Was war die kälteste Erde, die es je gab?

Eckige Schneehügel ähnlich wie Dünen vor blauem Himmel.

Antarktis. Bild überNOAA.

VonMichon Scott/ NOAAKlima.gov

Während eines Großteils seiner Geschichte war unser Planet heißer – manchmal viel heißer – als heute. Aber unser Planet war auch kälter. Wissenschaftler werden vielleicht nie wissen, welcher Zeitraum in der 4,54-Milliarden-jährigen Geschichte unseres Planeten der absolut kälteste war, aber die Forschung hat einige Konkurrenten aufgezeigt. Alle diese Perioden wurden als alte Eiszeiten identifiziert.

Einige der kältesten Bedingungen traten vor über 2 Milliarden Jahren nach dem Anstieg des Luftsauerstoffs auf. Vor 750 bis 600 Millionen Jahren kam es zu weiteren Tiefkühlungen. Obwohl Wissenschaftler darüber diskutieren, wie groß die Eisbedeckung in diesen Zeiten war, deuten die Beweise darauf hin, dass das Eis in äquatorialen Regionen den Meeresspiegel erreichte.

In den letzten Millionen Jahren haben Gletscher immer wieder riesige Weiten der nördlichen Hemisphäre bedeckt. Obwohl die Eiszeiten im Pleistozän weniger schwerwiegend sind als die nahezu globalen Vereisungen, haben sie möglicherweise die kältesten Bedingungen der letzten halben Milliarde Jahre gebracht. Einige der schlimmsten Erkältungen schlugen vor etwa 20.000 Jahren zu.

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Großes rotes kastenartiges Fahrzeug auf Laufflächen, das ein riesiges schneebedecktes Gebiet durchquert.

Diekältester Ort der modernen Erdewurde als hoher Bergrücken zwischen Dome Argus und Dome Fuji in der Ostantarktis identifiziert. Jedes Jahr reisen Wissenschaftler der Japanese Antarctic Research Expedition von der antarktischen Küste zur Dome Fuji Station. Bild überFlickr/ Wissenschaftlicher Bildwettbewerb des SNF/ Francesco Comola.



Lesen der Rock-Platte

Eine Eiszeit ist eine Periode kälterer als gewöhnlicher globaler Temperaturen und größerer als gewöhnlicher Gletscher und Eisschilde. Eiszeiten bringen keine unerbittliche Kälte. Stattdessen treten relativ warme Perioden auf, so dass Eiszeiten eine Mischung aus fortschreitenden Gletschern (Gletscher) und sich zurückziehenden Gletschern (Interglaziale) sind. Obwohl es relativ warm ist, gehören die Zwischeneiszeiten immer noch zu einer Eiszeit.

Woher wissen Wissenschaftler, dass es zu alten Eiszeiten kam? Es war klar, dass Thermometer nicht praktisch waren, als kontinentale Gletscher in Richtung Äquator vordrangen. Die Beweise für vergangene Eiszeiten stammen stattdessen aus der Geologie. Kurz nach dem Aufkommen der wissenschaftlichen Disziplin im frühen 19. Jahrhundert begannen Geologen, Hinweise zu finden, die von alten Eiskörpern hinterlassen wurden. Geologen erkannten, dass Gletscher riesige Kratzspuren auf dem Grundgestein hinterlassen und Felsbrocken in ferne Landschaften tragen könnten, die diese Felsen oft aufs Meer fallen lassen.

Ein großer einsamer Felsen neben dem Meer.

Fehler– Felsbrocken, die aus fernen Landschaften getragen wurden – die am Rand des Ozeans abgeworfen wurden, weisen auf antike Gletscheraktivitäten hin. Dieses sprunghafte Waten im Wasser am Kap Arkona auf der deutschen Insel Rügen. Bild über Unukorno/Wikimedia Commons.

Nachdem für die pleistozäne Epoche (vor etwa 2,6 Millionen bis 11.000 Jahren) die Zeichen der Vereisung erkannt wurden, wussten die Geologen sie in älteren Gesteinen zu erkennen. Die Kombination der Beweise für die Vereisung mit den Beweisen für Plattentektonik und Kontinentalverschiebung hat es Geologen ermöglicht, glaziale Aktivitäten vor Hunderten von Millionen Jahren zu identifizieren, als Kontinente noch sehr unterschiedlich konfiguriert waren.

Antike Radierung der Klasse, die einen Mann in akademischer Robe beobachtet, der einen Felsen hochhält.

