Die Fieberkurve der Erde

Generell sprechen Geologen von einer Eiszeit, wenn die Pole dauerhaft mit Eis bedeckt sind – abweichend von der landläufigen Verwendung des Begriffs. Dieser Definition zufolge befinden wir uns momentan in einem Eiszeitalter, denn die Antarktis ist seit 34 Millionen Jahren eisbedeckt, und das Grönländische Eisschild existiert seit mindestens 2,7 Millionen Jahren. Fachlich wird unsere Gegenwart deshalb durch den Terminus „Interglazial“ beschrieben, was Zwischeneiszeit bedeutet, also eine mildere zwischenzeitliche Phase in einer geologischen Eiszeit ist.

Die mittlere globale Temperatur beträgt aktuell 15,1 Grad Celsius. Paläoklimatologen wollen entsprechende Werte auch für die urzeitliche Erde ermitteln. Zudem ist der langfristige Wandel des Erdklimas für andere Forschungsdisziplinen von wissenschaftlichem Interesse: Um die Folgen menschlicher Eingriffe ins Erdklima vorherzusagen, muss man dessen natürlichen Verlauf kennen. Ebenso die Paläontologie: Nur auf Grundlage genauer Paläoklimadaten lässt sich die Geschichte des Lebens verstehen. Und sogar die Astronomie profitiert, weil bei der Suche nach lebensfreundlichen Planeten deren Klima mit dem irdischen verglichen werden kann.

Dominantes Kohlendioxid

Im September 2024 publizierte die angesehene Wissenschaftszeitschrift Science neue Analysen eines Forschungsteams um Emily Judd vom Washingtoner Smithsonian National Museum of Natural History. Die Studie erfasst den globalen Temperaturverlauf über 485 Millionen Jahre. Das ist ein sehr langer Zeitraum. Er bildet den größten Teil des jüngsten Äons ab, Phanerozoikum genannt, als sich die Erde zu dem Planeten formte, wie wir ihn heute kennen.

Da eine direkte Messung der damaligen Temperaturen, beispielsweise der urzeitlichen Ozeane, heute nicht mehr möglich ist, werden sogenannte Proxys verwendet (siehe Kasten „Sauerstoff entschlüsselt das Klima“). In Kombination mit Simulationsrechnungen konnte Judds Team auf diese Weise die Temperaturen ableiten. Dabei berücksichtigte es über 150.000 Datenpunkte aus fünf verschiedenen geochemischen Archiven, etwa aus den Schalen fossiler Meerestierchen.

Die Resultate zeigen einen schwankenden Verlauf. Insgesamt wies die Erde häufiger wärmere Klimazustände auf als kalte. Phasenweise betrug die mittlere globale Temperatur auf der Oberfläche sogar fiebrige 36 Grad Celsius. Mit 11 Grad konnten die Werte aber auch deutlich unter das aktuelle Niveau fallen, fand das Judd-Team heraus.

Frank Wilhelms vom Alfred-Wegener-Institut am Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven ist an der Gewinnung und Analyse des ältesten Eisbohrkerns der Welt beteiligt. · © Esther Horvath / Alfred-Wegener-Institut

Die durchschnittlichen Temperaturen in den Tropen hätten sogar zwischen 22 und 42 Grad gelegen. Es bestehe eine starke Verbindung zwischen der globalen Temperatur und dem Kohlendioxidgehalt in der Lufthülle. „Bei niedrigem CO₂-Gehalt ist es kalt, ist dieser jedoch hoch, so ist es warm“, resümiert Jessica Tierney von der University of Arizona, die an der Studie beteiligt war. „Unsere Forschung belegt eindeutig, dass Kohlendioxid den größten Einfluss auf die globalen Temperaturen im Laufe der Erdgeschichte hat“, fasst die Paläoklimatologin zusammen.

Die Temperaturkurve zeigt, dass unser Klima seit über 50 Millionen Jahren eine Abkühlungsphase durchlebt. Innerhalb dieses langfristigen Trends erfolgte mit Beginn des Quartärs vor 2,59 Millionen Jahren eine neue Ära, die durch aufeinanderfolgende Kalt- und Warmzeiten geprägt war. Ihr gilt auch die aktuelle Bohrung am Südpol, gewissermaßen die Fortsetzung der EPICA-Bohrung („European project for ice coring in Antarctica“), die bereits ab 1996 einen etwa 3.500 Meter langen Eiskern zu Tage förderte; er enthält bis zu 800.000 Jahre altes Eis. In diesen Zeitraum fielen acht ausgeprägte Kaltzeiten.

