Unser heutiges Wissen über kurzfristige Veränderungen im Weltklima und ihre Ursachen stützt sich zum großen Teil auf Erkenntnisse über natürliche Klimaschwankungen während der vergangenen 2,5 Millionen Jahre. Dieser Zeitraum ist jedoch keineswegs typisch für die Erdgeschichte. Wir Menschen leben seit dem Auftauchen unserer Gattung in einer "Eishauswelt", deren Klimadynamik eng mit dem raschen Auf- und Abbau ausgedehnter Gletscher in hohen Breiten verbunden ist. Entsprechend herrscht zwischen den Polen und dem Äquator ein relativ steiler Temperaturgradient. Während mindestens der Hälfte der letzen 540 Millionen Jahre – der Zeit, in der es höheres vielzelliges Leben gibt – war die Erde dagegen eine Treibhauswelt mit eisfreien Polkappen und geringen Temperaturunterschieden zwischen hohen und niedrigen Breiten.

Solche weltumspannenden "Dampfbäder" bildeten die Endzustände einer sich mehrfach kontinuierlich aufheizenden Atmosphäre. Sie im Detail zu erforschen erscheint angesichts der aktuellen Diskussion über Treibhauseffekt und globale Erwärmung ausgesprochen sinnvoll. Welche Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean und Biosphäre herrschten damals und wie unterscheiden sie sich von den heutigen? Antworten auf diese und ähnliche Fragen sollten helfen, das irdische Klimasystem besser zu verstehen und seine künftige Entwicklung angesichts menschlicher Eingriffe genauer vorhersagen zu können.

Als die gesamte Erde ein riesiges Treibhaus war

Das wohl bekannteste und am besten untersuchte Beispiel einer lang anhaltenden Treibhausphase bietet die Kreidezeit vor 140 bis 65 Millionen Jahren. Hauptursache der ungemütlich hohen Temperaturen, bei denen sich die Dinosaurier allerdings ausgesprochen wohl fühlten, war ein Gas, das auch in der heutigen Klimadiskussion eine entscheidende Rolle spielt: das Kohlendioxid. Es lässt sichtbares Sonnenlicht passieren, hält aber die von der Erdoberfläche ausgehende Wärmestrahlung zurück und wirkt so wie das Glasdach eines Treibhauses.

Während derzeit der Mensch die Atmosphäre mit Kohlendioxid belädt, waren es damals allerdings untermeerische Vulkane. Im Zeitraum zwischen 125 und 80 Millionen Jahren vor heute (den Kreidestufen Apt bis Untercampan) kam es zu langen Phasen intensiver vulkanischer Aktivität im Ozean. Dabei trat nicht nur so unvorstellbar viel Lava aus, dass riesige submarine Plateaus entstanden; die Feuerberge pumpten auch gewaltige Mengen an Kohlendioxid in den Ozean, von denen ein Teil letztendlich in die Luft gelangte. Der Gehalt der Atmosphäre an dem Treibhausgas stieg dadurch auf das Vier- bis Zwölffache des momentanen Wertes von 0,038 Volumenprozent.

Die Folge war ein enormer Wärmeschub, der weit reichende Auswirkungen auf die Biosphäre sowie den globalen Wasser- und Kohlenstoffkreislauf hatte. Auf dem Höhepunkt der Entwicklung vor etwa 94 Millionen Jahren – am Übergang zwischen den Kreidestufen Cenoman und Turon – lagen die durchschnittlichen Lufttemperaturen um 7,5 bis 8,5 Grad Celsius höher als heute. Das ergibt sich aus globalen Klimamodellen. Die Temperaturverhältnisse im Ozean lassen sich dagegen aus dem Mengenverhältnis der Sauerstoff-Isotope in kalkschaligen Einzellern (Foraminiferen) rekonstruieren. Längs des Äquators herrschten damals im oberflächennahen Wasser im Mittel fast 34 Grad. In mittleren Breiten waren es noch über 25 Grad, während die Oberflächentemperatur in polaren Meeresregionen im Jahresverlauf zwischen 0 und 18 Grad variierte. Selbst in Wassertiefen von etwa einem Kilometer herrschten vermutlich noch 15 bis 18 Grad. Zum Vergleich: Heute betragen die höchsten Oberflächentemperaturen am Äquator durchschnittlich etwa 27 Grad, während die Temperatur des Tiefenwassers bei rund 4 Grad liegt.