Nachdem er jahrelang geologische Phänomene als Folge der Noah-Flut erklärt hatte, akzeptierte der britische Geologe William Buckland aus dem 19. Er wurde ein Befürworter der Eiszeittheorie. Bild überWillkommenskollektion.

Insgesamt haben Wissenschaftler mehr als ein Dutzend Eiszeiten in den geologischen Aufzeichnungen identifiziert, mehrere davon in den letzten einer halben Milliarde Jahren. Einige der noch früher aufgetretenen Eiszeiten waren schlimmer, wahrscheinlich die schlimmsten Eiszeiten in der Geschichte unseres Planeten.

Der Anstieg des Sauerstoffs und der Temperaturabfall

Zu den frühesten Eiszeiten, die bisher in den geologischen Aufzeichnungen gefunden wurden, gehören die huronischen Eiszeiten. Mindestens einer von ihnen bildete das, was Geologen ein Schneeball-Erde-Ereignis nennen, als die Oberfläche des Planeten vollständig oder fast vollständig gefroren war. Durchsetzt mit nicht-eiszeitlichen Perioden traten die Eiszeiten zwischen 2,4 und 2,1 Milliarden Jahren auf und waren wahrscheinlich auf Veränderungen im mikroskopischen Leben zurückzuführen.

Paläontologen vermuten, dass Mikroben, als vor über 3,5 Milliarden Jahren mikrobielles Leben auf der Erde entstand, weder Sauerstoff produzierten noch benötigten. Als sich das Leben entwickelte, war die Erdatmosphäre stattdessen ganz anders als das, was wir heute erleben. Obwohl der Stickstoffgehalt ähnlich gewesen sein mag, waren andere Gase viel mehr – oder viel weniger – reichlich vorhanden. Kohlendioxid lag zwischen dem 10- und 2.500-fachen des gegenwärtigen Niveaus, und Methan könnte bis zu 10.000-mal höher sein als das derzeitige Niveau. Luftsauerstoff war praktisch nicht vorhanden.

Gesprenkelte orange Kugel auf schwarzem Hintergrund.

Künstlerisches Konzept einer jungen Erde. Bevor sich Sauerstoff in der Erdatmosphäre ansammelte, sah unser Planet wahrscheinlich nicht wie ein hellblauer Punkt aus, sondern wie ein hellorangefarbener Punkt. Bild überNASA Astrobiologie.

Wissenschaftler diskutieren, wann genau Mikroben entstanden sind, die Photosynthese betreiben und als Nebenprodukt Sauerstoff produzieren können. Schätzungen reichen von etwa 3,5 bis 2,5 Milliarden Jahren. Die frühesten Sauerstoffproduzenten waren wahrscheinlich Vorfahren moderner Cyanobakterien oder Blaualgen.

Zunächst reagierte der von diesen frühen Photosynthesegeräten produzierte Sauerstoff wahrscheinlich mit Eisen im Ozean und setzte sich in rostigen Sedimentschichten auf dem Meeresboden ab, bevor er sich in der Atmosphäre ansammelte. Etwas Sauerstoff reagierte mit Methan und wandelte es in Kohlendioxid und Wasser um. In der Zwischenzeit wuchsen die Photosynthese-Mikrobenpopulationen weiter und verbrauchten mehr Kohlendioxid.

Verschnörkelte Linien aus durchscheinenden grünen Zellen in einer Reihe.

Vorfahren der ModerneCyanobakterien(auch Blaualgen genannt) waren möglicherweise die ersten Sauerstoffproduzenten auf dem Planeten Erde und führten zu erheblichen Klimaänderungen. Bild überFlickr/ Richard Droker.

Kohlendioxid ist ein Treibhausgas, und Methan ist ein noch stärkeres Treibhausgas. Als die atmosphärischen Konzentrationen dieser Treibhausgase sanken, sanken die globalen Temperaturen und stürzte den Planeten in eine Reihe von Eiszeiten. Die huronischen Eiszeiten und die sie trennenden Nichteiszeiten dauerten wahrscheinlich insgesamt 300 Millionen Jahre. Es gibt Hinweise darauf, dass diese Vergletscherungen äquatoriale Regionen auf Meereshöhe erreichten. (Eis kommt heute in äquatorialen Regionen vor, aber nur in großen Höhen.)

