Warum die Antarktis Millionen Jahre vor der Arktis zugefroren ist

Die Ostantarktis beherbergt den größten Eisschild der Erde, der genug Wasser enthält, um den globalen Meeresspiegel um 52 Meter anzusteigen, wenn er vollständig schmilzt. Dennoch stellt es Wissenschaftler jahrzehntelang vor ein Rätsel, wie und warum sich dieser Eisschild gebildet hat.

Tatsächlich gibt es zwei miteinander verbundene Geheimnisse. Erstens wurde die Antarktis vor etwa 34 Millionen Jahren mit Eis bedeckt – ein Zeitraum, der als Eozän-Oligozän-Übergang bekannt ist –, während die Arktisregion weitere etwa 25 Millionen Jahre lang weitgehend eisfrei blieb.

Der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre sank zu dieser Zeit dramatisch und spielte eine wichtige Rolle bei sinkenden Temperaturen. Aber wenn das der einzige Faktor für den Übergang gewesen wäre, hätten beide Pole gemeinsam abkühlen müssen. Das haben sie nicht getan.

Das bedeutet, dass der Antarktis wahrscheinlich etwas anderes einen Vorsprung verschaffte.

Das zweite Rätsel besteht darin, dass die Meeresoberflächentemperaturen im Südpolarmeer etwa 10 Millionen Jahre lang unerwartet warm blieben, nachdem sich der ostantarktische Eisschild gebildet hatte. Dies ist nicht das, was wir erwarten würden, wenn sich der Eisschild ausschließlich als Reaktion auf die globale Abkühlung gebildet hätte; in diesem Fall hätten sich auch die umliegenden Ozeane erheblich abkühlen müssen.

Meine neue Studie mit Kollegen aus Großbritannien und Deutschland, die in Science veröffentlicht wurde, weist auf eine Antwort hin, die tief unter den Eisschilden vergraben ist: die Berge der Antarktis und die geologischen Zeitlupenkräfte, die sie aufgebaut haben.

Ein Kontinent in Bewegung

Diese Geschichte beginnt vor etwa 170 Millionen Jahren, als die Antarktis und Afrika zum letzten Mal als Teil des Superkontinents Gondwana miteinander verbunden wurden. Ihre Spaltung schickte die Antarktis auf eine Flugbahn in Richtung Südpol – und dieser massive Bruch löste auch eine Kette von Ereignissen weit unter der Oberfläche aus. https://www.youtube.com/embed/lypwH_V5k6c?wmode=transparent&start=0 Afrika und die Antarktis brachen während der Jurazeit vor etwa 170 Millionen Jahren auseinander.

Wenn Kontinente auseinanderbrechen, quillt heißes Material aus dem Erdmantel unter ihnen auf, kühlt ab und sinkt dann ab. Diese Wirbelbewegung destabilisiert die Basis des Nachbarkontinents und löst eine Reihe von Lavalampen-ähnlichen Instabilitäten aus, die nach und nach Teile seiner tiefen Wurzeln entfernen.

Diese als „Mantelwellen“ bezeichneten Störungen breiten sich über Millionen von Jahren unter den Kontinenten aus und legen dabei mehr als 1.000 Kilometer zurück, während sie sich durch das heiße, klebrige Gestein unter der Landmasse bewegen.

Mein Forschungsteam hat dieses Phänomen vor einigen Jahren entdeckt. In zwei Nature-Artikeln haben wir mehrere unabhängige Beweislinien zusammengestellt, die alle auf die gleiche Schlussfolgerung hindeuteten: Mantelwellen können diamanthaltige Vulkanausbrüche auslösen – heftige Explosionen, die Magma aus den tiefen Wurzeln der Kontinente, mehr als 150 Kilometer unter der Oberfläche, schleudern.

Wir haben auch herausgefunden, dass diese Mantelwellen unerklärliche Impulse emporhebenden Landes erzeugen können, weit entfernt von den Riftzonen, an denen der Kontinent ursprünglich brach.

Mithilfe von Computermodellen, die simulieren, wie sich Landschaften über zig Millionen Jahre hinweg entwickeln, haben wir nun nachvollzogen, welche Auswirkungen diese Wellen in der Ostantarktis gehabt haben könnten. Nahe der Küste bildete die Rissbildung eine mehr als zwei Kilometer hohe, klippenartige Struktur, die als Steilstufe bezeichnet wird.

Hunderte Kilometer landeinwärts riss die Mantelwelle Gestein tief unter dem Kontinent weg. Wie ein Heißluftballon, der nach dem Abwerfen seines Ballasts aufsteigt, hob sich das darüber liegende Land langsam an, wodurch ein riesiges Plateau entstand und eine Erosionswelle über die Landschaft ausbrach.

