen, in Nordgrönland sowie in der kanadischen Arktis zu starken vulkanischen Aktivitäten. Flüssiges Magma drang von unten in die Erdkruste und bildete vulkanische Gänge. Teilweise drangen Lavamassen auch bis an die Erdoberfläche und formten Vulkane.
Vor etwa 110 Millionen Jahren kam die Öffnung des Amerasischen Beckens zu einem abrupten Ende, nachdem ein Teilstück Alaskas, der sogenannte Alaska-Tschuktschen-Mikrokontinent, an seinem Westrand mit Sibirien kollidiert war. Spitzbergen hatte zu diesem Zeitpunkt bereits seine Position in den hohen Breiten erreicht, gehörte aber noch zur großen Landmasse Laurasia, welche wie eigentlich alle Gebiete rund um das neue arktische Becken von dichten Wäldern aus Mammutbäumen bewachsen war. Das Klima muss sehr warm, die Vegeta­tion sehr üppig gewesen sein, denn überall bildeten sich mächtige Steinkohleablagerungen. Auf der Ellesmereinsel in der kanadischen Arktis haben Wissenschaftler versteinerte Überreste von Schildkröten und Krokodilen aus dieser Zeit gefunden. Auch sie deuten auf tropische Verhältnisse im hohen Norden hin.
Laurasia begann vollständig zu zerfallen, als vor 95 Millionen Jahren die Erdkruste zwischen Kanada und Grönland aufriss und die Labradorsee sowie die Baffinbucht entstanden. 40 Millionen Jahre später setzte eine neue Phase der Umstrukturierung der Kontinentalplatten ein, in welcher der Nordatlantik entstand. Zur gleichen Zeit, vor 55 Millionen Jahren, löste sich im hohen Norden ein 1800 Kilometer langes Unterwassergebirge, benannt nach dem russischen Naturwissenschaftler Michail Wassiljewitsch Lomonossow, vom eurasischen Kontinentalrand und driftete in seine heutige Position am Nordpol. Im Zuge dieser Abspaltung öffnete sich zwischen ­dem Kontinentalrand Eurasiens und dem Lomonossow­rücken das Eurasische Becken des Arktischen Ozeans.­­
In seinem Zentrum befindet sich heute noch ein aktiver Mittelozeanischer Rücken, der Gakkelrücken – benannt nach dem russischen Ozeanografen Jakow Jakowlewitsch Gakkel. Dieser Rücken verläuft als Fortsetzung ­des Nordatlantischen Rückens von der Nordküste Grönlands bis in die Nähe des Mündungsdeltas der Lena und teilt das Eurasische Becken in das nördliche Amundsen­becken und das südliche und damit küstennähere Nansenbecken.
1.12 > Weil sich zwei Kontinentalplatten voneinander entfernen, ist der Meeresboden aufgerissen. An der Bruchstelle hat sich ein Mittel­ozeanischer Rücken gebildet, an dem nun Magma aus dem Erdinnern aufsteigt und neuen Meeresboden bildet.
Abb. 1.12 © maribus
Wie für Mittelozeanische Rücken typisch stellt auch der Gakkelrücken eine tektonische Dehnungszone dar. Das heißt, entlang des 1800 Kilometer langen Rückens spreizt sich der Meeresboden. Magma strömt aus dem Erdinnern empor und lässt im Grabenbruch des Rückens neue Erdkruste entstehen. Am Gakkelrücken laufen diese tektonischen Prozesse langsamer ab als an jedem anderen Mittelozeanischen Rücken der Welt. Der Meeresboden spreizt sich hier mit einem Tempo von gerade mal einem Zentimeter pro Jahr. Dennoch erklärt sich so, warum am Meeresboden heiße Quellen brodeln und das Eurasische Becken bis heute stetig größer wird.