Geologische Beweise für diese Eiszeiten wurden erstmals 1907 in Gletscherablagerungen in der Nähe des Huronsees entdeckt. Seitdem haben Geologen weitere Beweise in anderen Teilen Nordamerikas sowie in Südafrika, Westaustralien und Nordosteuropa entdeckt.

Grobes rosa Dreieck eingebettet in glatteren lila Felsen mit einem Taschenmesser zum Größenvergleich.

Dieser Dropstone wurde in der Nähe von Whitefish Falls, Ontario, am Nordufer des Lake Huron gefunden und landete vor etwa 2,2 Milliarden Jahren in Sedimenten des Meeresbodens unter einem schwimmenden Gletscher. Bild über D.A. Lindsey/USGS.

Der Anstieg des Sauerstoffs hat mehr bewirkt, als den Planeten einzufrieren. Es ermöglichte auch die Entwicklung von sauerstoffatmendem komplexem Leben und bildete die Ozonschicht der Erde, die das Leben vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt.

Noch eine Tiefkühltruhe

Brutale Kälte schlug während eines Abschnitts der Erdgeschichte, der als kryogenetische Periode bekannt ist, erneut zu. Vor 750 bis 600 Millionen Jahren ist die Erde mindestens zweimal tiefgefroren. Da die Ereignisse aus der kryogenischen Zeit während einer längeren geologischen Ära, die als Neoproterozoikum bekannt ist, auftraten, werden die Tiefkühle manchmal als neoproterozoische Schneeballerden bezeichnet.

Wissenschaftler diskutieren weiterhin über die Ursachen des neoproterozoischen Einfrierens und des darauffolgenden Auftauens. Vulkane könnten die Kraft sein, die den Planeten sowohl in die Vereisung getrieben als auch herausgezogen hat. Vor etwa 750 Millionen Jahren gruppierten sich die meisten Kontinente um den Äquator. In dieser kontinentalen Mischung haben Geologen Beweise für das identifiziert, was sie als a . bezeichnengroße magmatische Provinz. „Groß“ ist eine Untertreibung – stellen Sie sich ein vulkanisch aktives Gebiet von der Größe eines Kontinents vor. Eruptionen in dieser Provinz hätten den Planeten auf zwei Arten abkühlen können.

Glatte, gebänderte Küstenlinie mit dunklen, geraden Felsformationen im rechten Winkel zum Ufer.

Beweise für die einst äquatorialegroße magmatische Provinzdie den Anstoß für den Cryogenian gegeben haben könnten, wird in Nunavut, Kanada, aufbewahrt. Schwellen – Einbrüche von vulkanischem Material in ältere Gesteinsschichten – durchschneiden älteres, sandfarbenes Gestein. Die Bänder im leichteren Gestein resultieren aus dem Anstieg der Küstenlinie, nachdem sich die Gletscher, die die Küste belastet hatten, zurückgezogen hatten. Bild über Mike Beauregard/Wikimedia Commons.

Wenn Vulkane Schwefeldioxid freisetzen, durchläuft das Gas chemische Reaktionen in der Atmosphäre, um hochreflektierende Sulfate zu bilden, Partikel, die das Sonnenlicht wie Milliarden winziger Spiegel blockieren. Das Kühlpotenzial von Sulfaten ist am Äquator der Erde besonders stark. Wenn Vulkane große Mengen Basalt extrudieren, kann die darauffolgende Gesteinsverwitterung den Planeten abkühlen. Im Laufe der Zeit zerfressen Regen, Wind und chemische Veränderungen alle vulkanischen Gesteine. Regen- und Grundwasser, das durch Gestein sickert, kann Kohlendioxid auflösen, es aus der Atmosphäre entfernen und schließlich als Karbonatmineralien wie Kalkstein einfangen.

Wenn die globalen Temperaturen schnell genug sinken, beginnt sich Eis aufzubauen, und die Fähigkeit des Eises, das meiste Sonnenlicht zurück in den Weltraum zu reflektieren, kühlt den Planeten noch weiter ab.

Geologen haben während des Neoproterozoikums zwei Vergletscherungen identifiziert: die Sturtium (vor etwa 720 bis 660 Millionen Jahren) und die Marinoan (vor etwa 640 bis 635 Millionen Jahren). Gesteinsschichten aus dieser Zeit zeigen die umfangreichsten Beweise für extreme Vergletscherungen, die bisher in den geologischen Aufzeichnungen gefunden wurden.