Allerdings war diese klimatische Extremsituation keineswegs stabil. Da in der Treibhauswelt der Kreide wenig oder gar kein Wasser auf dem Festland als Eis gebunden war und zudem submarin große Mengen an Lava ausflossen und Plateaubasalte bildeten, lag der Meeresspiegel bis zu 250 Meter über dem heutigen Niveau. Dadurch standen viele küstennahe Tiefländer unter Wasser, und die Landfläche war um etwa 20 Prozent kleiner als heu-te. Als Folge davon existierten weit ausgedehnte, flache Randmeere über den Schelfgebieten und sogar Wasserverbindungswege quer durch die Kontinente (etwa in Nordamerika und Zentralafrika).

Eutrophierung der Ozeane

Zugleich herrschte ein feucht-heißes Klima mit reichlich Niederschlag, der die Verwitterung intensivierte und den Eintrag von Mineralstoffen ins Meer verstärkte. Außerdem pumpte die am Meeresboden ausfließende Lava große Mengen an Spurenmetallen und Nährstoffen in den tiefen Ozean. All das ließ Algen und Plankton entlang der Kontinentalränder, aber auch in begünstigten Tiefseeregionen üppig gedeihen. Eine solche Eutrophierung ist heute nur in überdüngten Seen und in Randmeeren wie der Ostsee bekannt, die keine richtige Verbindung zum Ozean haben. Die im obersten Wasserstockwerk in großen Mengen produzierte Biomasse sammelte sich nach dem Absterben weitgehend unzersetzt am Meeresboden, da der Sauerstoff in dem warmen und langsam strömenden Zwischen- und Tiefenwasser nicht ausreichte, um das tote organische Material zu oxidieren.

Dies hatte erhebliche Konsequenzen für die globale Kohlendioxid-Bilanz: Das wuchernde Plankton entzog der Atmosphäre massiv Kohlendioxid und deponierte es am Meeresboden dauerhaft als organisches Material. Das zeigt sich heute noch in ungewöhnlichen Mengenverhältnissen der verschieden schweren Kohlenstoff-Isotope in marinen Sedimenten aus dieser Zeit. Demzufolge wurde am Übergang vom Cenoman zum Turon über einen Zeitraum von knapp einer Million Jahre die ungeheure Masse von etwa 1,6 Milliarden Tonnen Kohlenstoff jährlich am Meeresboden vergraben – mehr als das Zehnfache der 100 bis 140 Millionen Tonnen, die sich dort gegenwärtig ablagern. Nach Abschätzung von Geochemikern am Königlichen Niederländischen Institut für Meeresforschung (NIOZ) auf Texel fiel dadurch die Konzentration an Kohlendioxid in der Luft um 40 bis 80 Prozent – auf etwa das Doppelte des heutigen Niveaus.

Die Folgen für das Klima und die Biosphäre waren drastisch. Nach Modellierungen sank die durchschnittliche Lufttemperatur um etwa zwei bis vier Grad Celsius, womit sie freilich immer noch um vier bis sechs Grad höher lag als heute. Nach einer solchen Abkühlungsphase ließ der anhaltend hohe vulkanische Ausstoß von Kohlendioxid die Temperaturen allerdings wieder langsam ansteigen. Ein neuer Zyklus aus Aufheizung und nachfolgendem Temperatursturz begann.

Die extremen Klimaverhältnisse der Kreidezeit haben sich in einer äußerst ungewöhnlichen Art von Meeressedimenten verewigt: den so genannten Schwarzschiefern. Es handelt sich um dunkle, feinkörnige, meist fein geschichtete (laminierte) Ablagerungen. Ihre Farbe rührt von extrem hohen Konzentrationen an organischem Kohlenstoff und Pyrit (FeS₂) her. Die Feinschichtung (Laminierung) lässt zugleich darauf schließen, dass es am Meeresboden damals keine Kleinstlebewesen gab, welche die obersten Sedimentschichten durchwühlten. Dadurch blieben auch kurzfristige Wechsel in der Ablagerung erhalten.

Schwarzschiefer sind übrigens nicht nur als Zeugen einstiger Klimaextreme von Interesse. Sie haben auch große wirtschaftliche Bedeutung, da sie rund die Hälfte aller Erdölmuttergesteine stellen, aus denen wir unseren heutigen Weltenergiebedarf decken.