Der Aufschwung hörte hier nicht auf. Es wanderte weiter ins Landesinnere und brauchte etwa 100 Millionen Jahre, um das Gamburtsev-Gebirge zu erreichen, das über 1.500 km von der Küste entfernt liegt. Dieser Bereich ist jetzt unter 3 km oder mehr Eis begraben. https://www.youtube.com/embed/Z45erzWI0cw?wmode=transparent&start=0 Wie sich die Landschaft der Ostantarktis über einen Zeitraum von 125 Millionen Jahren bis vor 34 Millionen Jahren veränderte, als sich erstmals eine kontinentweite Eisdecke bildete.

Die Höhe ist für Eis von enormer Bedeutung. Die Lufttemperatur sinkt pro 100 Höhenmeter um etwa 1 °C, so dass selbst eine geringfügige zusätzliche Anhebung dazu führen kann, dass ein Gebirge nicht mehr jeden Sommer seinen Schnee verliert, sondern das ganze Jahr über bleibt.

Bis vor etwa 50 Millionen Jahren lagen die meisten Gamburtsev-Berge unterhalb von 1,5 km, zu niedrig, als dass viel Schnee den Sommer überdauern könnte. Unsere Modelle zeigen jedoch, dass die Hebungswelle (siehe Video oben) ab etwa dieser Zeit diese Bergregion erreichte und einen Großteil der Bergkette auf über 2 km anhob. In dieser Höhe könnten Schnee und Eis bestehen bleiben und beginnen, sich anzusammeln.

Nach unseren Berechnungen hatte vor etwa 45 Millionen Jahren ein ausreichender Teil der Landschaft der Ostantarktis diese Schwelle überschritten, damit Gebirgsgletscher Fuß fassen und sich ausbreiten konnten.

Einem anderen Teil unserer Analyse zufolge begann sich genau zu diesem Zeitpunkt die Eisdecke zu bilden. Zum Zeitpunkt der kontinentalen Vereisung waren die globalen Temperaturen von einem Höchstwert von etwa 30 °C vor 50 Millionen Jahren auf nahezu 20 °C gesunken. https://datawrapper.dwcdn.net/Fr2Sy/4/

Als sich im Hochland Gletscher bildeten, kam es zu zwei Rückkopplungsschleifen. Erstens reflektieren Eis und Schnee weitaus mehr Sonnenlicht als bloßes Gestein, sodass das Wachstum der Eisdecke die umliegende Region weiter abkühlte. Unsere Modellierung legt nahe, dass allein dadurch die globale Temperatur um etwa 1 °C gesenkt wurde.

Zweitens enthielt die Luft über der Antarktis mit der Abkühlung weniger Wasserdampf, ein starkes Treibhausgas. Trockenere Luft führte zu einer schwächeren Isolierdecke über der Region, wodurch die Temperaturen noch weiter sanken.

Zusammengenommen führen diese Rückkopplungsschleifen dazu, dass sich die Eisdecke von ihren Hochburgen in den Bergen bis zur Küste ausdehnt und schließlich zu der einzigen Eisdecke verschmilzt, die wir heute sehen.

Entscheidend ist, dass die globale Abkühlung von etwa 1 °C nicht ausreichte, um die Arktis einzufrieren, da die Landmassen der nördlichen Hemisphäre nicht über die Höhe verfügten, um diese Schwelle zu überschreiten. Es würde noch etwa 25 Millionen Jahre und deutlich niedrigere CO₂-Werte und globale Temperaturen dauern, bis sich auch dort große Eisschilde bilden könnten.

Die durch die Bildung des Eisschildes verursachte Temperaturänderung reichte auch nicht aus, um die Temperaturen in den Polarmeeren rund um die Antarktis sinken zu lassen, was beide Rätsel um den Ursprung des Eisschildes in Einklang brachte.

Den Grundstein für Eiszeiten legen

Unsere Arbeit zeigt, wie die Geologie die Voraussetzungen für Eiszeiten schafft. Die Höhe des Landes bestimmt, ob es in einem bestimmten Klima kalt genug ist, um Eis zu bilden.

Dieses Konzept ist wichtig für andere Klimaereignisse in der Vergangenheit der Erde. Wenn tief in der Erde liegende Prozesse eine Landschaft für Eis konditionieren können, lange bevor das Klima so weit abkühlt, dass sich Eisschilde bilden, könnten auch sie zu früheren Eiszeiten beigetragen haben.

Das Verständnis des Wachstums früherer Eisschilde kann uns auch Hinweise auf die Zukunft geben. Unsere Studie zeigt, dass die Bedingungen, die für die Bildung eines kontinentalen Eisschildes erforderlich sind, außerordentlich spezifisch sind und dass die Bildung geologischer Zeiträume erforderlich ist.

Wenn Eisschichten schmelzen, verschwinden sie jedoch viel schneller, als sie sich gebildet haben. Und wenn sie einmal verloren sind, können sie nicht einfach nachwachsen.

Thomas Gernon, Professor für Erd- und Klimawissenschaften, Universität Southampton

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