Die lange Zeitspanne hat Wissenschaftler immer vor ein Rätsel gestellt: Warum wurde die Antarktis vor 34 Millionen Jahren von massiven Eisschilden bedeckt, während der Arktische Ozean seine Eiskappe erst vor etwa 3 Millionen Jahren erhielt?

Seit dem Ende der extrem warmen, von Dinosauriern dominierten Kreidezeit vor 65 Millionen Jahren sind die wärmespeichernden Treibhausgase in der Atmosphäre stetig zurückgegangen (mit der anomalen Ausnahme des letzten Jahrhunderts), und der Planet als Ganzes hat sich stetig abgekühlt. Warum sind also nicht beide Pole gleichzeitig eingefroren?

Die Antwort auf das Paradoxon liegt in dem komplexen Zusammenspiel von Kontinenten, Ozeanen und Atmosphäre. Wie Teile eines Puzzles haben sich die sich bewegenden tektonischen Platten der Erde auf der Oberfläche des Globus neu angeordnet – und dabei die Konfiguration der dazwischen liegenden Ozeane verändert, die Ozeanzirkulation verändert und Veränderungen des Klimas verursacht.

Die Entwicklung von Eisschilden auf der südlichen Hemisphäre vor etwa 34 Millionen Jahren scheint ziemlich einfach zu sein. Der Superkontinent Gondwana brach auseinander und teilte sich in Teilbereiche auf, aus denen Afrika, Indien, Australien, Südamerika und die Antarktis entstanden. Zwischen diesen neuen Kontinenten öffneten sich Passagen, die es den Ozeanen ermöglichten, zwischen ihnen zu fließen.

Als die Antarktis schließlich von der Südspitze Südamerikas abgetrennt wurde, um die Drake-Passage zu schaffen, wurde die Antarktis vollständig vom Südlichen Ozean umgeben. Der mächtige Antarktische Zirkumpolarstrom begann, den Kontinent ganz zu umspülen, wodurch die Antarktis vom größten Teil der Wärme aus den Weltmeeren abgeschnitten wurde und eine großflächige Abkühlung eintrat.

Die nördliche Hemisphäre ist problematischer. Aus Sedimentkernen und anderen Daten wissen wir, dass Nord- und Südamerika bis vor etwa 5 Millionen Jahren nicht miteinander verbunden waren. Eine riesige Lücke – der Mittelamerikanische Seeweg – ermöglichte es tropischem Wasser, zwischen dem Atlantik und dem Pazifik zu fließen.

Immer mehr Beweise deuten darauf hin, dass die Bildung des Isthmus von Panama den Atlantik und den Pazifik trennte und die globale Ozeanzirkulation grundlegend veränderte. Die Schließung des Mittelamerikanischen Seewegs könnte das Klima der Erde zunächst erwärmt haben, dann aber die Voraussetzungen für die Vergletscherung der nördlichen Hemisphäre vor 2,7 Millionen Jahren geschaffen haben.

Das Ozeanband

Ein grundlegendes Element des heutigen Klimasystems ist ein förderbandartiges Ozeanzirkulationsmuster, das große Mengen an Wärme und Feuchtigkeit um unseren Planeten verteilt. Diese globale Zirkulation wird durch das Absinken von kaltem, salzhaltigem und daher dichtem Ozeanwasser angetrieben.

Im heutigen Ozean fließt warmes, salzhaltiges Oberflächenwasser aus der Karibik, dem Golf von Mexiko und dem äquatorialen Atlantik mit dem Golfstrom nordwärts. Wenn das warme Wasser hohe nordatlantische Breiten erreicht, gibt es Wärme und Feuchtigkeit an die Atmosphäre ab und hinterlässt kaltes, salziges, dichtes Wasser, das auf den Meeresboden sinkt. Dieses Wasser fließt in der Tiefe, südwärts und unter dem Golfstrom hindurch, in den Südlichen Ozean und dann durch den Indischen und den Pazifischen Ozean. Schließlich vermischt sich das Wasser mit wärmerem Wasser und kehrt in den Atlantik zurück, um den Kreislauf zu vollenden.

Der Hauptmotor dieser globalen Zirkulation, die oft als Ocean Conveyor bezeichnet wird, ist der unterschiedliche Salzgehalt zwischen dem Atlantik und dem Pazifik. Bevor es den Isthmus von Panama gab, floss das Oberflächenwasser des Pazifiks in den Atlantik. Ihr Wasser vermischte sich und glich den Salzgehalt der beiden Ozeane in etwa aus.