Stinkende Schwefelgase unter der Wasseroberfläche

Sowohl die Laminierung als auch der hohe Gehalt an organischem Kohlenstoff und Pyrit resultieren offenbar daraus, dass zur Zeit der Sedimentation weite Bereiche des offenen Ozeans vom Boden bis nahe an die Oberfläche anoxisch, das heißt frei von Sauerstoff waren. Nur unter diesen Extrembedingungen konnten sich solch gewaltige Mengen an organischem Kohlenstoff unzersetzt ablagern und Eisenionen in reduzierter, zweiwertiger Form als sulfidisches Pyrit ausfallen. Die lebensfeindlichen Verhältnisse erklären auch das Fehlen von wühlenden Organismen am Meeresboden.

Einen weiteren Beweis für die Abwesenheit von Sauerstoff liefern organisch-geochemische und isotopenchemische Untersuchungen von Wissenschaftlern am NIOZ und am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen. Demnach finden sich sowohl in kreidezeitlichen Schelfablagerungen aus der Region von Tarfaya in Südmarokko als auch in den zeitgleichen Tiefseesedimenten aus dem südlichen Nordatlantik spezielle organische Verbindungen, die von grünen Schwefelbakterien stammen. Weiter nördlich, vor Nordamerika und Europa, wurden sie ebenfalls nachgewiesen, allerdings in wesentlich geringeren Konzentrationen. Das Besondere an den grünen Schwefelbakterien ist, dass sie nur unter anaeroben Bedingungen – das heißt in Abwesenheit von Sauerstoff – Photosynthese betreiben, und das mit Schwefelwasserstoff statt Wasser. Aus ihrem Vorkommen und ihrer Konzentrationsverteilung folgt also, dass der damals schon mehrere tausend Meter tiefe südliche Nordatlantik nicht nur keinen Sauerstoff enthielt, sondern in der lichtdurchfluteten (photischen) Zone sogar reich an freiem Schwefelwasserstoff gewesen sein muss. Leben konnte, abgesehen von wenigen speziell angepassten Mikroorganismen, unter solch extremen Bedingungen nicht existieren: Der größte Teil des Ozeans war biologisch so gut wie tot. Heute kommen derartige Bedingungen im offenen Ozean nicht vor, sondern treten nur gelegentlich in einzelnen Randmeeren wie dem Schwarzen Meer und kontinentalen Seen auf.

Großräumige Entstehung mariner Schwarzschiefer

Insgesamt kennt man aus der Kreidezeit drei solche Phasen, in denen marine Schwarzschiefer abgelagert wurden. Sie markieren einen geologisch kurzen Zeitabschnitt von wenigen Millionen Jahren, der jeweils mit dem Höhepunkt eines Erwärmungszyklus beginnt. Geowissenschaftler bezeichnen sie als Ozeanische Anoxische Ereignisse (OAEs). Die Sedimente an der Cenoman-Turon-Grenze stammen vom zweiten und zugleich am stärksten ausgeprägten OAE.

Welche Faktoren mussten zusammenkommen, um die großräumige Bildung der marinen Schwarzschiefer zu ermöglichen? Obwohl diese Frage schon lange untersucht wird, herrscht über die Antwort noch kein völliges Einvernehmen. Für viele Wissenschaftler steht die gesteigerte Produktion von Biomasse in der lichtdurchfluteten Zone des Ozeans im Vordergrund. Als moderne Analoga sehen sie die Meeresregionen vor Südwestafrika oder Peru an. Dort fördern seewärts gerichtete Passatwinde den Aufstieg nährstoffreicher Wassermassen entlang des oberen Kontinentalhangs, was die Bildung von Plankton an der Oberfläche fördert. Nach dem Absterben sinkt das organische Material ab und wird zersetzt.

Da es dabei den Sauerstoff in den tieferen Wasserschichten aufzehrt, entstehen Sauerstoffminimum-Zonen im Bereich des oberen Kontinentalhangs. In ihnen kann das herabrieselnde organische Material nicht mehr vollständig abgebaut werden, sodass sich organikreiche Sedimente am Meeresboden ablagern. Die Ozeanischen Anoxischen Ereignisse der Kreidezeit kann man sich als extreme Ausweitung solcher Sauerstoffminimum-Zonen bis in tiefe Bereiche des Ozeans vorstellen.