Der Zerfall Laurasias und die Öffnung des Eurasischen Meeresbeckens seit 55 Millionen Jahren lösten sehr komplizierte Plattenbewegungen zwischen Spitzbergen und dem Nordrand Nordamerikas aus. Dort, wo Platten kollidieren, entstehen große Deformations- und Knautschzonen. Gebirge falten sich auf – so zum Beispiel an der Westküste Spitzbergens, im Norden Grönlands und in der kanadischen Arktis. Dort, wo Platten aneinander vorbeigleiten, bilden sich in Küstennähe kilometerlange, kastenförmige Täler, anhand derer Geowissenschaftler seitliche Kontinentalverschiebungen identifizieren. Solche sogenannten Störungszonen gibt es heutzutage unter anderem auf der Banksinsel und der Ellesmereinsel. Forscher nehmen sogar an, dass Plattenverschiebungen den gesamten Kontinentalrand Nordamerikas nachhaltig geformt haben. Dafür spricht auch die Tatsache, dass der Kontinentalrand vom Mackenziedelta im Südwesten bis nach Nordgrönland erstaunlich gerade ist.
1.13 > Um die Öffnung des Arktischen Ozeans und die dazugehörigen Plattenverschiebungen besser zu verstehen, führen Geologen regelmäßige Expeditionen in den hohen Norden Kanadas durch. Hier haben sie ihr Expeditionscamp in einem entlegenen Teil der Ellesmereinsel errichtet.
Abb. 1.13 © Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
Die Ozeanbildung in der Baffinbucht und der Labradorsee endete vor etwa 35 Millionen Jahren. Grönland, das zwischenzeitlich als eigene Kontinentalplatte existiert hatte, wurde nun wieder Teil der nordamerikanischen Platte. Nur zehn Millionen Jahre später aber löste sich Spitzbergen von Nordgrönland und driftete mit dem Rest Eurasiens in seine heutige Lage.
Im Zuge dieser Abspaltung entstand vor 17 bis 15 Millionen Jahren ein bis zu 5600 Meter tiefer Graben zwischen der Inselgruppe und der Ostküste Grönlands. Dieser als Framstraße bezeichnete Tiefseegraben, benannt nach dem Expeditionsschiff „Fram“ des norwegischen Polarforschers Fridtjof Nansen, ist bis heute die einzige Tiefenwasserverbindung des Arktischen Ozeans mit den Weltmeeren und von großer Bedeutung für den Austausch der Wassermassen.
Trotz all dieser geologischen Anhaltspunkte stellt die Entstehungsgeschichte des Arktischen Ozeans noch immer ein plattentektonisches Rätsel dar. Viele Details sind bis heute nicht richtig verstanden. Geologen wissen zum Beispiel nicht, welchen Ursprung der Alpha-Mendelejew-Rücken hat. Der untermeerische Gebirgszug teilt das Amerasische Becken in das nördliche Makarow-becken und das südlich gelegene Kanadabecken. Schiffsexpeditionen in dieses riesige Meeresgebiet sind selten und teuer, weil dieser Teil des Arktischen Ozeans trotz des Klimawandels auch im Sommer noch mit Meereis bedeckt ist und geologische Bohrungen deshalb besonders aufwendig und riskant sind.

Vereisungen in der Erdgeschichte

Klimageschichtlich betrachtet leben wir derzeit in einer Ausnahmesituation. Seit ihrer Entstehung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren war es auf der Erde nämlich die meiste Zeit viel zu warm, als dass am Nordpol oder am Südpol große eisbedeckte Gebiete hätten entstehen können. Der Planet war überwiegend eisfrei. Weiträumige Vergletscherungen in den hohen Breiten traten immer nur in sogenannten Eiszeiten auf. Als solche werden jene Zeiträume bezeichnet, in denen Gletscher und Inlandeismassen große Teile der Nord- und Südhalbkugel bedecken. Die Voraussetzungen für dauerhaft eisbedeckte Polarregionen sind nur in sogenannten Eiszeitaltern gegeben.
Das gegenwärtige Eiszeitalter begann mit der Ver­eisung der Antarktis vor etwa 40 bis 35 Millionen Jahren. Seit etwa einer Million Jahre wechseln sich Kalt- und Warmzeiten in einem Rhythmus von circa 100 000 Jahren ab. Klimaforscher bezeichnen diese Phasen als Glaziale (Eiszeiten) und Interglaziale (Warmzeiten).
Gegenwärtig befindet sich die Erde in einem solchen Interglazial. Das heißt, wir erleben ein Klima mit milden Wintern, gemäßigten Sommertemperaturen und Ver­gletscherungen in beiden Polargebieten sowie in den Hochgebirgen.