EPICA konnte allerdings keine Auskunft über den sogenannten Mittel-Pleistozän-Übergang geben, also den Wechsel vom 41.000-Jahres-Rhythmus zum derzeitigen 100.000-Jahres-Rhythmus. Er ist in noch älterem Eis archiviert – die neue Bohrung heißt darum „Beyond EPICA – oldest ice“. Wissenschaftsinstitute aus Italien, Frankreich, Belgien, Großbritannien, Dänemark, Schweden, Norwegen, den Niederlanden, der Schweiz und Deutschland arbeiten gemeinsam an dem aufwändigen Projekt. Obwohl der neue Bohrkern mit knapp 2.800 Metern weniger lang ist als sein Vorgänger, ist durch Vor-Ort-Analysen am Bohrloch bereits klar, dass darin älteres Eis als im EPICA-Kern ist.

Kosmischer Einfluss

Seit langem ist bekannt, dass Treibhausgase allein nicht das Auf und Ab der irdischen Temperaturkurve erklären, sondern auch außerirdische Faktoren eine Rolle spielen, insbesondere die Planeten des Sonnensystems. Der Ingenieur und Mathematiker Milutin Milanković propagierte den Gedanken bereits in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts; sein Hauptwerk „Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitproblem“ erschien 1941.

Der serbische Gelehrte rückte die Sonne in den Mittelpunkt seiner Überlegungen und konzentrierte sich dabei auf die Bewegungen der Erde um unseren Zentralstern. Denn sie ist nicht so konstant wie oft vermutet. So schwankt die Schiefstellung der Erdachse, die sich momentan 23,4 Grad gegen die Ebene der Umlaufbahn neigt; dieser Winkel bewirkt bekanntlich die Jahreszeiten. Die Achsneigung wird durch den Erdmond stabilisiert. Trotzdem ändert sie sich langfristig um 2,5 Grad, was geringe gravitative Störkräfte durch Jupiter und Saturn bewirken, indirekt auch von der Venus.

Sie beeinflussen langfristig das irdische Klima: Venus, Mars, Jupiter und Saturn (von links, nicht im gleichen Maßstab). · © Wikimedia Commons / Kevin M. Gill (CC BY 2.0) | UAESA, MBRSC, LASP, EMM-EXI, Jason Major | NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI) | NASA, ESA, CSA, Matthew Tiscareno (SETI Institute), Matthew Hedman (University of Idaho), Maryame El Moutamid (Cornell University), Mark Showalter (SETI Institute), Leigh Fletcher (University of Leicester), Heidi Hammel (AURA); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI) | mauritius images / Historic Images / Alamy

Hinzu kommen zwei weitere Erdbahnparameter: die Frequenz der Präzession, welche die Taumelbewegung der Erdachse beschreibt, und die elliptische Abweichung der Umlaufbahn von der Kreisform, die sogenannte Exzentrizität. Alle drei Parameter haben jeweils ihre eigene Periodendauer: Die Achsneigung etwa variiert innerhalb von 41.000 Jahren und zwar aktuell mit langsam fallendem Trend. (Zu weiteren planetaren Einflüssen siehe Kasten „Im Takt der Planeten“).

Zusammen beeinflussen die Erdbahnparameter die Menge der Sonneneinstrahlung auf der Erde. Nach Milanković folgt das irdische Eis dem schwankenden kosmischen Einfluss. Zum Beispiel wird mit schwindender Achsneigung die Ausprägung der Jahreszeiten allmählich schwächer, was tendenziell kühlere Sommer begünstigt. In Breiten ab 65 Grad kann deshalb mehr Winterschnee überdauern und darum langfristig die Eisschilde wachsen lassen. Andererseits führt eine größere Neigung der Erdachse zu intensiveren Jahreszeiten und einer stärkeren sommerlichen Einstrahlung mit erhöhter Schneeschmelze – was wiederum die Eismenge in den hohen Breiten reduziert. Das Eis rückt also periodisch nach Süden vor beziehungsweise zieht sich nach Norden zurück.

Deckungsgleiche Perioden

Zwar erntete Milanković für seine Theorie Zustimmung, beispielsweise von Alfred Wegener – der Polarforscher begründete die Vorstellung von der Drift der Kontinente. Doch es mangelte jahrzehntelang an handfesten Belegen. Das änderte sich erst 1976, als ein Team um den Geologen James D. Hays von der Columbia University im Staat New York zwei Sedimentkerne vom Grund des südlichen Indischen Ozeans aus über 3.000 Meter Meerestiefe untersuchte. Die Forscher zählten mikroskopische Radiolarien (Strahlentierchen), um daraus die vergangenen Temperaturen der Meeresoberfläche abzuleiten. Sie bestimmten auch den Gehalt von Sauerstoff-Isotopen in den Schalen von Foraminiferen – ein indirektes Maß für die Eisbedeckung der Kontinente. Damit wollten sie die Dauer der natürlichen Zyklen in der Klima-Vergangenheit berechnen. Die ermittelten geologischen Werte sollten dann mit den Perioden der Erdbahnparameter verglichen werden, die der belgische Klimatologe André Berger damals präzise aus dem Einfluss aller acht Planeten neu berechnet hatte.