Andere Wissenschaftler halten dagegen die Sauerstoffarmut im Zwischen- und Tiefenwasser für die primäre Ursache und erklären sie mit dem besonderen Strömungsmuster in den damaligen Ozeanen, das ihrer Ansicht nach keinen wirksamen vertikalen Austausch von Wassermassen und damit auch keine Anreicherung der tieferen Schichten mit Sauerstoff zuließ. Als modernes Pendant betrachten sie das Schwarze Meer, in dem trotz relativ niedriger biologischer Produktivität Sedimente mit ungewöhnlich hohem Anteil an organischem Material abgelagert werden. Der Grund ist in diesem Fall, dass in den tieferen Wasserschichten fast kein Sauerstoff vorkommt. Darum kann auch das Wenige an organischem Material, das in die Tiefe sinkt, nicht zersetzt werden.

Zweifellos haben Besonderheiten der Meeresströmung, die mit der damaligen Landverteilung zusammenhängen, bei der Ablagerung der Schwarzschiefer eine wichtige Rolle gespielt. Da die Temperaturdifferenz zwischen äquatorialen und polaren Regionen im Oberflächenwasser des Kreideozeans insgesamt deutlich geringer war als heute, trugen die Meere vermutlich nur wenig zum Wärmetransport bei. Dies steht in krassem Gegensatz zur jetzigen Situation, in der es hauptsächlich ozeanische Strömungen sind, die für den globalen Energietransfer sorgen.

Sauerstoffmangel im stagnierenden Meerwasser

Wie aber funktionierte der Energieaustausch in der Oberkreide? Mit dieser Frage beschäftigen sich seit längerem Wissenschaftler am Forschungszentrum Geomar in Kiel. Ihren Simulationen zufolge übernahm die Atmosphäre den Löwenanteil am Wärmetransport. Dabei kam dem Wasserdampf eine entscheidende Rolle zu. Da warme Luftmassen mehr Wasserdampf aufnehmen und transportieren können als kalte, brauchten Geschwindigkeit und Intensität der globalen atmosphärischen Zirkulation in der Kreidezeit nicht unbedingt größer zu sein als heute, um trotzdem weitaus größere Mengen an Wärme zwischen den Breitengraden austauschen zu können. Außerdem kam es nach den Ergebnissen der Kieler Forscher verstärkt zu orkanartigen Stürmen, von denen viele in den Flachmeerregionen als markante Sturmflutlagen überliefert sind.

Der hohe Gehalt der Atmosphäre an Wasserdampf und Kohlendioxid führte auch zu ungewöhnlich hohen Verdunstungs- und Niederschlagsraten. Das muss starke regionale Unterschiede im Salzgehalt des Meeres hervorgerufen haben. Sie dürften anstelle der fehlenden Temperaturgradienten der Motor für die Zirkulation des Meerwassers gewesen sein. Die Umstellung auf eine solche verstärkt salzgetriebene Strömung brachte auch grundlegende Änderungen in der Struktur des Meeres mit sich. So lagern heute zwischen den oberflächennahen und den tiefen Schichten kalte, salzarme Zwischenwassermassen. In der Oberkreide waren die Ozeane in diesem Stockwerk dagegen vermutlich warm und salzreich; hierdurch bedingt lag die Konzentration an Sauerstoff dort deutlich unter derjenigen im heutigen Meer.

Von entscheidendem Einfluss auf die Tiefenwasserzirkulation war zweifellos auch die besondere Landverteilung während der Kreidezeit. Die Weltkarte zur Zeit des Cenoman unterscheidet sich deutlich von der heutigen (Bild rechts). So erstreckte sich damals entlang der nördlichen Subtropen und der gemäßigten Breiten ein ausgedehntes Meer namens Tethys als breite Verbindung zwischen dem Pazifik und Nordatlantik (es hat sich inzwischen bis auf den kümmerlichen Rest des Mittelmeers geschlossen). Andererseits war der Atlantik erst im Entstehen; in der Äquatorregion hatte er sich noch nicht vollständig geöffnet. Dadurch konnte keine wirksame Zirkulation von Wassermassen zwischen dem nördlichen und dem noch recht schmalen südlichen Teil des neuen Ozeans stattfinden. Dies trug maßgeblich zur unzureichenden Durchmischung und Belüftung der Wassermassen bei. In dem Maße, wie sich der äquatoriale Atlantik öffnete, ging in der Oberkreide dann auch die Sedimentation von Schwarzschiefern zurück.

