Vom genetischen Flaschenhals der Menschheit zu Lenin in seinem Mausoleum

Glutwolke des Vulkans  Montagne Peleè auf der Antilleninsel Martinique, welche im Jahre 1902 die Stadt Saint Pierre (~40.000 Einwohner, 3 Überlebende) vollständig zerstörte...

Die Auswirkungen, die der Ausbruch eines Supervulkans a la Yellowstone auf die Umwelt hat, sind im Detail kaum abzuschätzen - auf jeden Fall aber so katastrophal, dass es in der Geschichte der Menschheit mit Ausnahme des Toba-Ausbruchs vor 74.000 Jahren (bei dem, wie die Genetiker anhand des „genetischen Flaschenhalses“ festgestellt haben, bis auf wenige 1000 Individuen alle damals lebenden Menschen umgekommen sind) keine vergleichbare Naturkatastrophe gegeben hat. Sie werden sich jetzt vielleicht fragen, wie man zu so einer Erkenntnis kommen kann. Dazu muss man wissen, dass in einem Lebewesen ein Gen (welches bekanntlich die Aminosäuresequenz und damit die Primärstruktur eines Proteins codiert) in verschiedenen Ausprägungen, die man als Allele bezeichnet, vorkommen kann. So gibt es z. B. ein Allel, welches in phänotypischer Ausprägung zu blauen und ein anderes Allel, welches zu braunen Augen führt. Sehen tun beide Augenarten gleich gut, so dass es für ein Individuum i. d. R. egal ist, welche Augenfarbe es besitzt. Existiert eine genügend große Population, so werden durch geschlechtliche Fortpflanzung die Allele in der Population verteilt und auch ihre Zahl nimmt durch Mutationen immer mehr zu. Ihre relative Häufigkeit in einer Population wird dabei durch den Begriff der Allelfrequenz beschrieben. Vom genetischen Standpunkt aus betrachtet, ist die Darwin’sche Evolution nichts anderes als die stetige Veränderung der Allelfrequenz in einer Population durch natürliche Selektion oder durch Gendrift. Wenn jetzt z. B. auf einer Insel so etwas wie eine Gründerpopulation aus wenigen Individuen einer Art entsteht, dann repräsentieren diese „Gründer“ und ihre unmittelbaren Nachfahren nur einen kleinen Teil der Allele, die in der Gesamtpopulation vorhanden sind. Man spricht hier von einer genetischen Verarmung, die sich konkret messen lässt. Da die Individuen auf unserer Beispielinsel sich nur noch untereinander paaren und damit kein effektiver Genaustausch mit der Restpopulation der Art mehr stattfindet, werden sich beide Populationen – Gründer-Population und Restpopulation – nach und nach auseinander entwickeln, was letztendlich zu neuen Arten führt (der Fachbegriff ist hier allopatrische Speziation). Die Population auf der Insel ist dabei im Vergleich zur Restpopulation genetisch deutlich verarmt und man sagt, dass sie durch einen genetischen Flaschenhals gegangen ist. Mit den modernen Methoden der Populationsgenetik lässt sich dieser Flaschenhals genau quantifizieren (wie groß war ungefähr die Gründerpopulation) und auch die zeitliche Lage des „Flaschenhalses“ berechnen (wann bildete sich die Gründerpopulation auf der Insel). So etwas geschieht natürlich auch ohne „Insel“, und zwar dann, wenn z. B. durch eine Naturkatastrophe der größte Teil (vielleicht 99%) einer Population und damit die in ihr konservierten Allele vernichtet werden. Die wenigen Individuen, die übrig geblieben sind, repräsentieren in ihrem Genpool dann auch nur noch wenige der ehemals in der Population vorhandenen Allele eines Gens. Auch hier entsteht ein quantifizierbarer genetischer Flaschenhals. 

Als man schon vor einiger Zeit die sogenannte Mitochondrien-DNA des Menschen untersuchte, stellt man überraschend fest, dass es hier kaum Unterschiede zwischen Menschen, die an den verschiedensten Orten der Erde leben, gibt. Die Menschheit ist nämlich genetisch außergewöhnlich homogen, was auf einen genetischen Flaschenhals hinweist (der Begriff der „Rasse“ für phänotypisch unterschiedlich ausgeprägter Menschen ist sowieso vom biologisch-genetischen Standpunkt nicht aufrecht zu erhalten), der vor ca. 70.000 Jahren entstanden sein muss. Und dieser Zeitpunkt fällt innerhalb der Fehlergrenzen ziemlich genau mit dem Toba-Ausbruch vor ~73.900 Jahren zusammen. Einige Anthropologen halten das nicht für einen Zufall. Es kann also durchaus sein, dass dieser Supervulkanausbruch, von dem heute nur noch die riesige Caldera, welche auf Sumatra den Toba-See beherbergt, kündet, damals einen Großteil der modernen Menschen in Afrika und Asien ausgerottet hat. Auch hier hatte der Mensch offenbar Glück auf seinem Weg zum heute. Aber wie gesagt. 