Über die Frage, welche Faktoren eine Eiszeit auslösen, wird viel diskutiert. Fest steht, dass starke Klimaveränderungen immer von Änderungen der Energiebilanz des Planeten begleitet werden. Dafür gibt es in der Regel vier mögliche Auslöser:
  • zyklisch ablaufende Schwankungen der Sonnen­akti­vität;
  • Änderungen in der Umlaufbahn der Erde um die Sonne;
  • Änderungen der planetarischen Albedo, das heißt des von der Erde in den Weltraum zurückgespiegelten Teils der Sonnenenergie. Dieser Wert hängt im Wesentlichen von der Bewölkung und der Helligkeit der Erd­oberfläche ab;
  • Änderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre, vor allem der Konzentration von Treibhausgasen wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Lachgas oder der Menge an Feinstaub in der Luft.
Treten eine oder mehrere dieser Veränderungen ein, verstärken sich die Prozesse teilweise gegenseitig. Ein gutes Beispiel dafür ist die sogenannte Eis-Albedo-Rückkopplung: Entstehen infolge einer Abkühlung des Klimas Eisschilde, Gletscher und Meereis, so vergrößern die weißen Eisflächen die Rückstrahlkraft der Erde, die Albedo. Das bedeutet, ein wachsender Anteil der einfallenden Sonnenenergie wird ins Weltall zurückgestrahlt, wodurch die Lufttemperatur weiter abkühlt und noch mehr Eis entsteht.
Neben diesen vier Hauptursachen für Klimaveränderungen gibt es allerdings weitere Faktoren, die das Wetter und Klima der Erde und somit auch das Ausmaß der Vereisungen kurz- bis längerfristig beeinflussen. Dazu gehören:
  • Meteoriteneinschläge, kurze Vulkanausbrüche und regelmäßig wiederkehrende Meeres­strömungs­schwankungen wie das El-Niño-Phänomen;
  • Jahrzehnte andauernde Vulkanausbrüche sowie Änderungen in der Ozeanzirkulation;
  • hunderttausend bis hundert Millionen Jahre andauernde Klimaschwankungen, die vor allem durch plattentektonische Prozesse gesteuert werden – und in deren Folge sich die Ozeanzirkulation und der Kohlenstoffkreislauf verändern.
Alle diese Einflüsse gilt es zu bedenken, wenn man versucht zu ergründen, weshalb es im Lauf der Geschichte wiederholt zu teilweise extremen Vergletscherungen auf der Erde kam und warum die Eismassen zwischendurch auch immer wieder verschwanden.

Klima extrem: die Schneeball-Erde

Die größten Eisflächen bedeckten die Erde im Zeitraum vor 2,5 Milliarden bis 541 Millionen Jahre. In dieser Epoche kam es über Jahrmillionen wiederholt zu anhaltenden Extremvereisungen mit Eisschilden und Gletschern, die so groß waren, dass sie von den Polarregionen bis zum Äquator reichten. Dafür sprechen verschiedene Gesteinsfunde, auf deren Basis Forscher in den 1960er-Jahren erstmals die Vermutung äußerten, dass die Erde einst unter einer geschlossenen Eisdecke gelegen haben muss. Der US-amerikanische Geologe Joseph L. Kirschvink formulierte dann im Jahr 1992 die Hypothese von der „Schneeball-Erde“, der zufolge der Planet damals aus dem Weltall betrachtet wie ein Schneeball ausgesehen haben muss – so großflächig und nahezu vollständig waren Kontinente und Meere mit Eis bedeckt. Nach dieser Theorie betrug die globale Durchschnittstemperatur in diesen extremen Eiszeiten minus 50 Grad Celsius. Am Äquator war es mit einer Jahresmitteltemperatur von minus 20 Grad Celsius so kalt wie heutzutage in der Antarktis.
Kirschvinks Hypothese ist bis heute umstritten. Kritiker werfen zum einen die Frage auf, wie damals bereits existierende Lebewesen unter einer komplett geschlossenen Eisdecke überlebt haben sollen. Zum anderen gibt es noch keine befriedigende Erklärung dafür, welche Prozesse am Ende der Eiszeiten stark genug waren, das Klima von extrem kalt wieder auf normal zu drehen. Dennoch spricht mittlerweile die Mehrzahl der geologischen Hinweise für wenigstens drei solcher Schneeballzustände. Der erste ereignete sich vor 2,3 Milliarden Jahren im Zuge der Makganyene-Vereisung; der zweite, die Sturtische Eiszeit, vor 760 bis 640 Millionen Jahren sowie der dritte, die Marinoische Eiszeit, vor etwa 635 Millionen Jahren.