Zwischen diesen tiefen Gefrieren scheint die Erde eine ebenso bemerkenswerte Zeit durchgemacht zu habenTreibhaus. Auch dieses Klimaextrem könnte auf vulkanische Aktivität zurückzuführen sein.

Langfristig können sich vulkanische Kohlendioxidemissionen und der Abbau von Kohlendioxid durch Gesteinsverwitterung gegenseitig in Schach halten. Aber als Eis vor Hunderten von Millionen Jahren den größten Teil des Planeten bedeckte, verlangsamte sich die Verwitterung wahrscheinlich, da die Bedingungen für starke Niederschläge zu kalt wurden. In der Zwischenzeit hätte die Zunahme des Meereises den Zugang von Cyanobakterien zum Sonnenlicht an der Meeresoberfläche verringert und die Photosynthese reduziert.

Weißer Ball mit geäderten blauen Linien und kleinen Kratern auf schwarzem Hintergrund.

Unter seiner eisigen Oberfläche könnte der gefrorene Ozeanmond Enceladus des Saturn flüssiges Wasser und die lebensnotwendigen Zutaten beherbergen. Wären die extremsten Eiszeiten in der Erdgeschichte wahre Schneeball-Erde-Ereignisse – ohne offenen Ozean – hätte unser Planet vielleicht wie eine überdimensionale Version von Enceladus ausgesehen. Bild überNASA/ JPL/ Institut für Weltraumwissenschaften.

Vulkane haben jedoch immer wieder Kohlendioxid freigesetzt. Wenn nur noch wenig Gesteinsverwitterung oder photosynthetische Aktivität übrig wäre, um es aus der Atmosphäre zu ziehen, hätte sich das Treibhausgas angesammelt, was zu einem allmählichen Anstieg der globalen Temperaturen geführt hätte. Sobald sich die Bedingungen ausreichend erwärmt hätten, um tropisches Eis zu schmelzen, hätte sich der Temperaturanstieg beschleunigt. Nach dem Verlust einer erheblichen Menge an lichtreflektierendem Eis hätte der Planet viel mehr Sonnenenergie absorbiert. Die anschließende große Schmelze könnte eine so dramatische und schnelle Verwitterung verursacht haben, dass sie zur zweiten Vereisung führte.

Wie im Huronen erreichten die Vergletscherungen des kryogenischen Zeitalters den Meeresspiegel am Äquator. Aber wie vollständig war die neoproterozoische Eisbedeckung?Schneeball Erdeoder einMatschball-Erde– bleibt ein Bereich aktiver Forschung.

Der neueste Ausflug in die Tiefkühltruhe

Die Gesteinsaufzeichnungen zeigen, dass in den letzten 500 Millionen Jahren nichts so ausgedehntes wie die huronische und kryogenetische Vereisung passiert ist, obwohl Geologen Hinweise auf mehrere weitere Eiszeiten gefunden haben. Obwohl die Kälte zwischen 300 und 250 Millionen Jahren konkurriert, könnte die bedeutendste Eiszeit der letzten halben Milliarde Jahre die jüngste sein.

Diese Eiszeit begann während der als Pleistozän bekannten Epoche vor etwa 2,6 Millionen Jahren und dauerte bis vor etwa 11.000 Jahren.

Wie alle anderen brachte auch die jüngste Eiszeit eine Reihe von Gletschervorstößen und -rückgängen mit sich. Tatsächlich befinden wir uns technisch gesehen immer noch in einer Eiszeit. Wir leben nur unser Leben während einer Zwischeneiszeit.

Rötliche Tontafel mit Zeichenzeilen aus kleinen Dreiecken.

Die gesamte menschliche Zivilisation – alles von den frühesten Skripten wieKeilschriftauf Smartphones und Tweets – hat sich innerhalb einer Zwischeneiszeit ereignet. Bild über Flickr/ Ashley Van Haeften/Wikimedia Commons.

Vor etwa 50 Millionen Jahren war der Planet zu warm für polare Eiskappen, aber seitdem kühlt die Erde größtenteils ab. Vor etwa 34 Millionen Jahren begann sich der antarktische Eisschild zu bilden. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass sich Südamerika von der Antarktis trennt und die Drake-Passage öffnet. Neben ekelerregenden Generationen von Ozeanreisenden schuf die Öffnung der Drake Passage den Antarktischen Zirkumpolarstrom. Die Strömung, die den jetzt gefrorenen Kontinent umkreist, hat möglicherweise die Menge an Meereswärme verringert, die die Antarktis erreicht, was die Bildung und das Wachstum von antarktischem Eis ermöglicht.