Wir sind noch nicht davongekommen. Mindestens 6 Supervulkane der höchsten Klasse 8 warten auf ihren Ausbruch. Und der ist um ein Vielfaches wahrscheinlicher als ein Einschlag von einem Himmelskörper mit mehr als einem Kilometer Durchmesser. Versicherungen haben sogar ausgerechnet, dass die Wahrscheinlichkeit bei einem Supervulkanausbruch umzukommen mehrfach größer ist, als mit einem Verkehrsflugzeug abzustürzen. 

Wer glaubt, dass wir hier in Deutschland was Vulkane betrifft, auf der sicheren Seite sind, irrt sich gewaltig. Und dazu muss nicht mal ein Supervulkan irgendwo auf der Welt ausbrechen. Wir haben nämlich in Deutschland unseren eigenen Kleinen. Und zwar in der Eifel. Er ist das letzte Mal vor ~12.930 Jahren ausgebrochen und erreichte dabei eine „Sprengkraft“, welche den des Vesuv im Jahre 79 n. Chr. (sogenannte Plinianische Eruption) auf das bis zu 5fache überstieg. Der „Knall“ muss dabei in halb Europa zu hören gewesen sein und dürfte so manchen Menschen der Jungsteinzeit (Jungpaläolithikum) aufgeschreckt haben. Und das „Loch“, was bei diesem Ausbruch übrig geblieben ist, bildet heute den Laacher See. Er ist leicht oval, im Mittel 3,3 km im Durchmesser und etwas über 50 m tief. Obwohl der Laacher See als Maar bezeichnet wird, ist er vom geologischen Standpunkt kein echtes Maar, sondern stellt die Einsturzcaldera über der bei dem genannten Ausbruch vollständig entleerten Magmakammer dar. Dass der letzte Ausbruch es wirklich in sich hatte, kann man noch heute entlang des Vulkanlehrpfades selbst erleben. Die geologischen Zeugnisse aus jener Zeit erzählen von einem wahrlich apokalyptischen Ereignis, welches sich interessanterweise jederzeit wiederholen kann, denn der Eifel-Vulkanismus befindet sich nur in einer Ruhephase. Denn tief unter der Erde befindet sich ein hot spot und an dessen Spitze eine Magmakammer. Dort sammelt sich unter hohem Druck ein gasreiches phonolithisches Magma. Wenn es – wie vor ~13.000 Jahren geschehen – durch Spalten und Klüfte im Gestein nach oben steigt, dann gerät es unter Druckentlastung, und die Gase werden explosionsartig freigesetzt, was in diesem speziellen Fall durch die Berührung mit Wasser noch um ein Vielfaches verstärkt wird. So etwas nennt man eine phreatomagmatische Eruption, in der pyroklastische Glutwolken (wie beim Ausbruch des Mt. Pelé im Jahre 1902) entstehen, die große Landstriche verheeren können. 