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Als Auslöser dieser extremen Zustände wird eine Kombination aus tektonischen Plattenbewegungen, sinkenden Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre sowie starken Eis-Albedo-Rückkopplungen vermutet. So befanden sich sowohl im Vorfeld der ersten Schneeball-eiszeit als auch vor den späteren Schneeballereignissen große Landmassen in den tropischen Breiten. Eine solche Plattenkonzentration um den Äquator herum setzte zwei Prozesse in Gang, die zu einer unmittelbaren Abkühlung führten. Erstens führten in Regionen mit feuchtem Klima Regenfälle dazu, dass junge Felsen und Gebirge, die durch die Plattenbewegungen an die Erdoberfläche gehoben worden waren, verwitterten. Das heißt, wann immer Regenwasser auf das nackte Kalk- oder Silikatgestein fiel, reagierte es mit dem Kohlendioxid aus der Luft zu Kohlensäure, die dann in der Lage war, Minerale aus dem Gestein zu lösen und den Fels auf diese Weise zu zersetzen. Das Treibhausgas Kohlendioxid wurde bei diesem Vorgang gebunden und damit der Atmosphäre entzogen – und zwar für lange Zeit. In Klimamodellierungen konnten Wissenschaftler inzwischen nachweisen, dass eine globale Vergletscherung bei einer Kohlendioxidkonzentration von unter 40 ppm (parts per million, Millionstel) einsetzt.
Zweitens ließ die dichte Ansammlung der Kontinente am Äquator den tropischen Ozean weniger Wärme aufnehmen, weil durch diese Landkonstellation weniger Wasserfläche als Wärmespeicher zur Verfügung stand. Die Meeresströmungen konnten also weniger Wärme auf dem Erdball verteilen. Astrophysiker gehen außerdem davon aus, dass die Sonne seit ihrer Entstehung bis heute immer leuchtstärker geworden ist. Vor 800 Millionen Jahren empfing die Erde beispielsweise etwa sechs Prozent weniger Sonneneinstrahlung als heute.
Unter diesen Voraussetzungen genügte vermutlich ein großer Vulkanausbruch, der Millionen Tonnen Asche­partikel in die Atmosphäre katapultierte und die Sonneneinstrahlung zusätzlich reduzierte, um den Übergang in einen Schneeballzustand auslösen. Dazu mussten nur die ersten Gletscher entstehen. Je größer deren Fläche wurde, desto mehr der einfallenden Sonnenenergie wurde vom Eis reflektiert – und die Erde kühlte sich weiter ab.
Wer oder was diese Spirale der Eiseskälte irgendwann stoppte, können die Wissenschaftler bislang nur vermuten. Wahrscheinlich waren es erneut plattentektonische Verschiebungen und Vulkanausbrüche, welche die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre über einen Zeitraum von fünf bis zehn Millionen Jahre wieder ansteigen ließen und damit die Rückkehr zu einer Phase mit wärmerem Klima einläuteten. Die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre erreichte am Ende der dritten globalen Vereisung sogar die Zehn-Prozent-Marke und lag damit um ein Vielfaches höher als die heutige Kohlendioxidkonzentration von 0,041 Prozent (entspricht 410 ppm). Die Welt kippte infolgedessen von einem Schneeballklima in ein Supertreibhausklima, dessen Wärme den wahrscheinlich bis zu 4000 Meter dicken Eispanzer der Erde innerhalb weniger Tausend Jahre schmelzen ließ. Für diese These sprechen unter anderem charakteristische Gesteinsablagerungen, die zum Beispiel im Oman oder auch in Australien gefunden wurden, sowie die Ergebnisse verschiedener Klimamodellierungen.

