Die thermohaline Zirkulation und der Beginn des Eiszeitalters

Die Thermohaline Zirkulation im Nordatlantik gibt es erst seit der Schließung der Landbrücke zwischen Nord- und Südamerika. Ist dieser Vorgang auch für den Beginn des Eiszeitalters verantwortlich?

Die thermohaline Zirkulation und der Beginn des Eiszeitalters

Anders als die atmosphärische Zirkulation werden Meeresströmungen durch die Ränder der Kontinente räumlich begrenzt. Plattentektonische Verschiebungen der Kontinente verändern daher über sehr große Zeiträume von etlichen Millionen Jahren auch die ozeanische Zirkulation. So gibt es die atlantische thermohaline Zirkulation in der heutigen Form erst, seit der Atlantik durch die Schließung des Isthmus von Panama vor rund drei Millionen Jahren sein heutiges Aussehen angenommen hatte. Das salzreiche Oberflächenwasser, das heute aus der Karibik in den Nordatlantik strömt und durch sein Absinken dort die THC antreibt, floss vor der Schließung der mittelamerikanischen Landbrücke, wie sich aus Proxydaten karibischer Sedimente ableiten lässt, zu einem großen Teil zwischen dem Nord- und Südamerikanischen Kontinent hindurch in den Pazifik.1 Auch Modellberechnungen zeigen, dass ein offener Wasseraustausch zwischen Atlantik und Pazifik im karibischen Raum eine thermohaline Zirkulation im Nordatlantik unterbindet oder nur sehr schwach aufkommen lässt.2

Das tektonische Ereignis der Bildung des Panama-Isthmus fällt zeitlich ungefähr mit dem Beginn des Eiszeitalters, des Pleistozäns, zusammen. Dessen charakteristischer Wechsel von Warm- und Kaltzeiten wird im allgemeinen durch regelmäßige Änderungen der Erdbahnparameter erklärt, nach ihrem Entdecker Milankovitch-Zyklen genannt (s. Abschnitt Klimageschichte), durch die es zu Schwankungen der Solarstrahlung kommt.3 Derartige Schwankungen hat es aber auch schon vor dem Pleistozän gegeben, ohne dass es zur Bildung von Eisschilden auf Grönland Nordamerika oder Eurasien gekommen wäre (die Vereisung der Antarktis begann bereits vor fast 40 Millionen Jahren). So haben die orbital bedingten Abkühlungen zwischen 4,1 und 3,9 und 3,5 und 3,3 Millionen Jahre vh. nicht zu eiszeitlichen Verhältnissen mit einer nordhemisphärischen Vereisung geführt. Auch Modelle konnten allein durch den solaren Antrieb die Bildung von Eisschilden auf der Nordhemisphäre nicht reproduzieren.4

Die thermohaline Zirkulation und der Beginn des Eiszeitalters
Abb. 1:
Die besonderen Strömungsverhältnisse vor der Schließung des Panama-Isthmus (lila) und im Quartär (rot). Vor dem Quartär strömte das warme und salzreiche Wasser aus den Subtropen des Atlantiks zu einem großen Teil in den Pazifik, seit der Schließung der mittelamerikanischen Landbrücke strömt es bis in den nordöstlichen Atlantik. Die seitdem hier entstehende und durch die Westwinde verteilte warm-feuchte Luft stellt in Kaltzeiten die Grundlage für die Bildung der kontinentalen Eisschilde dar, während sie in Warmzeiten für das milde Klima im nordöstlichen Atlantikraum sorgt.

Offensichtlich mussten weitere Bedingungen erfüllt sein, die dazu führten, dass das Eiszeitalter ausgerechnet vor 2-3 Millionen Jahren begann. Zum einen gab es seit dem frühen Eozän (50 Millionen Jahre vh.) einen langfristigen Abkühlungstrend, der durch eine Abnahme des Kohlendioxidgehalts der Atmosphäre bedingt war. Dadurch wurden die Temperaturen in den "kühlen" Phasen der Milankovitch-Zyklen auch im Sommerhalbjahr kalt genug für die Bildung von Eisschilden. Zum anderen musste aber als notwendige Voraussetzung für die Akkumulation von Schnee und Eis auch genügend Niederschlag fallen. Der entscheidende Faktor hierfür war sehr wahrscheinlich die Entstehung der nordatlantischen thermohalinen Zirkulation zu Beginn des Pleistozäns.5 Die Schließung der mittelamerikanischen Landbrücke, die bereits vor 13 Millionen Jahre begann, war vor 2,7 Millionen Jahren nahezu beendet. Das ozeanische Strömungssystem, das bis dahin zwischen den beiden amerikanischen Kontinenten den Atlantik mit dem Pazifik verband, organisierte sich neu und nahm das heutige Aussehen der THC im Nordatlantik an. Dadurch wurde wie in der Gegenwart warmes und salzreiches Wasser weit nach Norden transportiert, die Verdunstung in den höheren nördlichen Breiten verstärkt und Wasserdampf zunehmend über die großen Landmassen transportiert. Damit war genügend Feuchtigkeit in der Atmosphäre zur Bildung von großen Eismassen vorhanden. Die verminderte Sonneneinstrahlung der nächsten "kühlen" Phase der Milankovitch-Zyklen sorgte dann dafür, dass der Niederschlag als Schnee auf die Landflächen der höheren Breiten fiel und auch im Sommer liegen blieb. Und als Folge entwickelten sich die ersten großen Eisschilde auf der Nordhalbkugel, und der Beginn des Pleistozäns war eingeleitet.

Anmerkungen:
1. Haug, G., R. Tiedemann und R. Zahn (2002): Vom Panama-Isthmus zum Grönlandeis, Spektrum der Wissenschaft Dossier 1/2002, 50-52
2. Mikolajewicz, U. and T.J. Crowley (1997): Response of a coupled ocean/energy balance model to restricted flow through the central American isthmus, Paleoceanography 12, 429-441
3. Mende, W. und R. Stellmacher (1998): Orbitale und solare Faktoren mit Langzeitwirkung auf das Klima, in: J.L. Lozán, H. Graßl und P. Hupfer (Hg.): Warnsignal Klima, Hamburg, S. 31-37
4. M. Khodri, Y. Leclainche, G. Ramstein, P. Braconnot, O. Marti and E. Cortijo (2001): Simulating the amplification of orbital forcing by ocean feedbacks in the last glaciation, Nature 410, 570-574
5. Driscoll, N.W. and G.H. Haug (1998): A Short Circuit in Thermohaline Circulation: A Cause for Northern Hemisphere Glaciation?, Science 282, 436-438; Haug, G.H. and R. Tiedemann (1998): Effect of the formation of the Isthmus of Panama on Atlantic Ocean thermohaline circulation, Nature 393, 673-676

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