Zusammenfassend zeichnen die geschilderten Befunde ein hochkomplexes Bild von der Entstehung der Schwarzschiefer. Die Intensivierung des Treibhauseffekts durch Kohlendioxid vulkanischen Ursprungs erwärmte den Ozean bis hinab in die Tiefsee und verstärkte gleichzeitig den Wasserkreislauf auf den Kontinenten, was die Verwitterung und den Abfluss von Nährstoffen ins Meer steigerte. Parallel dazu nahmen Intensität und Häufigkeit von Stürmen zu. Seewärts gerichtete Winde sorgten für einen verstärkten Auftrieb von warmen und nährstoffreichen Wassermassen entlang der weit gefluteten Kontinentalränder.

All das schuf ideale Bedingungen für das Wachstum von Plankton im flachen Kreideozean und förderte die Ausbreitung warmer, salzreicher Zwischen- und Tiefenwassermassen in den tieferen Meeresschichten. Infolgedessen bildeten sich sowohl entlang der Kontinentalhänge als auch in den zentralen Ozeanbecken ausgedehnte anoxische Zonen. Meerwasser mit wenig oder gar keinem Sauerstoff und eine hohe biologische Produktivität nahe der Oberfläche führten letztendlich dazu, dass große Mengen organischen Materials in geologisch kurzer Zeit am Boden abgelagert wurden.

Der Brennpunkt des Geschehens

Zu den Regionen, an denen dies geschah, gehörte insbesondere der Kontinentalhang im Nordwesten Afrikas, der durch eine Vielzahl flacher Becken auf dem Schelf gegliedert war. An einem davon, dem Kreidebecken von Tarfaya im äußersten Südwesten Marokkos, lässt sich die Ablagerung ausgesprochen gut erkennen und im Detail untersuchen. In den etwa 500 Meter mächtigen, zyklisch aufgebauten Kalk-Mergel-Abfolgen sind die extremen einstigen Treibhausbedingungen mit sehr hoher zeitlicher Auflösung überliefert. Auf einer Länge von etwa 700 und einer Breite zwischen 100 bis 250 Kilometern, was einer Gesamtfläche von ungefähr 125000 Quadratkilometern entspricht, lagern rund 625000 Kubikkilometer Kreidesediment.

Bilanzierungen machen die herausragende Rolle dieses kleinen Schelfbeckens als bedeutende Senke für organischen Kohlenstoff deutlich. Obwohl das Gebiet nur ungefähr 0,05 Prozent der damaligen globalen Meeresfläche einnahm, wurden dort rund fünf Prozent des weltweit abgelagerten organischen Kohlenstoffs deponiert. Daraus errechnet sich ein Anreicherungsfaktor von etwa hundert gegenüber dem restlichen Kreideozean.

So nimmt es nicht wunder, dass die Region von Tarfaya heute nicht nur Ziel von Explorationen der Erdölindustrie, sondern auch ein Schwerpunkt der internationalen Forschung über das kreidezeitliche Treibhausklima ist. Sie gilt als Schlüssel zur Rekonstruktion kurzfristiger Umweltveränderungen, die auf dem Höhepunkt der Erwärmung stattfanden: der Wende vom Cenoman zum Turon. Seit einigen Jahren beschäftigt sich eine internationale Gruppe von Geowissenschaftlern der Universitäten Bremen, Kiel, Marrakesch und Poitiers sowie des University College London und des NIOZ mit der Erforschung der spektakulären Sedimentabfolgen in Tarfaya.

Diese Untersuchungen sind eingebunden in das Cenomanian-Turonian Network Program, eine europäische Forschungsinitiative, an der sich sieben Forschungsinstitutionen aus Italien (Mailand), den Niederlanden (Texel), England (Oxford, Newcastle) und Deutschland (Oldenburg, Bremen, Kiel) beteiligen. Zum Vergleich der Sedimentationsdynamik in diesem küstennahen Ablagerungsraum mit derjenigen im angrenzenden Nordatlantik und der Tethys werden auch Tiefseebohrkerne des Ocean Drilling Program (ODP) und seines Vorläufers, des Deep Sea Drilling Projects (DSDP), sowie Ablagerungen in Italien und England einbezogen.