Vor etwa 5 Millionen Jahren begannen die nordamerikanische, die südamerikanische und die karibische Platte zu konvergieren. Die allmähliche Verlandung des Mittelamerikanischen Seewegs begann den Wasseraustausch zwischen dem Pazifik und dem Atlantik einzuschränken, und ihr Salzgehalt ging auseinander.

Durch die Verdunstung im tropischen Atlantik und in der Karibik wurde das Ozeanwasser dort salziger, und frischer Wasserdampf gelangte in die Atmosphäre. Die Passatwinde trugen den Wasserdampf von Osten nach Westen über den tief liegenden Isthmus von Panama und lagerten durch Regenfälle Süßwasser im Pazifik ab. Infolgedessen wurde der Pazifik relativ frischer, während der Salzgehalt im Atlantik langsam und stetig anstieg.

Als Folge der Schließung des Seewegs verstärkte sich der Golfstrom. Er transportierte mehr warme, salzige Wassermassen in hohe nördliche Breiten, wo arktische Winde sie abkühlten, bis sie dicht genug waren, um auf den Meeresboden zu sinken. Der Ocean Conveyor kam ins Rollen und zog noch mehr Golfstromwasser nach Norden.

Der Golfstrom wird stärker

Wie entsteht dadurch Eis im Norden?

Peter Weyl stellte 1968 die Hypothese auf, dass die Schließung des Mittelamerikanischen Seewegs und die Verstärkung des Golfstroms eine kritische Zutat für das Wachstum von Eisschilden in die nördliche Hemisphäre gebracht hätten – Feuchtigkeit. Weyls Theorie ging davon aus, dass die Schließung des Mittelamerikanischen Seewegs und die Anreicherung von Salz im Atlantik mit dem Wachstum der nördlichen Eisschilde vor 3,1 bis 2,7 Millionen Jahren zusammenfiel.

Aber 1982 kamen Zweifel an dieser Hypothese auf, als Lloyd Keigwin in Ozeansedimenten Beweise dafür fand, dass die Schließung des Isthmus von Panama die Ozeanzirkulation mehr als eine Million Jahre früher beeinflusst hatte. Er wies nach, dass sich der Salzgehaltskontrast zwischen Atlantik und Pazifik bereits vor 4,2 Millionen Jahren zu entwickeln begann.

1998 bestätigten Gerald Haug und Ralf Tiedemann Keigwins Forschung mit höher aufgelösten Daten aus Sedimentkernen. Wenn sich der Salzgehalt bereits vor 4,2 Millionen Jahren verändert hatte, warum begann dann die Vergletscherung erst vor 2,7 Millionen Jahren? Im Gegenteil, die Erde erlebte zwischen 4,5 Millionen und 2,7 Millionen Jahren eine Warmzeit.

Diese globale Warmzeit, die so genannte mittelpleistozäne Warmzeit, könnte auch mit der Schließung des Mittelamerikanischen Seewegs und der daraus resultierenden Neuordnung der globalen Ozeanzirkulation zusammenhängen. Ein belebter Ocean Conveyor könnte einen stärkeren Strom von Tiefenwasser aus dem Atlantik in den Nordpazifik angetrieben haben, der die Endstation der Tiefseezirkulation darstellt.

Auf ihrer Reise in den Nordpazifik wurde dieses Tiefenwasser mit Nährstoffen und Kohlendioxid angereichert. Im subarktischen Pazifik könnte dieses Tiefenwasser aufgewirbelt worden sein und zur sonnenbeschienenen Oberfläche aufgestiegen sein, um die Zutaten für eine enorme Blüte des Phytoplanktons zu liefern. Große Mengen an Kieselsäure und Opal (das konservierte Material der Phytoplanktonschalen) in den Sedimenten des Meeresbodens zeugen sowohl von den Blüten als auch von dem starken Auftrieb.

Der Auftrieb könnte jedoch so stark gewesen sein, dass das Phytoplankton nicht mit dem Auftrieb Schritt halten konnte, d. h. es stieg mehr Kohlendioxid auf, als vom Phytoplankton verbraucht wurde. Infolgedessen gelangte das überschüssige Kohlendioxid zurück in die Atmosphäre und fügte ein Treibhausgas hinzu, das den Planeten erwärmte.

Kurzschluss des Förderbandes

Was beendete die Warmzeit im mittleren Pliozän vor etwa 2,7 Millionen Jahren? Und was verursachte schließlich die Vergletscherung der nördlichen Hemisphäre etwa zur gleichen Zeit – aber fast 2 Millionen Jahre nach der Entstehung der Landenge von Panama?