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Die Polkappen vereisen

Das Bild der jüngeren Klimageschichte der Polargebiete gleicht noch einem Puzzle, in dem viele Teile fehlen. Ziemlich sicher weiß man, dass die gegenwärtige Vereisung der Antarktis vor circa 40 bis 35 Millionen Jahren einsetzte. In dieser Zeit veränderte sich das Klima der Erde grundlegend. Zum einen nahm die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre deutlich ab, wodurch auch die Luft- und Wassertemperaturen sanken. Zum anderen öffneten sich auf der Südhalbkugel zunächst die Tasmanian Passage, der Seeweg zwischen Tasmanien und der Ostantarktis, später die Drake Passage. Der antarktische Kontinent ist seitdem vollständig von einer tiefen Meeresstraße um­geben, auf der die Wassermassen des Zirkumpolarstroms fließen. Sie verhindern bis heute, dass warme Meeresströmungen aus dem Norden die Antarktis erreichen.
Die ersten Gletscher bildeten sich vermutlich in den Gebirgslagen der Ostantarktis – genauer gesagt in den Bergen der Region Königin-Maud-Land, im Transantarktischen Gebirge sowie im heute völlig unter dem Eispanzer verborgenen Gamburzewgebirge, benannt nach dem sowjetischen Geophysiker Grigori Alexandrowitsch Gamburzew. Weil es damals kalt genug war und ausreichend Schnee fiel, müssen diese Gletscher sehr schnell gewachsen sein. Darauf lassen Klimadaten aus Tiefseesedimenten schließen, denen zufolge die Antarktis bereits vor 34 Millionen Jahren einen oder mehrere Eisschilde besaß, die etwa halb so viel Eis speicherten wie zum gegenwärtigen Zeitpunkt.
In der Folgezeit wuchsen und schrumpften die Eismassen der Antarktis, je nachdem, wie sich das globale Klima entwickelte und wie viel Sonnenenergie das Südpolargebiet erreichte. Sie verschwanden allerdings nie vollständig. Ihre größte Ausdehnung erreichten die beiden heute noch existierenden Eisschilde der Ost- und Westantarktis zum Höhepunkt des Letzten Glazialen Maximums vor etwa 19 000 Jahren. Ihre Eiszungen erstreckten sich damals bis zum äußeren Rand des Kontinentalsockels, was zu einer Absenkung des Meeresspiegels um etwa fünf bis 15 Meter führte. Zum Vergleich: Die westantarktischen Gletscher ragten damals etwa 450 Kilometer weiter auf das Südpolarmeer hinaus als heutzutage und transportierten so viel Eis, dass die Eiszungen nicht mehr schwammen (Schelfeis), sondern auf dem Meeresboden auflagen (Eisschild). Gleiches galt für die Gletscher in der Rossmeer- und Weddellmeerregion. Insgesamt lag der globale Meeresspiegel zum Höhepunkt der letzten Eiszeit etwa 120 Meter niedriger als heute.
Die Frage nach der ersten Vergletscherung in der Arktis ist seit dem Jahr 2004 nicht mehr so klar zu beantworten. Bis dahin hatte man angenommen, dass die großflächige Gletscherbildung im Nordpolargebiet erst vor 2,7 Millionen Jahren einsetzte – das heißt mehr als 30 Millionen Jahre später als in der Antarktis. Im Sommer 2004 aber fanden Wissenschaftler bei Bohrungen im Sedimentkern am Lomonossowrücken in mehr als 44 Millionen Jahre alten Ablagerungen grobe Gesteinspartikel, die weder vom Wind noch vom Wasser in den Ozean eingetragen worden sein konnten. Einige Forscher schlussfolgerten daraufhin, dass schon damals Eisberge auf dem Arktischen Ozean getrieben sein müssen, welche dieses Geröll mit sich trugen. Diese Annahme wiederum würde bedeuten, dass es auch damals schon Gletscher in Meeresnähe gab, von denen diese Eisberge gekalbt waren.
Ob diese Interpretation stimmt und die Arktis wirklich früher vergletscherte als die Antarktis, wird seitdem kontrovers diskutiert. Gegen die Eisbergthese sprechen unter anderem Überreste von Wäldern, die zu dieser Zeit in der Arktis wuchsen und auf ein Klima hinweisen, das für Gletscher deutlich zu warm war. Andere Forscher argumentieren, dass auch Meereis die Gesteinspartikel transportiert haben könnte. Wie weiterführende Analysen der Bohrkerne vom Lomonossowrücken ergaben, könnte der Arktische Ozean von einer ersten dauerhaften Meereisdecke überzogen worden sein, lange bevor sich in der Ostantarktis die ersten Eisschilde bildeten.
