Erdgeschichte: Das Ende des Lebens
Während der Einschlag eines größeren Asteroiden zu einer plötzlichen Katastrophe führt, erscheinen alle übrigen »kosmischen« Bedrohungen weit weniger gefährlich. Eine Abwehr ist hier zwar chancenlos, aber es bleibt Zeit für mehrere Millionen oder gar Milliarden Jahre. Sie sind so langsam, dass in manchen Fällen dem Leben zumindest ein Aufschub gewährt wird und die Möglichkeit der Anpassung bleibt. Im Gegensatz dazu stehen die relativ schnellen Folgen menschlichen Handelns, wie die Gefährdung der Ozonschicht oder der zunehmende Treibhauseffekt.
Die Drift der Jahreszeiten
Ein Teil der »langsamen« kosmischen Einflüsse ergibt sich aus der Bewegung der Erde um die Sonne und deren Veränderungen. Gegenwärtig umrundet unser Planet die Sonne auf einer kreisähnlichen Ellipse, wobei der Abstand zur Sonne zwischen 147,1 und 152,1 Millionen Kilometer schwankt. Die Sonneneinstrahlung im sonnenfernsten Punkt — dem Aphel, das die Erde jeweils Anfang Juli durchläuft — ist um etwa sieben Prozent geringer als im sonnennächsten Punkt, dem Perihel Anfang Januar.
Verantwortlich für den Rhythmus der Jahreszeiten ist nicht dieser wechselnde Sonnenabstand, sondern die Schiefstellung der Erdachse: Die Drehachse steht nicht senkrecht auf der Bahnebene, sondern ist um 23,5 Grad geneigt. Deshalb zeigt mal die Nordhalbkugel in Richtung Sonne, ein halbes Jahr später dagegen die Südhalbkugel. Im Sommer scheint die Sonne bei uns rund 16 Stunden, im Winter ist sie gerade einmal halb so lange über dem Horizont. Dadurch erreicht die Sonneneinstrahlung um die Wintersonnenwende nur ein Viertel des sommerlichen Wertes.
Derzeit fallen Nordwinter und Perihel der Erdbahn etwa zusammen, sodass die neigungsbedingte »Unterkühlung« der Nordhalbkugel durch die Sonnennähe teilweise aufgefangen wird; gleichzeitig erfährt die Südhalbkugel der Erde einen wärmeren Sommer. Aber weder die Ausrichtung der Erdachse ist dauerhaft konstant noch die Lage der Apsidenlinie, die Aphel und Perihel miteinander verbindet: Die Erdachse vollführt in knapp 25800 Jahren eine Kreiselbewegung, und die Apsidenlinie wandert in rund 111000 Jahren einmal die Erdbahn entlang. Für das eine, die Präzession, sorgt die Sonne, die mit ihrer Gezeitenkraft die schief stehende und aufgrund ihrer Rotation abgeplattete Erde aufrichten möchte, für das andere, die Drehung der Apsidenlinie, sind Störeinflüsse der übrigen Planeten im Sonnensystem verantwortlich.
Da die beiden Drehungen in entgegengesetzter Richtung verlaufen, entsteht aus der Überlagerung eine Periode von rund 21000 Jahren, innerhalb derer die Apsidenlinie einmal durch alle vier Jahreszeiten zieht: In etwa 4500 Jahren fällt das Perihel mit dem Frühlingsanfang zusammen, im 13. Jahrtausend schließlich mit dem Sommeranfang. Dann werden die Jahreszeiten auf der Nordhalbkugel vorübergehend um einiges extremer ausfallen als gegenwärtig.
Doch damit nicht genug, denn weder die Form der Erdbahn noch die Neigung der Erdachse bleiben konstant. So variiert die numerische Exzentrizität der Erdbahn aufgrund der Störeinflüsse der Planeten mit einer Periode von rund 93000 Jahren im Extremfall zwischen 0,06 und 0,002, was die neigungsbedingten Jahreszeiten stark überlagert: Eine numerische Exzentrizität von 0,06 bedeutet, dass die Erde im Perihel bis auf rund 140,5 Millionen Kilometer an die Sonne herankommt und sich im Aphel bis auf 159 Millionen Kilometer von ihr entfernt. Das entspricht dann einer Variation der Sonneneinstrahlung von immerhin gut 25 Prozent.
Verlaufen diese Variationen im Takt zu denen der neigungsbedingten Jahreszeiten, kann dies das Erdklima langfristig nachhaltig beeinflussen. Dies ist stets möglich, da die Neigung der Erdachse derzeit innerhalb von etwa 41000 Jahren zwischen etwa 22 Grad und gut 24 Grad pendelt und sich so über die Zeit ein äußerst komplexes Muster der Sonneneinstrahlung ergibt.
Regelmäßige Eiszeiten?