Wie muss man sich nun solch einen Ausbruch in der Eifel vorstellen? Ein Ausbruch erfolgt sehr plötzlich, d. h. es gibt wahrscheinlich nur wenige sichtbare Indizien dafür, dass eine Eruption unmittelbar bevorsteht. Das kann eine verstärkte Mofettenaktivität sein oder – wie es der Geologe Ullrich C. Schreiber sehr schön in seinem Vulcano-Thriller „Die Flucht der Ameisen“ beschreibt – dass diese Krabbeltiere beginnen in großen Scharen abzuhauen, bevor es richtig zur Sache geht (es nutzt aber nichts)… Vor ~12.930 Jahren jedenfalls begann es plötzlich im Erdinneren zu rumoren, weil das aufsteigende Magma auf Wasser stieß, dieses sofort verdampfte und die bereits vorhandenen Risse und Klüfte im Gestein aufsprengte, so dass die dünnflüssige gasreiche Lava immer weiter nach oben steigen konnte. Dieser Aufstieg entlud sich dann plötzlich in einer phreatomagmatischen Explosion, die einen Krater in den Boden riss und aus dem zu Pulver zermahlenes Gestein in Form einer riesigen heißen Aschewolke mit hoher Geschwindigkeit bis in über 30 Kilometer Höhe geschleudert wurde. Diese Phase nennt man plinianische Hauptphase, weil sie zum ersten Mal von Plinius dem Jüngeren (61/62 – 113/115) bei seiner Flucht vor dem katastrophalen Ausbruch des Vesuvs im Jahre 79 n. Chr. beobachtet und beschrieben wurde (Stichwort Pompeji, Herculaneum). Ihr Kennzeichen ist eine schnell entstehende pilzförmige Eruptionssäule, die bis in die Stratosphäre ragt und dann unter ihrem eigenen Gewicht kollabiert. Dabei entstehen sogenannte pyroklastische Ströme aus einer heißen (bis 800 °C) und dichten Emulsion aus vulkanischem Staub, Bimsstein und Gas, welches man im französischen treffend nuée ardente (Glutlawine) nennt. Sie verbrennen und ersticken alles Leben auf ihrer Zugbahn und hinterlassen schließlich mächtige Schichten aus verfestigtem vulkanischem Material (sogenannte Ignimbrite). Da sie eine Fließgeschwindigkeit von bis zu 700 km/h erreichen, kann man vor ihnen auch nicht davonlaufen. Im Fall des Laacher Sees erreichen die genannten Ablagerungen immerhin eine Schichtdicke von bis zu 60 Meter Mächtigkeit und der vom Wind verwehte Staub konnte noch in Schweden und in Norditalien nachgewiesen werden. Man schätzt, dass dieser Ausbruch ca. 16 km³ Lockermaterial (sogenannte Tephren) gefördert hat. Damit spielt er sogar eine Liga oberhalb des bekannten Ausbruchs des Mt. St. Helens im Jahre 1980 und sogar des Pinatubo im Jahre 1991. Also harmlos ist solch ein Eifel-Vulkan wirklich nicht. Übrigens, nach ca. einer Woche war der ganze Spuk vorbei und was von der Eifel übrig blieb, war nichts weiter als verbrannte Erde, dass sich zu Ende der nächsten 12.000 Jahre zu einem Touristenmagnet entwickeln sollte. Es lohnt sich einmal hinzufahren, wenn sich die Angst vor einem Ausbruch in Grenzen hält. Denn eine Vielzahl von Vulkanologen hält es übrigens für sehr wahrscheinlich, dass der Laacher-See-Vulkan irgendwann in den nächsten 1000 Jahren wieder einmal ausbrechen wird. Und das kann theoretisch schon nächste Woche passieren. Und damit man sich das Szenario auch schon mal im Vorfeld etwas genauer vorstellen kann, wurde 2009 ein Zweiteiler mit dem bescheidenen Titel „Vulkan“ unter der Regie von Uwe Jansen gedreht. Er kommt zwar nicht an den amerikanischen Thriller „Supervolcano“ von 2005 heran, der einen Ausbruch des Supervulkans unter dem Yellowstone-Nationalpark thematisiert, ist aber ansonsten durchaus - was zumindest die geologische Faktenlage betrifft - realistisch angelegt. 

Dendriten auf einem Phonolith-Handstück

Auf plattigen Phonolith-Abschlägen wie hier findet man manchmal dunkle, fein verzweigte fraktale Strukturen, die von manchen Leuten für "versteinertes Moos" gehalten werden - sogenannte Dendriten ("Bäumchensteine"). Natürlich ist "Moos" Quatsch. Es handelt sich hier um Auskristallisationen von mit hoher Wahrscheinlichkeit Manganoxid in Form von Braunstein. Auch in Kalkgesteinen und anderen plattigen Gesteinen sind diese Gebilde nicht selten anzutreffen (Geheimtipp: Solnhofener Plattenkalk). Man kann sie noch am ehesten mit den "Eisblumen" vergleichen, die sich im Winter bei starkem Frost auf Glasscheiben bilden, da ihre Entstehungsweise gewisse Parallelen aufweist. Der Name "Dendrit" kommt übrigens von griech. dendron - Baum. Deshalb ist die Wissenschaft "Dendrologie" auch die Wissenschaft von den Bäumen und nicht die Wissenschaft von den hier gezeigten Dendriten. Letztere sind eher ein Objekt der Mineralogie als der der Botaniker.

