Oasen auf der Schneeball-Erde

Die Wende sei erst Dutzende Millionen Jahre später gekommen: Durch andauernde vulkanische Ausgasungen stieg der Kohlendioxid-Gehalt der Luft weit über das heutige Niveau, denn kein Regen konnte das Treibhausgas aus der Luft waschen. Schließlich sei ein Kipppunkt erreicht worden: Die Treibhaus-Erwärmung bewirkte eine abrupte Eisschmelze. Danach wurde wieder Kohlendioxid ins Meerwasser gewaschen und habe dort durch die Ausfällung von Kalziumkarbonat die Deckkarbonate entstehen lassen.

Hoffmans Erklärung festigte die Vorstellung von einer Schneeball-Eiszeit. Mittlerweile wurden verlässliche Belege an über 90 Fundstätten weltweit aufgespürt.

Da es um lange zurückliegende erdgeschichtliche Ereignisse geht, muss man für ein zutreffendes Bild der urzeitlichen Geographie die Drift der tektonischen Platten berücksichtigen. Dazu wird mit magnetischen Messungen an Fundgesteinen die ursprüngliche geografische Lage der Kontinente rekonstruiert. Beispielsweise lag die norwegische Polarinsel Spitzbergen vor 700 Millionen Jahren in den Tropen, am östlichen Rand des Superkontinents Rodinia. Die Spuren dieser uralten Tropengletscher sind bis heute erhalten, berichteten Forscher um Douglas Benn von der Universität in Longyearbyen auf Spitzbergen.

Inseln aus Wasser

Eine zentrale Frage im Zusammenhang mit der Schneeball-Erde lautet: Wie konnten die Organismen, die den Planeten bereits bevölkert hatten, die eisige Klimakrise überdauern? Fossilienfunde belegen, dass Eukaryoten, beispielsweise Algen, vor und nach der Schneeball-Eiszeit lebten. War die Vereisung der Meere womöglich gar nicht komplett? Konnte sich ein schmaler Wassergürtel am Äquator halten?

Eine aktuelle Publikation in der Fachzeitschrift nature communications stützt diese Hypothese zumindest für die zweite Schneeball-Episode, die Marinoische Eiszeit. Das internationale Team um Huyue Song von der Universität der Geowissenschaften im chinesischen Wuhan veröffentlichte im April 2023 geochemische Belege für offene Wasserinseln sogar in nördlicheren Breiten – also in einer Region, die dafür bislang als viel zu kalt galt. „Es gab eine bewohnbare Zone“, fasst der Geobiologe Shuhai Xiao, ein Mitglied des Teams, die Resultate zusammen. Die Organismen waren dort mikroskopisch klein und auf die Ozeane beschränkt. Solche Wesen benötigen Sonnenlicht und offenes Wasser. „Man muss sich eine Art Zufluchtsort vorstellen, wo die Algen überleben konnten“, sagt Xiao.

Das Forscherteam untersuchte eine dünne Schieferschicht aus der 290 Meter mächtigen Nantuo-Formation im Waldgebiet Shennongjia im Süden von China. Die dunkle Schicht stammt aus der Marinoischen Eiszeit und dürfte damals auf einem mittleren nördlichen Breitengrad gelegen haben – die Wissenschaftler nennen 30 bis 40 Grad.

Mithilfe von Isotopen-Analysen der Elemente Stickstoff, Kohlenstoff und Eisen kommen sie zu dem Schluss, dass der Schiefer auf mineralreichen Ozeanschlamm zurückgeht. Er enthält nicht nur zahlreiche Algenfossilien, sondern auch Stickstoffverbindungen. Wenn damals aber überall eine dicke Eisdecke existierte, wären die Ozeane vom Luftkontakt abgeschnitten gewesen und der Stickstoff hätte nicht ins Meerwasser gelangen können. Jedoch wurden im Schiefergestein die chemischen Verbindungen des Luftgases in ähnlichen Konzentrationen gefunden wie in den heutigen Ozeanen. Das deutet auf sauerstoffreiche Gewässer hin, in denen Stickstoff und Sauerstoff frei wechselwirken konnten. Womöglich war das Gebiet, aus dem das Schiefergestein stammte, damals also eisfrei – und darüber hinaus ein Ort, wo Organismen Photosynthese betreiben konnten, schlussfolgern die Forscher.

Gab es einen eisfreien Gürtel?