Teammitglied John Imbrie staunte nicht schlecht, als der Großrechner seiner heimischen Brown University im US-Bundesstaat Rhode Island die Auswertung ausspuckte: Aus den geologischen Proben ergaben sich fast exakt dieselben Perioden, wie sie auch die Erdumlaufbahn in den vergangenen 450.000 Jahren durchlaufen hatten. Darunter war der 41.000-Jahres-Zyklus der Achsenneigung und der 21.000-Jahres-Zyklus der Präzession. Das konnte kein Zufall sein: „Donnerwetter, Milanković hat Recht“, schoss es ihm durch den Kopf.

Die Studie gilt heute als Durchbruch, der belegt, dass die Milanković-Zyklen bei den Eiszeiten eine entscheidende Rolle spielen. Allerdings vermied es das Hays-Team, die genauen Mechanismen zu benennen, wie die Veränderungen des Erdorbits den Vorstoß beziehungsweise das Zurückweichen der Eisschilde bewirken. Salomonisch bemühten sie einen Vergleich mit einem Herzschrittmacher: Dessen Wirkung auf den Herzschlag sei analog zu den orbitalen Schwankungen. Zusammen mit internen Verstärkungsfaktoren im irdischen Klimasystem würden die wiederkehrenden Eiszeiten quasi eingetaktet.

Milutin Milankovic̀ (1879 bis 1958), hier als Student in Wien. · © mauritius images / Historic Images / Alamy

Doch nicht alle aus den Geoarchiven ermittelten Perioden konnten Hays und seine Kollegen mit den astronomischen Zyklen in Deckung bringen. Insbesondere der 100.000- Jahres-Rhythmus der Vereisungen im jüngeren Quartär blieb rätselhaft. Bald schon wurde klar, dass die Exzentrizität, die mit gleicher Periode schwankt, nur einen sehr geringen direkten Einfluss auf die Sonneneinstrahlung hat.

Neue Eiszeit abgesagt

Eine im Februar 2025 publizierte Studie ermöglicht nun neue Einsichten. Und wieder stehen die Parameter des Erdorbits im Fokus. Das internationale Team um Stephen Barker von der walisischen Cardiff University untersuchte, wie diese drei Faktoren die Entstehung und das Ende von Kaltzeiten bewirken. Barker: „Wir waren erstaunt, einen so deutlichen Einfluss der verschiedenen Orbitalparameter auf die Klimadaten zu finden.“

Demnach gebührt jedem einzelnen Parameter eine eigene Rolle, die zudem in ein komplexes Zusammenspiel eingebettet ist. So verändert die Achsenneigung die jahreszeitliche Energieverteilung und ist entscheidend für die anfängliche Bildung der Eisschilde und das Einsetzen von interglazialen Bedingungen. Die Präzession wiederum beeinflusst die Intensität des Sommers in mittleren bis hohen geografischen Breiten und spielt zudem eine wichtige Rolle beim Abschmelzen der Schilde – und zwar in Kombination mit einer stärkeren Achsenneigung. Hingegen wird das Wachsen der Schilde hauptsächlich durch eine abnehmende Achsenneigung bestimmt. Und schließlich die Exzentrizität: Sie variiert mit 100.000 Jahren und übt einen indirekten Einfluss aus, indem sie die Stärke der Präzession moduliert und die Bildung großer Eisschilde ermöglicht.