Dendriten entstehen, wenn mineralienhaltige Wässer oder Dämpfe durch feine Klüfte oder Risse plattiger Gesteine diffundieren und dabei unter Kapillarwirkung die darin enthaltenen Minerale auskristallisieren. Die dabei entstehenden Muster sind selbstähnlich, weshalb man sie zu den Fraktalen zählt.

Wie Basaltsäulen entstehen...

Basalte sind mit Phonolith die häufigsten Ergussgesteine bei uns in der Oberlausitz sowie im nördlichen Böhmen. Sie zeugen von einer erdgeschichtlich noch nicht allzuweit in der Vergangenheit liegenden Epoche starken Vulkanismus, der mit der Entstehung eines Grabenbruches assoziiert war, der aber schnell in seiner Entwicklung steckengeblieben ist - ich meine den Egergraben, der sich parallel zum Erzgebirgskamm südlich hinter dessen Pultscholle erstreckt. Er ist heute noch geringfügig aktiv, wie lokale Erdbeben, die Sooser Mofetten und die schon von Goethe geliebten Thermalbäder (Karlsbad) zeigen. Zur Zeit nimmt die vulkanische Aktivität des Egergrabens wieder merklich zu, wie Geowissenschaftler festgestellt haben. Die lokalen Magmenkammern, die sich offensichtlich wieder ganz langsam vergrößern, liegen in ca. 30 km Tiefe - z. B. genau eine unter Franzensbad...

Der mit dem Aufbrechen des Egergrabens verbundene basische Vulkanismus datiert im Wesentlichen in das späte Miozän, d. h. in den Zeitraum zwischen 35 Millionen und 9 Millionen Jahren. Der letzte Ausbruch (Kammerbühl und Eisenbühl südwestlich von Franzensbad) geschah übrigens erst vor ca. 720000 Jahren... (Schlackekuppen ähnlich Stromboli). 

Bei den (häufig, aber nicht ausschließlich effusiven) Vulkanen, die heute Teile der Oberlausitz und das Böhmische Mittelgebirge prägen, sind genaugenommen nur kümmerliche Reste erhalten geblieben (der Milleschauer war ursprünglich über 2000 m hoch). Was wir heute als Basalt- oder Phonolithsäulen sehen, sind nur die versteinerten Aufstiegsschlote ehemaliger Staukuppen (Beispiel Lausche) oder die im Erdinnern in Rissen erstarrten Laven bzw. ausgetretene Laven, die riesige basaltische Deckenergüsse gebildet haben. Heute sind sie vom Deckgebirge befreit und damit gut sichtbar. Es gibt (gab) z. B. einen Riss im Sandstein von 20 km Länge, der sich vom westlichen Jeschkenfuß bis zu den Bösigen hinzog und mit Basalt gefüllt war. Herausgewittert stellte er eine ca. 2 bis 3 Meter breite und mehrere Meter hohe Basaltsäulenmauer dar, welche - darf man römischen Aufzeichnungen glauben - einst einem römischen Expeditionschor in das Land der Markomannen den Weg versperrte... Später hat man die Mauer - die "Teufelsmauer" - als billigen Steinlieferanten abgebaut. Heute sind nur noch ein paar spärliche, aber durchaus noch eindrucksvolle Reste zwischen Oschitz und Böhmisch Aicha im "Land hinter dem Jeschken" zu besichtigen...

Aber eigentlich wollte ich ja erklären, warum Basalte und Phonolithe Säulen bilden. Bei beiden Gesteinsarten handelt es sich erst einmal um dunkle mafische (d. h. magnesium- und eisenreiche, aber siliziumarme) Gesteine, die aus relativ dünnflüssigen Gesteinsschmelzen (Magmen) erstarrt sind - und zwar selten direkt an der Oberfläche, sonder meist tief im Inneren eines Vulkanschlotes oder Risses im Grundgebirge. Die Säulenformen (meist 6-eckig) sind das Resultat der langsamen Abkühlung der bereits erstarrten Gesteinsmasse. Bei diesem Vorgang entsteht in einer homogenen Material ein regelmäßiges Netz von Abkühlungszentren, in dessen Richtung das Gestein schrumpft (d. h. es zieht sich zusammen). Irgendwann werden die mechanischen Spannungen so stark, dass das spröde Material zerreist und auf diese Weise ein sechseckiges Muster entsteht. Dabei stehen die daraus resultierenden Säulen immer senkrecht zur Abkühlungsfläche. Deshalb kann man auch sehr gut an der Säulenausrichtung erkennen, ob es sich um einen ehemaligen Förderschlot, ein Deckenerguss oder eine Spaltenfüllung handelt. Die mineralogische Zusammensetzung (beispielsweise ob Olivindrusen enthalten sind oder nicht) und die Säulenbreite geben uns dann noch Informationen über die ursprüngliche Magmakammer, aus welcher der Vulkanit stammt...