Weyls ursprüngliche Theorie eines stärkeren, feuchtigkeitsbeladenen Golfstroms warf eine weitere unangenehme Frage auf: Wie konnte der Golfstrom – der nicht nur Feuchtigkeit, sondern auch Wärme in den Nordatlantik transportiert – zu einer starken Abkühlung der nördlichen Hemisphäre und zur Bildung von Eis führen?

Neal Driscoll und Gerald Haug schlugen eine Lösung vor. Sie postulierten, dass die vom Golfstrom nach Norden getragene Feuchtigkeit von den vorherrschenden Westwinden nach Eurasien transportiert wurde. Es fiel als Regen oder Schnee und führte schließlich mehr Süßwasser in den Arktischen Ozean – entweder direkt oder über die großen sibirischen Flüsse, die in den Arktischen Ozean münden.

Das zusätzliche Süßwasser hätte die Bildung von Meereis begünstigt, das Sonnenlicht und Wärme zurück in den Weltraum reflektieren würde. Es würde auch als Barriere wirken, die die im Ozean gespeicherte Wärme daran hindert, in die Atmosphäre über der Arktis zu entweichen. Diese beiden Phänomene würden die hohen Breiten weiter abkühlen. Außerdem wäre das arktische Wasser, das in den Nordatlantik zurückfließt, weniger kalt und salzig geworden, was die Effizienz des ozeanischen Förderbandes als globale Wärmepumpe für die nordatlantischen Regionen beeinträchtigt hätte.

Die Neigung zur Vergletscherung

Diese Voraussetzungen – Feuchtigkeit plus ein arktischer Kern zur Abkühlung – hätten das Klimasystem sehr anfällig für das Wachstum von Eisschilden gemacht. Selbst bescheidene Veränderungen in der globalen Umwelt hätten ausgereicht, um die Waage zu kippen und zum Beginn einer großen Vergletscherung der nördlichen Hemisphäre zu führen.

Eine solche Veränderung fand zwischen 3,1 und 2,5 Millionen Jahren statt, als die Erdachse schwankte, so dass die Neigung des Planeten zur Sonne geringer war als der heutige Winkel von 23,45 Grad. Die geringere Neigung der Erde hätte die Menge und Intensität der auf die nördliche Hemisphäre treffenden Sonnenstrahlung verringert, was zu kälteren Sommern und einer geringeren Schneeschmelze im Winter geführt hätte.

Die beginnende Vergletscherung der nördlichen Hemisphäre hatte auch Auswirkungen auf den subarktischen Pazifik. Sie führte vor etwa 2,7 Millionen Jahren zur Bildung eines Süßwasserdeckels an der Meeresoberfläche, einer so genannten Halokline. Diese arktische Halokline hätte eine Barriere für den Auftrieb geschaffen, die das Aufsteigen von kohlenstoffdioxidreichem Tiefenwasser an die Oberfläche verhindert hätte. Das „Leck“ des wärmespeichernden Kohlendioxids in der Atmosphäre wurde gestoppt, wodurch sich der Planet weiter abkühlte.

Viele andere Rückkopplungsmechanismen zwischen Ozean und Atmosphäre, die sich aus dem Öffnen und Schließen ozeanischer Gateways ergeben, sind noch unvollständig verstanden. Mark Cane und Peter Molnar haben zum Beispiel vorgeschlagen, dass die Hebung und Bewegung der indonesischen Inseln vor 5 bis 3 Millionen Jahren im Wesentlichen dazu geführt haben könnte, dass weniger warmes Wasser aus dem Südpazifik und mehr kühleres Wasser aus dem Nordpazifik durch den Indonesischen Ozean geleitet wurde. Die Folge könnte gewesen sein, dass der Pazifik von dauerhafteren El-Niño-ähnlichen Bedingungen (die Wärme aus den Tropen in die hohen Breiten transportieren) zu einem La-Niña-ähnlichen Zustand überging (der den Wärmetransfer eingeschränkt und die nördliche Hemisphäre abgekühlt hätte).

Die Lehren aus diesen gewaltigen geologischen und geografischen Veränderungen sind sowohl elegant einfach als auch unerträglich komplex. Das Öffnen und Schließen von Meeresstraßen hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Verteilung von Süßwasser, Nährstoffen und Energie im globalen Ozean. Die Verbindung dieser sich verändernden Ozeane mit einer sich verändernden Atmosphäre führt unweigerlich zu einem sich verändernden Klima.