Schon 1920 äußerte der jugoslawische Astronom Milutin Milankoviç die Vermutung, dass diese quasiperiodischen Schwankungen für die Entstehung der Eiszeiten verantwortlich sein könnten. Mittlerweile hat man in Bohrkernen von ozeanischen Sedimenten Hinweise auf Temperaturänderungen gefunden, die tatsächlich das Muster der theoretisch errechneten Veränderungen von Erdbahn und Achsneigung widerspiegeln. Sie sind allerdings nicht so extrem, wie man auf den ersten Blick für einen Wechsel zwischen Eiszeiten und Warmperioden erwarten würde.
Eine besondere Wirkung zeigen dabei nicht die Extremphasen, sondern eher die scheinbar ausgeglicheneren Zeiten. Beispiel Schneefall: Verringert eine kleinere Achsneigung auf Nord- und Südhalbkugel die Unterschiede zwischen Sommer und Winter, fällt mehr Schnee. Die Ursache: Ein wärmerer Winter bedeutet, dass die wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann. Je kälter die Luft ist, desto weniger Feuchte kann sie aufnehmen, und so sind mildere Winter mit Temperaturen knapp unter null Grad wesentlich schneeträchtiger als solche mit »arktischen« Werten. Wird dieser Effekt durch kühlere Sommer ergänzt, fällt die Schneeschmelze schwächer aus, sodass die Schneedecke im Lauf der Zeit immer dicker und weiträumiger werden kann.
Die Milankoviç-Theorie allein genügt allerdings nicht, um das Auftreten kontinentaler oder gar globaler Eispanzer zu erklären: Während die himmelsmechanisch bedingten Variationen der Erdbahn nämlich dauerhaft wirken, traten Eiszeiten keineswegs mit gleicher Regelmäßigkeit auf, im Gegenteil. Eiszeiten lassen sich nur während der letzten Million Jahre nachweisen — davor gab es eine Periode von rund 250 Millionen Jahren ohne Vereisung.
Nie wieder Eiszeiten?
Bei der Suche nach weiteren möglichen Einflussgrößen stießen die Forscher auf Meeresströmungen einerseits und die globale Verteilung der Landmassen andererseits. Solange eine Polregion zum Beispiel von einem Ozean bedeckt ist, der bis in mittlere Breiten hinunterreicht, haben Eiszeiten offenbar keine Chance. Dann nämlich würden warme Meeresströmungen aus den äquatornahen Gebieten eine Ausbreitung der Poleiskappe verhindern helfen. Reichen die Festlandgebiete dagegen — wie derzeit auf der Nordhalbkugel der Erde — fast überall bis an den Polarkreis heran oder sogar darüber hinaus, dann dehnt sich bei den entsprechenden astronomischen Bedingungen die Poleiskappe auf das Festland aus, wo sich Schnee und Eis länger halten können.
Da sich die Anordnung der Kontinente nur langsam verändert, scheinen weitere Eiszeiten vorprogrammiert, sofern die durch menschliche Einflüsse ausgelöste Erwärmung das globale Klimasystem nicht grundlegend verändern und — wie Modelle am Hamburger Max-Planck-Institut für Meteorologie zeigen — nicht nur zur Erwärmung, sondern paradoxerweise auch zur regionalen Abkühlung führen kann.
Was wäre im Falle einer Eiszeit zu befürchten? Zum einen würden bis zu einem Viertel der verfügbaren Landfläche dauerhaft eisbedeckt sein. Da aber eine stärkere Vereisung ein Sinken des Meeresspiegels bedeutet, werden küstennahe Flachwassergebiete freigelegt, sodass der Lebensraum nicht unbedingt kleiner wird. Allerdings würde eine Ausdehnung der Polarregion eine Verlagerung der Vegetationszonen nach sich ziehen — und damit großräumige Völkerwanderungen erzwingen.
Vielleicht kommt vor der nächsten Eiszeit aber erst noch eine ausgeprägte Warmzeit, in der die Gletscher sich noch weiter zurückziehen. Dann würde der Meeresspiegel um maximal 55 Meter anstei- gen — falls auch die gesamte Antarktis eisfrei würde —, und die Norddeutsche Tiefebene einschließlich der Kölner Bucht wäre wieder ein Teil der Nordsee — mit Koblenz als Meereshafen. Da auch ein solcher Anstieg des Meeresspiegels kaum »über Nacht« erfolgen würde, müsste selbst das vollständige Abschmelzen des Antarktiseises keine wirkliche Katastrophe bedeuten, zumal es dann keine unbewohnbaren Polarregionen mehr gäbe und vermutlich auch keine Wüsten.