Sintflut, Great Spokane Flood und Jökulhlaups

Foto http://hugefloods.com/

In letzter Zeit wird die „Sintflut“ auch mit einem Ereignis in Zusammenhang gebracht, welches ungefähr 5500 v.Chr. stattgefunden haben soll – der „Dammbruch“ am Bosporus, bei dem sich innerhalb kürzester Zeit riesige Wassermengen in das damals nur halb gefüllte Becken des Schwarzen Meeres ergossen. Mit dem Ende der Würm- (bzw. Weichsel-) Eiszeit kam es durch das Abschmelzen des Inlandeises zu einem merklichen Meeresspiegelanstiegs, der natürlich auch das Mittelmeer erfasste. Dabei wurde irgendwann die Landenge, die das Marmarameer vom Schwarzen Meer trennte, überflutet und weggerissen, so dass sich plötzlich riesige Wassermassen in das über 100 m tiefer liegende Schwarzmeerbecken ergossen. Zu dieser Zeit waren die Randbereiche des Schwarzen Meeres durchaus schon verhältnismäßig dicht besiedelt, wie entsprechende archäologische Artefakte beweisen. Die Menschen mussten sich also schnell aus dem Staub machen, um den rapide vonstatten gehenden Anstieg des Pegels des Schwarzen Meeres zu entkommen. Vielleicht, so meinen einige Wissenschaftler, hat gerade diese existentielle Erfahrung, die von Generation zu Generation weitergegeben wurde, zum Aufkommen der Sintflut-Saga geführt. Während der sogenannten känozoischen Eiszeiten hat es übrigens weltweit eine ganze Anzahl von plötzlichen Flutereignissen gegeben, denen aber sicherlich nur wenige Menschen (damals gab es davon auch noch nicht sonderlich viele) zum Opfer gefallen sind. 

Einige der größten fanden im nördlichen Amerika im Bereich der Columbia River Plateaus (Bundesstaaten Washington und Oregon) vor 13.000 bis 15.000 Jahren statt, wodurch die sogenannten „channeled scablands“ entstanden (siehe Foto oben). Die Vielzahl der Täler, die sich tief in den harten Basalt des Columbia Plateaus eingeschnitten haben, unterscheiden sich von anderen durch Wasser oder Eis ausgeräumten Täler durch ihre rechteckigen Querschnitte, was bereits in den 1920er Jahren zu einer hitzigen Debatte unter den Geologen bezüglich ihrer Entstehung geführt hat. Im Bereich von Aufsandungen haben sich darüber hinaus Rippelmarken erhalten, die in ihrer Größe und Ausprägung einzigartig sind. Die heute trocken liegenden Böden der Kanäle besitzen streckenweise Vertiefungen, die sich am einfachsten als Kolke interpretieren lassen. Dazu kommen noch ganze Kaskaden von ehemaligen Katarakten, stromlinienförmige „Inseln“ sowie große, über lange Strecken transportierte und dann liegengebliebene Gesteinsblöcke. Der Geologe J. Harlen Bretz (1882-1981) war der Erste, der sich auf diese Geländemerkmale einen Reim machte und damit eine wissenschaftliche Debatte vom Zaun brach. Heute, nach über 90 Jahren Feldforschung in dieser Region, werden seine Ideen allgemein anerkannt und die Entstehung der scablands stellt sich in vereinfachter Form wie folgt dar: 

Am Ende der letzten Eiszeit staute ein zurückweichender Gletscher den glazialen Clark Fork River und es entstand ein riesiger Gletschersee („Lake Missoula“) mit einer Gesamtfläche von etwa 7700 km², einer Tiefe von etwa 600 m und einem Wasserinhalt, der ungefähr dem des heutigen Michigan-Sees entspricht. Seine Küstenlinie kann man noch heute, quasi in versteinerter Form, an den Hängen der Sentinel Mountains bei Missoula (Montana) erkennen. Als der Eisdamm schließlich brach, ergossen sich vor ca. 15.000 Jahren innerhalb weniger Tage bis maximal 2 Wochen die Wassermassen des Gletschersees katastrophenartig in das Gebiet des Columbia River-Plateaus südwestlich von Spokane, wobei Ausflussraten von mehreren km³ pro Sekunde sowie Ausflussgeschwindigkeiten von bis zu 100 km/h erreicht wurden. Eine derartige Flut wiederholte sich über zwei Jahrtausende hinweg etwa 40-mal mit entsprechenden Zwischenräumen, in denen sich der Lake Missoula wieder auffüllte. 