Abgehacktes, weißes, dunkelblaues Meerwasser.

Wind und Wellen machen Ausflüge durch die Drake Passage unvergesslich. Entstanden aufgrund der Plattentektonik, könnte es zur Entwicklung des antarktischen Eisschildes beigetragen haben. Bild überFlickr/ Christopher Michel.

Eine weitere Landbewegung hat den Planeten wahrscheinlich in seine jüngste Eiszeit gestürzt. Der Isthmus von Panama, die Landbrücke zwischen Nord- und Südamerika, entstand vor etwa 4,5 Millionen Jahren. Vor seiner Entstehung tauschten der Atlantik und der Pazifische Ozean frei tropische Gewässer aus. Indem dieser Austausch unterbrochen und warmes, salziges Meerwasser nach Norden geschickt wurde, erhöhte die Landenge die Niederschläge in hohen Breiten der nördlichen Hemisphäre. Schnee sammelte sich in Gletschern und schließlich in Eisschilden an. Diese massiven, Sonnenlicht ablenkenden Eiskörper setzten den Abkühlungstrend des Planeten fort.

Sobald die Erde kalt genug war, damit sich Eisschilde bilden konnten, nahmen sie über Zeitskalen von etwa 20.000 bis 100.000 Jahren zu und ab, teilweise aufgrund vonMilankovitch-Zyklen. Zu diesen weitgehend vorhersehbaren Veränderungen der Erdbahn gehören Exzentrizität (Änderungen der Erdbahn um die Sonne), Schiefe (Änderungen der Neigung der Erdachse) und Präzession (Wackeln der Erdrotationsachse). Sie beeinflussen das Klima, indem sie die Verteilung der einfallenden Sonnenenergie auf der Erdoberfläche verändern.

Karte des Globus, die sehr große nördliche Eiskappe in Weiß zeigt.

Vor etwa 20.000 Jahren, während derLetztes GletschermaximumdesPleistozäne Eiszeit, Eis breitete sich über weite Teile Nordamerikas und Eurasiens aus. Bild überKlima.gov/ Hochschule für Angewandte Wissenschaften Zürich/ Science on a Sphere.

Die jüngste Eiszeit erreichte vor etwa 20.000 Jahren ihren Höhepunkt, als die globalen Temperaturen wahrscheinlich etwa 5 Grad Celsius kälter waren als heute. Auf dem Höhepunkt der Eiszeit im Pleistozän erstreckten sich massive Eisschilde über Nordamerika und Eurasien. Wir können diesen Eisschilden und den damit verbundenen Schmelzereignissen für die Großen Seen, die Niagarafälle und sogar dieKanalisierte Scablandsin Washington und Oregon.

Mit eisigen Zweigen im Vordergrund, Wasser über einen riesigen Wasserfall.

Vor etwa 12.000 Jahren begann Schmelzwasser über die Niagara-Steilstufe zu ergießen. Heute fließen jede Sekunde etwa 3.160 Tonnen Wasser über die Niagarafälle, ein langes Erbe der pleistozänen Eiszeit. Bild überFlickr/ Kann Pac Swire.

Wann werden die massiven Eisschilde wieder in Richtung Äquator vordringen? Sie werden möglicherweise nicht nach einem Zeitplan zurückkehren, den Milankovitch-Zyklen vorhersagen würden. Die Zyklen haben unterschiedliche Auswirkungen auf das globale Klima, einige stärker als andere. Wenn das atmosphärische Kohlendioxid 300 Teile pro Million überschreitet, ist die Wärmespeicherfähigkeit des Gases stark genug, um subtilere Zyklen zu überwältigen. Das atmosphärische Kohlendioxid übersteigt jetzt 400 Teile pro Million, und da Kohlendioxid ein langlebiges Gas ist, können mindestens so hohe Werte über Tausende von Jahren anhalten. Das bedeutet nicht, dass es nie wieder eine Eiszeit geben wird, aber ihr Beginn kann sich verzögern.

Referenzliste bei Climate.gov

Fazit: Wissenschaftler werden vielleicht nie sicher wissen, welcher Zeitraum in der 4,5-Milliarden-jährigen Geschichte der Erde der absolut kälteste war, aber die Forschung hat einige Konkurrenten aufgezeigt.

Über Climate.gov