Die ersten Gletscher auf der Nordhalbkugel entstanden im Zuge einer deutlichen Abkühlung des Klimas vor 3,2 bis 2,5 Millionen Jahren. Damals sank die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre von etwa 400 auf rund 300 ppm. Gleichzeitig schloss sich aufgrund plattentektonischer Verschiebungen die Meeresstraße von Panama, sodass der bis dahin stete Wasseraustausch zwischen dem Pazifischen und dem Atlantischen Ozean gestoppt wurde.

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Welchen Einfluss diese Veränderung auf das Klima in der Arktis hatte, wird in der Wissenschaft kontrovers diskutiert. Mehr und mehr Studien deuten jedoch darauf hin, dass sich infolge des unterbrochenen Wasseraustauschs zwischen Pazifik und Atlantik die Meeresströmungen in beiden Ozeanen veränderten. Im Atlantischen Ozean verstärkte sich der Golfstrom. Er und seine Ausläufer transportierten nun mehr salzhaltiges Wasser, Wärme und Feuchtigkeit in den hohen Norden. Das Wasser kühlte in der Framstraße an der Meeresoberfläche ab und sank kalt und schwer Richtung Meeres­boden. Dort angekommen, wanderte es dem globalen Förderband der Meeresströmungen folgend Richtung Süden. Die Wärme und Feuchtigkeit über dem Meer dagegen wurden von den Westwinden Richtung Europa und Sibirien getragen. Dort regnete und schneite es nun häufiger, sodass die Flüsse deutlich mehr Süßwasser in den Arktischen Ozean transportierten. Meerwasser mit einem hohen Süßwasseranteil wiederum gefriert im Winter schneller zu Meereis.
Die Klimaforscher gehen nun davon aus, dass sich damals mehr Eisschollen auf dem Arktischen Ozean bildeten. Die wachsende Eisdecke wiederum reflektierte einen zunehmenden Teil der einfallenden Sonnenstrahlung ins Weltall und verhinderte so, dass der Ozean die Wärme speicherte. Gleichzeitig veränderte sich vor 3,1 bis 2,5 Millionen Jahren der Neigungswinkel der Erde zur Sonne. Der Planet neigte sich ein Stück von der Sonne weg, sodass die Nordhalbkugel deutlich weniger Sonneneinstrahlung abbekam, als dies heutzutage der Fall ist. Die Jahreszeiten wurden kälter, im Sommer schmolz vor allem in den Hochlagen weniger Schnee. Die übrig gebliebenen Schneemassen verdichteten sich mit der Zeit zu Firn. ­Später entstand daraus das Eis der ersten Gletscher.
Während der anschließenden Eiszeiten bedeckten zeitweise kilometerdicke Eispanzer große Teile Nordamerikas, Europas und Sibiriens. Tiefe, parallel verlaufende Furchen am Meeresboden der Ostsibirischen See deuten sogar darauf hin, dass sich innerhalb der vergangenen 800 000 Jahre selbst direkt im Arktischen Ozean Eisschilde gebildet haben, die im Gegensatz zum Packeis nicht auf der Wasseroberfläche schwammen, sondern auf dem Meeresboden auflagen. Diese Eismassen waren mindes­tens 1200 Meter mächtig und erstreckten sich vermutlich über eine Fläche so groß wie Skandinavien.
Das Wissen von der Existenz solcher marinen Eisschilde stellt viele der bisherigen Vorstellungen zur Vereisungsgeschichte der Arktis infrage. Belegen die Furchen doch, dass Großvereisungen nicht nur von Hochlagen auf den Kontinenten ausgehen, wie dies etwa in Grönland, Nordamerika und im Norden Europas und Asiens der Fall war. Eisschilde können auch im Meer entstehen. Eine Antwort auf die Frage, welche Umweltbedingungen dazu jedoch erforderlich sind, gehört zu den vielen fehlenden Teilen im Vereisungspuzzle der Polargebiete. Textende
1.15 > Wo Eisberge oder Schelfeise auf dem Meeresboden aufliegen, hinterlassen sie bei ihrer Wanderung Spuren. Diese nahezu kreisrunde Furche hat ein Eisberg vor der Küste Spitzbergens in den Untergrund gezogen.
Abb. 1.15 © Kelly Hogan/Britisch Antarctic Survey