Diese Serie von Flutereignissen wird unter dem Namen „Great Spokane Flood“ zusammengefasst. Die erste und größte Flutwelle hat dabei fast vollständig die Lößbedeckung der miozänen Columbia River-Basalte entfernt, bevor sie begann, sich tief in den harten Untergrund einzuarbeiten. Die ursprüngliche Lößbedeckung ist vollständig intakt nur noch auf einigen der stromlinienförmigen „Inseln“ erhalten geblieben, die also offensichtlich nicht überflutet wurden. Die Talbildung selbst erfolgte dabei hauptsächlich durch die enorme Erosionskraft zurücklaufender Katarakte, wie man es noch heute (wenn auch um vieles langsamer) bei den Niagarafällen beobachten kann. Insgesamt wurden in den scablands über 200 km³ Gestein abgetragen und verfrachtet. Wie bereits erwähnt, wiederholten sich derartige Überflutungen mehrfach, da sich der Eisdamm durch Gletschervorstöße immer wieder neu aufbaute. Am Unterlauf der Strömungen kann man heute noch die riesigen Geröllhalden und Kiesbänke besichtigen, die von der Kraft des fließenden Wassers künden. 

Solche katastrophenartigen Entleerungen von Gletscherseen, wenn auch in viel geringerem Ausmaß, kamen während der Eiszeiten auch an anderen Orten vor. Als Beispiel soll hier nur das Gebiet um den Porcupine River im nördlichen Alaska genannt werden. Aber auch im Gebiet des Aral-Sees und des Kaspischen Meeres hat man Landschaftsformen entdeckt, die auf ausgedehnte Flutereignisse am Ende der letzten Eiszeit hinweisen.

Dass Gletscherseen, wenn sie plötzlich ihre Wassermassen talwärts freigeben, innerhalb kürzester Zeit ganze Täler ausräumen können, lässt sich sehr gut an den sogenannten Jökulhlaups („Gletscherlauf“) studieren. Unter diesem isländischen Wort versteht man die schlagartige Entleerung von Seen, die sich beispielsweise aufgrund einer vulkanisch bedingten Erwärmung eines Eisschildes oder Gletschers unter der Eisschicht gebildet haben. In der Geologie wird dieser Begriff aber auch ganz allgemein für alle mit Gletschern im Zusammenhang stehenden Flutereignissen verwendet. Ein Fallbeispiel ist der große Gletscherlauf von 1996 im Bereich des Skeidararjökull im südlichen Island. Ausgangspunkt war der Vulkan Vatnajökull, der fast vollständig unter einer Eiskappe verborgen ist. Als dieser Vulkan 1996 wieder einmal ausbrach, begannen die umgebenden Gletscherseen durch das Schmelzwasser schnell anzusteigen, wodurch ihre Eisbarrieren brachen und riesige Wassermengen ins Tal abflossen. Dabei konnte man im Bereich des südlich vorgelagerten Sanders Skeidararsandur, quasi im Kleinen, die Entstehung von scabland-ähnlichen Strukturen live beobachten. Die Wassermassen hatten dabei bis zu 10 Meter große Eisblöcke mitgerissen und eine massive Stahlbrücke zerstört. Hier traten zwei Naturgewalten, Feuer und Eis in Wechselwirkung, um zusammen zerstörerische, existenzbedrohende Fluten zu erzeugen, die auch Eingang in nordische Weltuntergangsmythen gefunden haben.