Leider war die Region von Tarfaya am westlichen Rand der Sahara wegen eines schwelenden Bürgerkriegs zwei Jahrzehnte lang nicht zugänglich. Erst eine Entspannung der politischen Lage machte es möglich, ab 1997 Landexpeditionen durchzuführen. Schon in den 1970er und frühen 1980er Jahren hatten marokkanische und europäische Ölfirmen (Onarep und Shell) auf der Suche nach dem flüssigen Gold ein dichtes Raster von rund 80 Bohrungen über das Tarfaya-Becken gelegt. Ihr umfangreiches Kernlager und ihre Datenarchive blieben jedoch viele Jahre unter Verschluss. Die Öffnung fiel etwa mit dem Zeitpunkt zusammen, als auch das Gelände wieder zugänglich wurde, sodass heute auf bereits vorliegende Daten und neues Kernmaterial zurückgegriffen werden kann.

Die Schwarzschiefer-Abfolgen im Tarfaya-Becken zeichnen sich nicht nur durch ihre große Mächtigkeit aus, sondern sind vor allem auch hervorragend erhalten. An der Wende vom Cenoman zum Turon wurden in diesem Schelfbereich im Durchschnitt elf Gramm organischer Kohlenstoff pro Quadratmeter und Jahr deponiert; das sind die höchsten bekannten Einbettungsraten weltweit (Bild unten). Dadurch kann man mit entsprechend feinen Untersuchungsmethoden eine zeitliche Auflösung von weniger als hundert Jahren erreichen und selbst noch äußerst kurzfristige Variationen im Sedimentationsgeschehen erfassen.

Diese kommen in der Feinschichtung zum Ausdruck. Der Wechsel zwischen helleren, stärker kalkigen und dunkleren, organikreicheren Lagen, der sich im Millimeter- bis Zentimeterbereich abspielt, könnte Variationen der Umweltbedingungen im Zeitrahmen von Jahrzehnten widerspiegeln. In unserer heutigen Welt verbinden wir eine solche Frequenz mit dem elfjährigen Sonnenfleckenzyklus. Bedeutet das vielleicht, dass die Umwelt- und Ablagerungsbedingungen vor 94 Millionen Jahren durch eine vergleichbare Variation in der Sonnenintensität moduliert wurden?

Eine definitive Antwort auf diese spannende Frage lässt sich noch nicht geben, weil dazu die unabhängige Bestätigung durch gleichartige Befunde an anderen Stellen nötig wäre; in der Regel ist aber die Genauigkeit der Zeitabschätzung in so alten Meeressedimenten dafür viel zu schlecht. Es wird daher schwierig sein, einen endgültigen Beweis für den vorgeschlagenen Mechanismus zu liefern. Dennoch zeigen die Überlegungen zur Entstehung der Lamination in Schwarzschiefern, in welche zeitliche Dimension die heutige Kreideforschung bereits vorgedrungen ist.

Aufschlussreiche Zyklen im Meterbereich

Eine klare und zugleich hochinteressante Parallele zur heutigen Klimadynamik manifestiert sich dagegen in den ausgeprägten Zyklen, die in den Sedimentabfolgen von Tarfaya im Meterbereich auftreten. Sie bestehen in einem Wechsel zwischen hellen, karbonatreichen Bänken und dunklen, organikreichen Schwarzschiefern. Im selben Rhythmus variieren physikalische Eigenschaften des Gesteins wie die Dichte mit der Tiefe (Kasten rechts), was eine präzise Korrelation der Einzelprofile über weite Distanzen erlaubt. Welche Zeitskala steckt in diesen Zyklen? Mathematischen Analysen zufolge entsprechen sie den periodischen Schwankungen, denen das Klima unserer Eishauswelt unterliegt. Wie aber kann das sein, wenn es damals gar kein Eis gab?

Den Grund für den heutigen Wechsel zwischen langen frostigen Phasen mit hochgradiger Vereisung in hohen Breiten und relativ warmen Zwischenperioden – in einem solchen Interglazial leben wir gerade – entdeckte der Serbe Milutin Milankovi schon vor der Mitte des 20. Jahrhunderts. Demnach sorgen Variationen in den Bahnparametern der Erde für eine zyklisch wechselnde Sonneneinstrahlung an der Oberfläche der Atmosphäre (Insolation) und bilden so den Motor für schnelle Klimavariationen. Diese Parameter und ihre Schwankungsperioden sind: die Exzentrizität der Erdbahn (100000 Jahre), die Neigung der Erdachse oder Erdschiefe (41000 Jahre) und der Zeitpunkt des Perihels oder sonnennächsten Punktes (19000 oder 21000 Jahre).

