Hadaikum, Archaikum und Proterozoikum

Hadaikum, Archaikum und Proterozoikum umfassen die ersten 4 Milliarden Jahre der Erdgeschichte. Das Hadaikum reichte bis 3,8 und das Archaikum bis 2,8 Milliarden, das Proterozoikum bis 542 Millionen Jahre vor heute. Alle drei Erdzeitalter werden zusammenfassend auch als Präkambrium bezeichnet.

Hadaikum, Archaikum und Proterozoikum

Hadaikum, Archaikum
Von einem Klima kann in den ersten zwei Milliarden Jahren der seit etwa 4,6 Milliarden Jahre existierenden Erde nur begrenzt die Rede sein. Während der ersten 500 Millionen Jahre besaß die Erde keine Atmosphäre (vgl. Geschichte der Erdatmosphäre). Die vor ca. 4 Milliarden Jahren durch Ausgasung des Erdmantels entstandene Uratmosphäre war mit ihrem hohen Kohlendioxid-, Methan- und Ammoniakgehalt und fehlendem Sauerstoff von der heutigen völlig verschieden. Die Sonneneinstrahlung war um 25-30% schwächer als heute. Dennoch war die Atmosphäre wesentlich heißer und etwa mit der der Venus zu vergleich. Grund war ihre viel höhere Dichte von 80 bis 100 bar und ein CO2-Gehalt von etwa 95%. Man kann davon ausgehen, dass der heute im Kalkgestein gebundene Kohlenstoff als Gas in der Atmosphäre existierte. Ebenso war das Wasser der Ozeane als Dampf in der Atmosphäre vorhanden. Kohlenstoff und Wasserdampf wurden erst allmählich durch chemische Verwitterung, Entwicklung von Leben und Abkühlung vom Himmel auf die Erde umgelagert.1

Erstes Leben gab es seit 3,5 Milliarden Jahren in Form von einzelligen Organismen ohne Zellkern, vor allem Zyanobakterien. Der Einfluss auf den Kohlendioxid-Gehalt war zunächst sehr gering. Erst gegen Ende des Archaikums haben Bakterien durch Photosynthese neben der Verwitterung dazu beigetragen, den CO2-Gehalt zu senken, den O2-Gehalt der Atmosphäre erhöht und so das Sauerstoffzeitalter eingeleitet.

Auf das mittlere Archaikum wird auch die erste bekannte Vereisung der Erdgeschichte datiert, die Pangola-Vereisung um ca. 2,9 Mrd. Jahre vh.2

Proterozoikum

Zu Beginn und am Ende des Proterozoikums (2,5 Milliarden bis 540 Millionen Jahre vh.) gab es zwei Phasen der Erdgeschichte mit einer starken Vereisung, während dazwischen deutlich höhere Temperaturen als gegenwärtig herrschten. Im Zusammenhang mit einer rapiden Abnahme des CO2-Gehalts gab es zu Beginn des Proterozoikums vor 2,45 bis 2,2 Milliarden Jahre eine ausgedehnte Vereisung, die nach den ersten Fundstätten der Zeugnisse nördlich des Huron-Sees in Südkanada als Huron-Vereisung bekannt ist, offenbar aber weltweit verbreitet war. Wahrscheinlich war die Vereisung zeitlich nicht durchgehend, sondern kältere und wärmere Phasen haben sich abgewechselt. Der Motor für die Schwankung war vermutlich die Aufeinanderfolge zwischen höherer und geringerer Rate chemischer Verwitterung und biologischer Produktion, die den CO2-Gehalt der Atmosphäre reduzierte bzw. steigen ließ. Eine höhere Solarstrahlung, die bis auf 85% des heutigen Wertes stieg, beendete dann dieses frühe Eiszeitalter.1

Erdgeschichtlich gesehen erfolgte ziemlich bald darauf das nächste Eiszeitalter, das nach heutiger Kenntnis die erste Schneeball-Erde-Vereisung war.3 Als Schneeball-Erde-Vereisung versteht man Vergletscherung der gesamten Erde bis hin zum Äquator und auch auf den Ozeanen. Die globale Mitteltemperatur soll bei ca. -50 °C gelegen haben, und selbst am Äquator sollen Temperaturen von -20 °C geherrscht haben. Die Mächtigkeit der Eisschicht soll im Mittel ähnlich wie auf Grönland und der Antarktis bei 3-4 km gelegen haben, und selbst auf den Ozeanen soll die Schelfeisdicke mehrere hundert Meter bis zu einem km betragen haben. Nur am Äquator war das Meereis möglicherweise nur wenige Meter dick.

Nach heutiger Kenntnis gab es drei Schneeball-Erde-Vereisungen:3

1. die Makganyene-Vereisung 2,4-2,2 Mrd. Jahre vh. im älteren Proterozoikum,
2. die Sturtische Vereisung im späten Proterozoikum von ca. 720 bis 660 Mio. Jahre vh.,
3. die Marinoische Vereisung ebenfalls im späten Proterozoikum 650-635 Jahre vh.

Als wichtigste Ursache für die globalen Eiszeiten wird eine deutliche Herabsetzung der atmosphärischen Konzentration von Kohlendioxid durch intensive Verwitterungsprozesse angenommen. Ein Grund dafür war im späten Proterozoikum die Existenz von großen Landmassen, des Großkontinents „Rodinia“, um den Äquator herum. Das Gestein dieses Kontinents war in dem zunächst tropischen Klima einer starken Verwitterung ausgesetzt, durch die der Atmosphäre sehr viel CO2 entzogen wurde. Außerdem besaß die Erde aufgrund der großen Landflächen in den niederen Breiten eine relativ hohe Albedo. Hinzu kam, dass die Sonneneinstrahlung im Proterozoikum etwa 6 % geringer war als heute.3

Von manchen Forschern wurde eine totale Vereisung der Erde angezweifelt, weil aufgrund der dabei herrschenden hohen planetaren Albedo ein Ende der Schneeball-Erde-Phase nicht erklärt werden könne. Auch ließe sich der Fortbestand des Lebens auf der Erde nicht erklären. Inzwischen geht man jedoch davon aus, dass Serien großer Vulkanausbrüche den Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre wieder ansteigen ließen. Auf der andern Seite wird angenommen, dass unter dem relativ dünnen Meereis in Äquatornähe auch während der Schneeball-Erde-Vereisungen Photosynthese möglich blieb und damit Pflanzen überleben konnten.2

Anmerkungen:

1. W. Oschmann: Vier Milliarden Klimageschichte im Überblick, in: DWD Klimastatusbericht 2003
2. Meschede, M. (2015): Vereiste und eisfreie Erde – Ein Überblick, in: Lozán, J.L., H. Graßl, D. Kasang, D. Notz und H. Escher-Vetter: Warnsignal Klima: Das Eis der Erde, Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg 2015
3. Rother, H., und M. Meschede (2015): Schneeball-Erde – die größte Vereisung der Erdgeschichte, in: Lozán, J.L., H. Graßl, D. Kasang, D. Notz und H. Escher-Vetter: Warnsignal Klima: Das Eis der Erde, Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg 2015