Milankovic-Zyklen, Erdbahnparameter und die Entwicklung des Erdklimas

Das globale Klima der Erde wird in erster Linie durch den Energieeintrag der Sonnenstrahlung in die Atmosphäre bestimmt. Sie stellt die Primärenergiequelle dar, aus der sich die atmosphärische Dynamik speist. Deshalb können bereits geringe Änderungen der Solarkonstanten im Promillebereich zu gravierende Veränderungen im Klimasystem führen. Sehr gut erforscht ist in dieser Beziehung das Paläoklima der letzten Millionen Jahre, wo die Erde mehrere mehr oder weniger stark ausgeprägte Vereisungszyklen, die durch Warmzeiten (Interglaziale) getrennt waren, durchgemacht hat. Die Fragestellungen, die sich in Bezug auf die Ursachen dieser Zyklen ergeben, bildeten das sogenannte „Eiszeitenproblem“, über das zu Beginn des 20. Jahrhunderts intensiv geforscht wurde. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang z. B. die Untersuchung des grönländischen Inlandeisschildes durch Alfred Wegener (1880-1930) und die Rekonstruktion des Klimas ab dem ausgehenden Pliozän (vor ca. 2 Millionen Jahren) durch Wladimir Köppen (1846-1940).

Eine Erklärung für diese Klimazyklen und für die beobachteten Zyklenlängen wurde in den dreißiger Jahren des vergangenen Jahrhunderts von dem serbischen Wissenschaftler Milutin Milankovic (1879-1958) vorgeschlagen. Seine Theorie, die seitdem als Milankovic-Theorie bezeichnet wird, ist heute weitgehend anerkannt. Sie sieht die Ursachen für zyklische Klimaänderungen in der Veränderung der Erdbahn um die Sonne, die mit einer Veränderung der Solarkonstante verbunden ist. Wie aus der Himmelsmechanik bekannt ist, stellen die ungestörte Bahnform (Ellipse) und die Lage der Bahnebene (gegeben durch den Vektor des Bahndrehimpulses) jeweils Invarianten der Bewegung in einem 1/r-Potential dar. Das bedeutet, dass die Bahnparameter a (große Halbachse), e (numerische Exzentrizität) und i (Bahnneigung zur Ekliptik, nach Definition 0° für die Erdbahn) stabile Größen sind – vorausgesetzt, es kommt zu keinen gravitativen Störungen durch andere Planeten. Das ist im Sonnensystem aber nicht der Fall. Insbesondere die großen Planeten des äußeren Sonnensystems haben einen durchaus starken Einfluss auf die Erdbahn, der sich zwar kurzfristig quantifizieren, aber langfristig nicht vorhersagen lässt (deterministisches Chaos). Mit den Mitteln der Störungstheorie können diese Änderungen in den Bahnparametern jedoch durchaus mit genügender Genauigkeit untersucht werden um z. B. eine Korrelation zwischen den Änderungen der Erdbahn und bestimmten Klimaparametern (beispielsweise der mittleren Jahrestemperatur) herzustellen. Diesbezügliche Rechnungen wurden zuerst von Milutin Milankovic durchgeführt und veröffentlicht.

Es gibt im Wesentlichen drei Größen, die in diesem Zusammenhang relevant sind: die Exzentrizität der Erdbahn e, die Neigung der Erdachse in bezug auf die Ekliptik i und die Lunisolarpräzession.

Die Exzentrizität der Erdbahn (also den Grad der Abweichung der Bahnellipse von einem idealen Kreis mit dem Radius 1 AU) kann aufgrund der nichtzentralen gravitativen Störungen der anderen Planeten im Bereich zwischen e=0.00 und e=0.06 schwanken. Die Änderungen sind dabei nichtharmonisch, d. h. sie stellen die Überlagerung verschiedener „Frequenzen“ dar, die in einem Bereich zwischen 90000 und 105000 Jahren liegen und zwar mit einem deutlichen Schwerpunkt bei ca. 93000 Jahren. Große Exzentrizitäten bewirken einen geringeren Perihelabstand und einem größeren Aphelabstand, was zu einer starken jahreszeitlichen Schwankung der Energieeinstrahlung führt. Die Änderung in der Exzentrizität selbst (d. h. die Veränderung der Bahnform von einem (fast) idealen Kreis zu einer Ellipse und wieder zurück), führt zu einer Schwankung der Solarkonstanten um etwa 1 Promille (d. h. ca. 0.7 W/m²), was einer Schwankung der Gleichgewichtstemperatur der Erde um einige Grad entspricht. Eine Änderung der Bahnform bewirkt also einmal eine Veränderung des Temperaturkontrastes über ein Jahr hinweg als auch eine zyklische Veränderung der mittleren Jahrestemperaturen im Zyklus der Exzentrizitätsschwankungen mit einer Periode von ungefähr 100000 Jahren.