Auch die Sedimente von Tarfaya zeichnen im Meterbereich den Gang der von Milankovi entdeckten Bahnparameter nach: Offenbar veränderten regelmäßige Schwankungen in der Insolation die Umweltbedingungen derart, dass im zyklischen Wechsel organikreiche Schwarzschiefer und karbonatreiche Zwischenlagen gebildet wurden. Offenbar besteht dabei eine besonders starke Korrelation mit der Erdschiefe, die in der Oberkreide mit einer Periode von 39000 Jahren variierte. In den untersuchten Profilen von Tarfaya sind zwölf solche Erdschiefezyklen erkennbar (zehn davon lassen sich dem zweiten Ozeanischen Anoxischen Ereignis zuordnen), gefolgt von 15 Periheldrehungszyklen mit einer Periode von jeweils ungefähr 20000 Jahren. Insgesamt ergibt das einen Zeitraum von rund 770000 Jahren (Kasten oben). Innerhalb der Zyklen variiert auch der Anteil an Foraminiferen, die benthisch, also am Meeresboden leben – ebenso die Gesamtmenge des organischen Kohlenstoffs.

Dabei sind die Fluktuation im Gehalt an organischen Kohlenstoff und im Anteil an benthischen Foraminiferen in der Regel gegenläufig. Das spricht für einen zyklischen Wechsel in der Sauerstoffversorgung des Beckens: Hohe Kohlenstoffgehalte und wenig bodenlebende Tiere zeigen sauerstoffarme Phasen an, während das Vorkommen benthischer Foraminiferen und niedrige Kohlenstoffgehalte günstigere Lebensbedingungen erkennen lassen.

Die Beobachtung von Milankovi-Zyklen in der Oberkreide ermöglicht aber noch weitere Analogieschlüsse auf das damalige Klima. In der jüngeren Vergangenheit haben die erdbahngesteuerten Schwankungen der Sonneneinstrahlung unter anderem die Intensität des Passatwind-Systems beeinflusst: Die durchschnittliche Windstärke erhöhte sich in den trockenen Eiszeiten (Glazialen), während sie in den humiden Interglazialen zurückging. Da ablandige Passatwinde den Auftrieb von nährstoffreichen Wassermassen am westlichen Kontinentalrand förderten, schlug sich ihre wechselnde Stärke in einer zyklischen Abfolge von organikreichen und -armen Sedimenten vor Nordwestafrika nieder.

Derselbe Rhythmus in den Kreideschichten von Tarfaya legt folglich nahe, dass schon vor 94 Millionen Jahren dieser Mechanismus eines von ablandigen Passatwinden verursachten Auftriebs vor Nordwestafrika wirksam war. In Phasen mit starkem Auftrieb erhöhte sich die biologische Produktivität im küstennahen Atlantik, und es bildeten sich organikreiche Schichten. Karbonatreiche Lagen entstanden dagegen in weniger windigen Perioden. Aktuelle Klimasimulationen am Geomar in Kiel bestätigen drastische Wechsel zwischen ariden und humiden Klimaperioden in Zentral- und Nordafrika während der Oberkreide und stützen damit die Interpretation aus den Sedimenten.

Die Gliederung der Profile von Tarfaya nach Milankovi-Zyklen erlaubt auch eine sehr genaue zeitliche Einstufung. In Kombination mit anderen stratigrafischen Informationen aus dem Bereich der Paläontologie und Isotopenchemie ergibt sich so für die Mittelkreide ein präzises Altersmodell, mit dem sich nun jeder Abschnitt der Klimaentwicklung exakt datieren lässt. Demnach dauerte der rapide Entzug von Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu Beginn der Schwarzschiefer-Ablagerung in Tarfaya höchstens 60000 Jahre. Nach zögerlichem Beginn erreichte er in einer zweiten Phase seine maximale Geschwindigkeit. In den nachfolgenden 340000 Jahren blieb der Gehalt der Atmosphäre an dem Treibhausgas annähernd konstant, bevor er wieder langsam auf den Ausgangswert anstieg. Insgesamt umfasste das zweite Ozeanische Anoxische Ereignis an der Wende vom Cenoman zum Turon nur etwa 400000 Jahre, was geologisch ein sehr kurzer Zeitraum ist.

Außer den Erdbahnzyklen wurden unlängst auch kurzfristigere Schwankungen entdeckt, die weitere Rätsel aufgeben. Mit einem neuartigen, voll automatisierten Röntgenfluoreszenzscanner an der Universität Bremen maßen Wissenschaftler Konzentrationsprofile der Elemente Silizium, Eisen, Titan und Kalzium. Die Auflösung betrug fünf Millimeter, was rund 50 Jahren entspricht. Dabei zeigten sich unter anderem Variationen mit einer Frequenz von 3000 bis 4000 Jahren. Ähnliche zyklische Schwankungen waren auch in hochauflösenden organischen Kohlenstoffprofilen erkennbar. Was hat sie verursacht?