Vielleicht lassen sich solche Entwicklungen in nicht allzu ferner Zukunft aber auch verhindern — mit riesigen Spiegelflächen, die im Weltraum installiert werden. Zwar sind erste russische Versuche mehrfach kläglich gescheitert, doch muss das ja nicht so bleiben. Aus genügend vielen, großen Spiegeln ließe sich ein System »globaler Sonnenrollos« installieren, mit dem die Sonneneinstrahlung gesteuert werden könnte: Droht eine Auskühlung, müssten die Spiegel Sonnenlicht auf die Nachtseite der Erde lenken, droht eine Aufheizung, könnten sie einen Teil des Lichtes in den Weltraum zurückwerfen.
Das Ende von Erde und Sonne
Noch langsamer, dafür aber auch unaufhaltsamer, beeinflusst die Entwicklung der Sonne die Zukunft unserer Erde. Das gilt nicht nur für die Bereitstellung von Licht und »Fern«wärme, sondern auch ganz direkt: Wenn sich die Sonne gegen Ende ihres langen Lebens langsam aufbläht, rückt ihre Oberfläche bedrohlich nahe an die Erde heran.
Auch die Natur neigt dazu, das nukleare Entsorgungsproblem zu verdrängen und auf den »Sankt Nimmerleinstag« zu verschieben. So sammelt die Sonne das Helium, die »Asche« des natürlichen Fusionsreaktors, zunächst im eigenen, zentralen Zwischenlager. Derzeit reicht der Wasserstoffvorrat in der Kernregion der Sonne noch aus, um die Fusion von Wasserstoff zu Helium zu ermöglichen. Weil aber das neu gebildete Helium langsam immer mehr Raum im Kern einnimmt, drängt es die Wasserstoffbrennzone allmählich nach außen, näher an die Oberfläche. Gleichzeitig steigt im Zentrum der Sonne die Dichte und damit die Temperatur, was zu einer Steigerung der Fusionsrate führt.
Alle Faktoren zusammen genommen verändern das labile Gleichgewicht innerhalb des 1,4 Millionen Kilometer großen Gasballs. Und irgendwann genügt die Last der verbleibenden Außenhülle nicht mehr, um dem wachsenden Strahlungsdruck von innen Paroli zu bieten: Die Sonne wird heller und bläht sich ganz langsam auf. So hat sich die Dichte im Kern der Sonne in den rund 4,5 Milliarden Jahren seit ihrer Entstehung bereits um 70 Prozent vergrößert, die Temperatur um 15 Prozent und die Leuchtkraft — als Maß für die Energieproduktion — um 40 Prozent, während ihr Durchmesser in der gleichen Zeit um 5 Prozent zunahm.
In den nächsten 5 Milliarden Jahren wird die Entwicklung allerdings zunehmend rascher ablaufen. Bis dahin steigert sich die Leuchtkraft der Sonne auf das Doppelte des heutigen Wertes, doch schon lange zuvor wird es auf der Erde unangenehm warm. Vermutlich schon nach nur einer Milliarde Jahren wird eine zunehmende Verdunstung der Ozeane einsetzen, und spätestens dann wird die Erde von einer Klimakatastrophe erfasst. Der entstehende Wasserdampf wirkt — ähnlich wie Kohlendioxid — als Treibhausgas, das einen zusätzlichen Wärmestau hervorruft. Wenn aber die Ozeane verdampfen, kann auch das Kohlendioxid nicht mehr im Meerwasser gelöst und als Kalkgestein »aus dem Verkehr« gezogen werden, sodass die natürliche Klimaanlage der Erde zusammenbricht. Irgendwann nach 500 Millionen bis 1,5 Milliarden Jahren werden Seen, Flüsse und Meere vollständig ausgetrocknet sein — die Erde wird dann zu einer zweiten Venus.
Am Ende öde Dunkelheit
Wächst die Sonne etwa in fünf Milliarden Jahren zu einem roten Riesenstern heran und steigert ihre Energieproduktion allmählich um das Tausendfache, wird die Erde wie eine Bleifigur über der Kerzenflamme eingeschmolzen: Die Gesteinskruste wird plastisch, und die alten Kontinente, die ohnehin nur noch aus der öden Staubwüste ehemaliger Meeresböden aufragen, werden langsam diese Meeresbecken auffüllen, bis der einstmals blühende Planet von einem Ozean aus geschmolzenem Gestein umgeben ist. Später, wenn die Sonne zu einem Weißen Zwerg schrumpft und nur noch langsam auskühlt, sinkt die Temperatur an der Erdoberfläche auf unter —200 Grad Celsius, und dieser »Ozean« erstarrt schließlich zu einer glasähnlichen Substanz.
Dipl.-Phys. Hermann-Michael Hahn
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
Meteoriten und Meteore: Kosmische Katastrophen
Erdgeschichte aus Sicht der Geologie und Planetenkunde
Literatur:
Lang, Kenneth R.: Die Sonne, Stern unserer Erde. Aus dem Amerikanischen. Berlin u. a. 1996.