Diese Deutung wird nicht überall geteilt. Hoffman kann sich offene Ozeanregionen außerhalb der Tropen kaum vorstellen. Mehr noch: „Ich glaube auch nicht, dass ein Wassergürtel-Zustand überhaupt für das Überleben der Biosphäre notwendig war.“

Möglicherweise haben beide Seiten zumindest partiell Recht. Denn es könnte eine Zeit gegeben haben, in der die Ozeane komplett bis zum Äquator zugefroren waren. Diese hätte aber nicht die gesamte Marinoische Eiszeit gedauert, meint die Geologin Carol Dehler von der Utah State University in Richmond, die an der neuen Studie nicht beteiligt war. Man wisse zwar, dass die Schieferschicht aus der fraglichen Zeit stamme. Aber wann genau sie sich damals bildete, sei unklar. Vielleicht stehe sie eher für das Ende dieser Ära, als sich die Eisschilde bereits zurückzogen. Dehler plädiert, in dieser Frage offen zu bleiben, und hofft auf weitere Daten in der Zukunft.

Unterdessen wird Hoffmans Position durch numerische Klimamodelle eines Teams um Christoph Braun vom Karlsruher Institut für Technologie untermauert, die im Sommer 2022 in nature geoscience publiziert wurden. Sie stellen den Wassergürtel ebenfalls infrage. „Wir waren überrascht, dass dieser Zustand sich in den Modellen als nicht robust zeigt“, sagt Braun. Wahrscheinlich sei das Leben im Cryogenium tatsächlich den harten Bedingungen global vereister Ozeane ausgesetzt gewesen.

Brauns Studie ermöglichte auch neue Einsichten in die Rolle der Wolken: Sie und ihre Reflexion von Sonnenstrahlung sind ein wichtiger Einflussfaktor für die Stabilität eines Wassergürtel-Zustands, erläutert Braun. Dieser Einfluss sei bislang unterschätzt worden, die Klimamodelle müssten diesbezüglich noch genauer werden. Die Frage ist, wie häufig sich Wassertröpfchen in Eis umwandelten. Dies hängt unter anderem davon ab, wie viele und welche Aerosole als Eiskeime wirken. Die Existenz möglicher offener Wasserflächen bleibt also umstritten. Vielleicht spielten auch Impakte großer Planetoiden eine Rolle.

Erdbahn und Gletscher

Als gesichert gilt, dass die Landmassen in Äquatornähe nur teilweise eisbedeckt waren. Denn kleine Veränderungen der Umlaufbahn der Erde um die Sonne haben Auswirkungen auf die Festlandgletscher. Im Prinzip ist diese Erkenntnis nicht neu. Schon in den 1920er-Jahren fand Milutin Milankovic´ heraus, dass zyklische Veränderungen astronomischer Parameter der Erdbahn eng mit dem Klima verknüpft sind (bdw 10/2005, „Die Erde schwankt im Eiszeittakt“). Dem serbischen Ingenieur und Geowissenschaftler ging es darum, die Wechsel zwischen den jüngeren Eis- und Warmzeiten zu erklären – die viel ältere Extremeiszeit der Schneeball-Epoche war damals noch unbekannt.

Milankovic´ erkannte, dass wiederkehrende Änderungen im irdischen Strahlungshaushalt aus der Überlagerung mehrerer Zyklen entstehen, deren Ursache Störkräfte im Sonnensystem sind. So ändert sich die elliptische Form der Erdbahn um die Sonne mit einer Periode von rund 100.000 Jahren. Außerdem schwankt die Schiefstellung der Erdachse in 41.000 Jahren um etwas mehr als zwei Grad. Die Achse zeigt auch nicht immer in dieselbe Richtung, denn hinzu kommt ein periodisches Taumeln im Lauf von 25.700 Jahren. Diese sogenannte Präzession ähnelt dem Wackeln eines rotierenden Kinderkreisels.

Im Jahr 2015 berichtete das Team um Douglas Benn über Analysen an mehreren Stellen der sogenannten Wilsonbreen-Formation im Nordosten von Spitzbergen. Anhand der Isotope Sauerstoff-17, Sauerstoff-18 und Schwefel-34 konnten die Forscher nachweisen, dass die Landgletscher periodisch schwankten – zumindest bei den relativ hohen CO2-Konzentrationen, die man für das Ende der Marinoischen Eiszeit annimmt. Eine Erklärung lieferte das Team mit einer Computersimulation. Hier wurde die damalige Wirkung der Präzession untersucht. Die Rechnung belegt einen Wechsel zwischen zwei Klimazuständen: eher warmen Sommern und eher kalten Wintern. Beide Zustände ließen auch die Eisbedeckung der tropischen Landmassen schwanken. In 10.000 Jahren änderte sich so die Zu- und Abnahme der Gletscher um mehrere Hundert Kilometer.