Mahnendes Menetekel aus der Zeit der Dinosaurier

In der jüngsten Vergangenheit entsprechen derart hochfrequente Klimavariationen den so genannten Dansgaard-Oeschger-Zyklen, die mit dem periodischen Abschmelzen von Eismassen in den hohen nördlichen Breiten erklärt werden (Spektrum der Wissenschaft 9/2001, S. 12). Während des Cenoman-Turon-Übergangs gab es nach derzeitigem Wissen jedoch nirgendwo auf der Erde großflächige Gletscher – auch an den Polen nicht. Was die beobachteten Schwankungen antrieb, ist also völlig unklar. Nur durch weitere, hochauflösende Untersuchungen an anderen Sedimentschichten aus jener Zeit kann man Aufschluss über ihre Ursache erhoffen.

Obwohl somit weiterhin viele Fragen offen sind, hat sich unser Verständnis der Klimadynamik in der Oberkreide dank der jüngsten Forschungen – insbesondere an den Schwarzschiefer-Ablagerungen im Tarfaya-Becken – doch deutlich vertieft. Wir kennen nun das Ausmaß und den zeitlichen Verlauf der Temperatur- und Umweltschwankungen sehr viel genauer und haben ein konsistentes Bild darüber gewonnen, wie die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Treibhauseffekt, meteorologischen Verhältnissen, Meeresströmungen und mariner biologischer Produktivität mehrfach in weiten Bereichen der Ozeane extrem lebensfeindliche Bedingungen schufen. Interessant ist dabei, dass der von Milankovi postulierte Einfluss der Erdbahnparameter auf das irdische Klima offenbar auch unter abweichenden plattentektonischen Konstellationen und in einer extremen Treibhauswelt wirksam war, wobei er zu drastischen Änderungen im Sedimentationsgeschehen geführt hat.

Was können wir aus den Erkenntnissen über das globale Dampfbad der Kreidezeit für die Entwicklung unseres heutigen Klimas ableiten? Unmittelbare Vergleiche und einfache Schlussfolgerungen sind zwar kaum möglich, weil sich mehrere wichtige Rahmenbedingungen wie die Konfiguration der Kontinente und das damit verbundene Muster der globalen Zirkulation im Ozean und in der Atmosphäre grundlegend geändert haben. Generell bestätigt sich aber der enorme Einfluss des Kohlendioxids und anderer Treibhausgase auf das Klima und die Umwelt. Dabei war die schwülheiße Saunawelt des Cenoman-Turon offenbar hochgradig instabil und durch rasch wechselnde, extreme Umweltzustände gekennzeichnet.

Bei weiterem Temperaturanstieg auf Grund des anthropogenen Treibhauseffekts werden voraussichtlich gleichfalls extreme Klimasituationen zunehmen – mit unterschiedlichen Auswirkungen je nach geografischer Lage. Erste Anzeichen dafür könnten das vermehrte Auftreten von schweren Stürmen und Überschwemmungen in Nordwesteuropa oder die Intensivierung des Monsunsystems mit katastrophalen Hochwassern in den Tropen sein. Wie der Blick zurück in die Kreidezeit zeigt, drohen aber noch weitaus unliebsamere Überraschungen. Auch wenn ein sauerstofffreier Ozean sicher nicht so bald zu erwarten ist, erscheint er als fernes, mahnendes Menetekel aus der Zeit der Dinosaurier.

Literaturhinweise


Klimafakten: Der Rückblick – ein Schlüssel für die Zukunft. Von U. Berner und H.-J. Streif. Schweizer­bart´sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart 2001.

Centennial Record of Cretaceous Paleoceanographic Events and Sealevel Fluctuations in the Moroccan Tarfaya-Laayoune Basin. Von W. Kuhnt et al. in: EOS Transactions, Bd. 82, Nr. 33, S. 361, 14.8.2001.

A Large and Abrupt Fall in Atmospheric CO2 Concentration during Cretaceous Times. Von M. M. M. Kuypers, R. Pancost und J. S. Sinninghe Damsté in: Nature, Bd. 399, S. 342 (1999).

Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 2003, Seite 48
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