Barkers Team fand heraus, dass jede Vereisung der vergangenen 900.000 Jahre einem Schema folgt. „Das von uns gefundene Muster ist so deutlich, dass wir präzise reproduzieren konnten, wann die einzelnen Warmzeiten eintraten und wie lange sie dauerten.“

Im Prinzip lässt sich auch die Zukunft des natürlichen Erdklimas durch die Phasen der orbitalen Parameter prognostizieren – einschließlich des Wechsels in eine neue Kaltzeit, die womöglich in einigen Tausend Jahren ansteht, schreiben die Forscher. Ob dies allerdings Wirklichkeit wird, ist zweifelhaft. „Ein solcher Übergang ist sehr unwahrscheinlich“, meint Gregor Knorr vom Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven, der an der Studie beteiligt war. „Die menschlichen Emissionen von Kohlendioxid in die Atmosphäre haben das Klima bereits von seinem natürlichen Verlauf abgelenkt – mit langfristigen Auswirkungen auf die Zukunft.“ Barker sieht es ähnlich: „Klar scheint mir, dass, wenn keine Maßnahmen ergriffen werden, um den anhaltenden Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration umzukehren, die Eiszeit, die natürlicherweise in den nächsten paar tausend Jahren einsetzen sollte, ausfallen wird.“

Foraminiferen lassen sich in Fossilienfunden bis vor mehr als 500 Millionen Jahren nachweisen. Die mikroskopisch kleinen, einzelligen Organismen besitzen jeweils eine komplexe Schale, die sie sich aus Mineralien im Meerwasser aufbauen. Diese Schalen haben sich über Jahrmillionen hinweg in Sedimentschichten unter dem Meeresboden abgelagert sowie in Regionen, in denen Ozeane einst die Kontinente überfluteten. Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung solcher Schalen verrät, wie das Klima einst gewesen ist und wie es sich verändert hat. · Foto: © Brian Huber, Smithsonian (2)

Erhoffte Antworten aus der Tiefe

Zurück zum 100.000-Jahreszyklus der Gegenwart: Die Schwankungen des Eisvolumens zeigen seit dem mittleren Pleistozän eine stärkere Abhängigkeit von der Präzession, schließt Stephen Barker aus seiner Studie. „Meiner Ansicht nach legt das nahe, dass seit dem Übergang die nördlichen Eisschilde größer werden und sich weiter nach Süden ausbreiten konnten.“ Doch was waren die Ursachen für den mysteriösen Modus, dem die Eiszeiten nun folgen?

Die Erdbahnparameter kommen als Erklärung kaum infrage, ihre Variation war damals nicht anders als lange zuvor. Es muss also einen Mechanismus geben, der vor allem ein schnelleres Eisschildwachstum ermöglicht, etwa einen verstärkten Feuchtigkeitstransport ausgelöst durch veränderte Zirkulationen im Meer, spekuliert Barker.

Auf ozeanische Strömungen setzt auch eine Ende April publizierte Studie, die Iván Hernández-Almeida von der Universität Bern geleitet hat. Mithilfe von Bohrungen im Meeressediment südlich von Island fand das internationale Team heraus, dass im Nordatlantik zur Zeit des Mittel-Pleistozän-Übergangs verlangsamte Strömungen dafür sorgten, dass weniger CO₂ aus dem Meer in die Luft gelangte; das könnte zu längeren und intensiveren Eiszeiten beigetragen haben.

Glücklicherweise enthält der neue Bohrkern vom Südpol auch Eis aus dem Zeitraum, in dem der Übergang einsetzte. Mit Spannung warten die Klimaforscher nun auf die Resultate der Messungen. Erste Analysen sollen bereits dieses Jahr auf wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt werden. ■

THORSTEN DAMBECK ist promovierter Physiker und regelmäßiger BDW-Autor. Zuletzt berichtete er über die eishaltigen Himmelskörper am Rand unseres Sonnensystems (BDW 3/2026).

Informationen aus der Tiefe

Eine Bohrung beförderte antarktisches Eis aus mehr als 2,8 Kilometer Tiefe. Darin stecken Informationen über die irdischen Warm- und Kaltzeiten, die fast 1,5 Millionen Jahre in die Vergangenheit reichen.

Globale Temperaturschwankungen

Die Kurve gibt die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde in den letzten 485 Millionen Jahren wieder. Die grauen Schattierungen markieren unterschiedliche Konfidenzniveaus. Die Farbskala zeigt Eis- und Treibhaus-Klimata an.

Foto: © BDW-Grafik / Karl Marx; Quelle: Alfred-Wegener-Institut, Yves Nowak; R. Vaas

Sauerstoff entschlüsselt das Klima

Direkte Messungen von Klimadaten wie Temperaturen, Niederschlagsmengen oder Windverhältnisse sind nur für die jüngste Vergangenheit möglich. In der Paläoklimatologie setzt man deshalb auf Proxys („Stellvertreter“). Solche Messgrößen erlauben indirekte Rückschlüsse auf frühere Klimabedingungen. Sie sind in verschiedenen natürlichen Archiven gespeichert, etwa Baumringen, Seesedimenten oder Tropfsteinen.