Fällt in einer Epoche erhöhter Bahnexzentrizität der Winter auf der nördlichen Hemisphäre mit der Zeit des Periheldurchgangs zusammen (was gegenwärtig der Fall ist), dann ist aufgrund des Zweiten Keplerschen Gesetzes die Jahreszeit „Winter“ kürzer als im umgekehrten Fall (Winter auf der Nordhemisphäre, Erde im Aphel). Deshalb sind heute auch die nördlichen Winter kürzer und wärmer als die Südlichen. Zu Zeiten geringer Bahnexzentrizität verschwinden dagegen die Unterschiede in den Längen der Jahreszeiten.

Eine zweite Größe, die sich ändern kann, ist die Neigung der Erdachse gegenüber der Erdbahnebene. Diese Größe, die als „Schiefe der Ekliptik Epsilon" bezeichnet wird und gegenwärtig bei 23.5° liegt, kann im Bereich zwischen 21.8° und 24.4° schwanken. Die Periode dieser Nutationsbewegung liegt bei ca. 41000 Jahren. Ursache dafür ist die gravitative Wechselwirkung der Sonne und des Mondes mit der asymmetrischen Masseverteilung der Erde.

Die Nutation beeinflusst in erster Linie den Jahresgang der in den obersten Atmosphärenschichten eintretenden Sonnenstrahlung. In hohen geographischen Breiten kann das im Jahresmittel immerhin bis zu 16 W/m² ausmachen. Obwohl die Schiefe der Ekliptik keinen Einfluss auf den gesamten Energieeintrag über ein Jahr hat, so erhöht sich doch der breitenabhängige Temperaturkontrast (Differenz zwischen maximaler und minimaler Temperatur) auf beiden Hemisphären in dem Maße, wie sich die Achsenneigung erhöht (man erinnere sich, bei einem Epsilon-Wert nahe 0° gäbe es keine Jahreszeiten). Dieser Vorgang hat u. a. Auswirkungen auf die Ausbildung und das Abschmelzen polarer Eisschilder. So werden in einer Periode mit geringem Temperaturkontrast die Polareisschilder in der Tendenz abgebaut um in Zeiten hohen Temperaturkontrastes wieder anzuwachsen. Man erwartet deshalb eine Korrelation zwischen der Eisbedeckung der Pole und dem Epsilon - Wert der Erdachse.

Die Auswirkung der Lunisolarpräzession auf das Erdklima steht im Zusammenhang mit der Änderung der Exzentrizität der Erdbahn. Sie bestimmt die Jahreszeit, in der sich die Erde in Sonnennähe, d. h. im Perihel, aufhält. Wie bereits erwähnt, durchläuft heute die Erde den sonnennächsten Punkt ihrer Bahn, wenn auf der Nordhalbkugel gerade Winter ist. Vor 11000 Jahren war es genau umgekehrt. Zu dieser Zeit war der Winter auf der Nordhalbkugel deutlich länger als heute. Die Präzessionsperiode ist bezüglich des Wechsels der Jahreszeiten aufgrund der Apsidendrehung der Erdbahn mit etwa 23000 Jahren etwas kürzer als das Platonische Jahr von 25700 Jahren. Sie hat keinen Einfluss auf den Netto-Energieeintrag der Erde durch die Sonne, kann aber die Stärke des Jahresgangs der Temperatur verändern.

Die astronomischen Zyklen für die Bahnexzentrizität (ca. 100000 Jahre), der Erdachsenneigung (ca. 41000 Jahre) und der Präzession (ca. 23000 Jahre) sind demnach ,,verantwortlich'' für die Gesamtmenge der Strahlung, welche die Erde von der Sonne erhält sowie deren räumlicher und saisonaler Verteilung. Dabei können bereits relativ geringe Veränderungen im Energieeintrag Prozesse in der Atmosphäre anstoßen, die zu einem relativ starken Umbau des Klimasystems führen können. Zwar lassen sich nach neueren Forschungen die Eiszeiten im ausgehenden Neozän nicht allein mit den Milankovic-Zyklen erklären. Sie sind aber sehr stark mit ihnen korreliert. Das bedeutet, dass astronomische Ursachen im Zusammenspiel mit komplexen Rückkopplungsmechanismen das globale Erdklima stark beeinflussen können.

Milankovich-Zyklen spielen auch für die Klimaentwicklung bzw. für die Klimageschichte des Planeten Mars eine große Rolle. Da bei diesem Planeten die stabilisierende Wirkung eines großen Mondes auf die Achsenneigung fehlt, sind die klimatischen Auswirkungen im Vergleich zur Erde sogar noch viel extremer.