Eine neuere Studie aus dem Jahr 2021, erschienen in nature communications, belegt ebenfalls den astronomischen Effekt. Das internationale Team um den Geologen Ross Mitchell von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking hatte im Ikara-Flinderskette-Nationalpark im südlichen Australien Formationen sogenannter Bändererze untersucht. Das sind geschichtete, eisenhaltige Gesteine, die einst im Meer entstanden. Sie waren auf der Urerde weit verbreitet, verschwanden danach aber weitgehend . Vor rund 700 Millionen Jahren tauchten sie wieder auf, als sie im eisbedeckten Ozean abgelagert wurden.

Normalerweise oxidiert die Atmosphäre schnell alles Eisen, sodass sich Bändererze nicht bilden können. Während der Schneeball-Epoche, als der Ozean durch das Eis von der Luft abgeschnitten war, konnte sich jedoch genug Eisen ansammeln, sodass die Bändererze entstanden. Der genaue Mechanismus ist noch nicht geklärt. Neueren Studien zufolge stammt das Eisen aus hydrothermalen Quellen am Meeresboden, vermischt mit sauerstoffhaltigem Schmelzwasser von Gletschern.

„Die variablen Gesteinsschichten scheinen Zyklen zu zeigen, die Klimazyklen ähnelten, die mit dem Vor- und Rückzug von Eisschilden verbunden sind“, sagt Mitchell. Sein Team hatte an mehreren Stellen im Abstand von 25 bis 100 Zentimetern Proben genommen und in den Erzschichten die magnetische Suszeptibilität gemessen. Sie ist ein Maß für die magnetisierbaren Kristalle in einem Gestein. Es stellte sich heraus, dass in diesem magnetischen Signal die Spuren nahezu aller Milankovic´ -Zyklen erhalten sind. Für Teammitglied Thomas Gernon von der südenglischen University of Southampton ist das ein Indiz dafür, wie komplexes vielzelliges Leben diese Krisenzeit überleben konnte. Paul Hoffman, der an der Studie nicht beteiligt war, sieht zumindest den astronomischen Einfluss bestätigt, wenngleich er zu weiteren Untersuchungen rät.

Wie überlebten Algen?

Die sich verändernden Festlandgletscher könnten sich durchaus als Baustein zur Lösung des Rätsels erweisen: Der Staub, den die Gletscher damals von ihrem steinernen Untergrund abhobelten, hatte zusammen mit vulkanischer Asche nämlich sowohl Auswirkungen auf das Klima als auch auf die Biosphäre. Denn als sich an Land die Eisschilde zurückzogen und nackter Boden samt frischem Gesteinsstaub freigelegt wurde, konnte dieser von starkem Wind weiträumig verteilt werden, vermutet Hoffman. Als der Staub sich dann auf die Eisdecke über den Ozeanen legte, wurde er zunächst unter Schnee begraben. Er tauchte aber später mit dem fließenden Gletschereis in einer äquatornahen, etwa 2000 Kilometer breiten Ablationszone wieder auf. Wo das dunkle Material zutage trat, absorbierte es das Sonnenlicht, was im Sommer zu einer lokalen Schmelze führte – selbst bei Lufttemperaturen unter Null Grad Celsius.

Das Phänomen ist von heutigen Gletschern seit rund 150 Jahren bekannt und wird mit dem Begriff Kryokonit beschrieben. Hoffman ist überzeugt, dass sich auch in der Ablationszone verbreitet Kryokonit-Löcher voller Schmelzwasser bildeten, die bis zu einem halben Meter tief ins Eis reichten. Sie wuchsen, wo es keine Höhenunterschiede gab, zu seichten Schmelzwasserteichen zusammen. „Löcher und Teiche wurden schnell von Cyanobakterien besiedelt. Diese schieden stark pigmentierte organische Stoffe aus, die zur dunklen Farbe des Staubs beitrugen.“

Auch Grünalgen, Pilze und weitere Organismen könnten dort heimisch gewesen sein. Laut Hoffman stammen alle heutigen Algen von Süßwasserarten ab. Algen aus den damaligen Meeren seien während der Schneeball-Eiszeit ausgestorben. Die Evolution musste sie quasi neu erfinden, woraufhin sie ein weiteres Mal die Ozeane eroberten. Hingegen waren es die polaren und alpinen Lebensformen, die der extremen Eiszeit trotzen konnten. Dazu Hoffman: „Der Schneeball entstand viel zu schnell. Nur die bereits an eisige Umwelten angepassten Organismen hatten eine Chance.“