Jedes dieser Archive reagiert in eigener Weise auf klimatische Änderungen und speichert über lange Zeiträume diese Information: Eisbohrkerne aus Grönland oder vom Südpol enthalten Staubpartikel, Luftblasen und chemische Signaturen. Sedimentkerne aus den Ozeanen beherbergen die Überreste einzelliger Meerestierchen. Viele dieser Organismen lagern Sauerstoff in ihren Schalen oder anderen Körperteilen ein. Denn der existiert nicht nur in der Luft, sondern ist auch das häufigste Element in der Erdkruste. In der Natur tritt es überwiegend in zwei stabilen Isotopen auf: dem leichteren ¹⁶O und dem schwereren ¹⁸O, das in seinem Atomkern zwei Neutronen mehr beherbergt. Darauf basiert die sogenannte δ¹⁸O-Methode.

Das Verhältnis der beiden Isotope verändert sich im Wasserkreislauf durch Verdunstung und Kondensation. Bevorzugt verdunsten nämlich die leichteren Isotope, während die schwereren eher in der Flüssigkeit verbleiben. Die Folge: In kalten Klimaphasen ist besonders viel ¹⁶O im Niederschlag, der als Schnee und Eis in den großen Eisschilden gespeichert wird. Und das verbleibende Meerwasser enthält mehr ¹⁸O. Umgekehrt wird in warmen Phasen mehr Schmelzwasser mit ¹⁶O in die Meere gespült.

Experten können die Klimaphasen entschlüsseln, indem sie das Verhältnis von ¹⁸O zu ¹⁶O bestimmen und die Abweichung von einem Standard berechnen – das ist der δ¹⁸O-Wert. Die Interpretation hängt vom jeweiligen Archiv ab: In Eisbohrkernen bedeuten niedrigere δ¹⁸O-Werte niedrigere Temperaturen, in Meeressedimenten weisen höhere δ¹⁸O-Werte hingegen auf kältere Bedingungen und größere Eisschilde hin.

Im Takt der Planeten

Ganz überwiegend ist es die Sonne, die mit ihrer Masse gravitativ auf die Erde einwirkt. Zudem macht sich der Mond bemerkbar, beispielsweise bei Ebbe und Flut oder längerfristig bei der Stabilisierung der Erdachsenneigung. Die Kräfte, die von anderen Planeten auf die Umlaufbahn der Erde ausgeübt werden, sind subtiler. Deren Gravitation führt zu Effekten, die erst auf Zeitskalen von zumindest Zehntausenden von Jahren wirksam sind. Sie spiegeln sich in den sogenannten Milanković-Zyklen des Klimas wider.

Dabei spielen Jupiter, der massereichste Planet, und Saturn die Hauptrollen. Auch unsere innere Nachbarin, die fast erdgroße Venus, macht ihren Einfluss geltend. Im Vergleich dazu ist der äußere Nachbarplanet Mars ein Zwerg, er bringt es nur auf rund 13 Prozent der venusischen Masse. Trotzdem hat er laut Stephen Kane von der University of California in Riverside einen gewissen Einfluss auf das Erdklima. Denn die Erdumlaufbahn ist nicht exakt gleichförmig und auch kein perfeker Kreis. Immer wieder streckt sie sich, bis sie fast viermal so elliptisch ist wie gegenwärtig. Dies geschieht in mehreren Perioden. Die stabilste davon, die weit in die geologische Vergangenheit zurückreicht und manchmal mit einem Metronom verglichen wird, beträgt 405.000 Jahre. Gleichwohl wird das Metronom von einem noch längeren Zyklus moduliert: dem sogenannten großen Zyklus der Exzentrizität. Dessen Periode beträgt 2,4 Millionen Jahre.

Der Astrophysiker Stephen Kane und sein internationales Forschungsteam berichteten im Dezember 2025 in den Publications of the Astronomical Society of the Pacific, wie sie am Computer den Einfluss des Mars simulierten. Die Wissenschaftler stellten nämlich fest, dass der große Zyklus verschwand, als sie die Masse des Mars rechnerisch gegen Null laufen ließen. „Das heißt nicht, dass es auf der Erde keine Eiszeiten mehr gäbe, wenn wir den Mars entfernen würden, aber dies würde die Häufigkeit von Eiszeiten und die damit verbundenen Klimaauswirkungen grundlegend verändern“, ist Kane überzeugt. Den anderen großen Planeten Uranus und Neptun wird übrigens nur ein extrem geringer Einfluss zugeschrieben. Merkur ist praktisch vernachlässigbar.

Foto: © BDW-Grafik / Karl Marx; Quelle: E. J. Judd et al., Science 385, eadk3705