Wie entsteht eine Eiszeit?
Ich unterscheide im Folgenden zwischen Eiszeitalter und Eiszeit.
Das Eiszeitalter begann auf der Nordhalbkugel vor ca. 2,7 Millionen Jahren (Ma), auf der Südhalbkugel jedoch bereits vor ca. 35 Ma. Als Ursachen nimmt man eine Kombination mehrerer Faktoren an.
Der insgesamt wahrscheinlich wichtigste ist (1) in der schon viele Ma länger ablaufenden Gebirgsbildung zu sehen, da hierbei große Mengen Magnesium- und Kalzium-haltiger Silikatgesteine an die Oberfläche gebracht wurden und der Verwitterung ausgesetzt waren. Eine weitere Rolle spielten die weitflächigen vulkanischen Gesteine, die insbesondere in den frühen Phasen der Gebirgsbildung entstanden sind und anfangs mit ihrem CO₂-Ausstoß für ein sehr warmes Klima gesorgt hatten. Bei der Verwitterung dieser Gesteine wurde CO₂ gebunden und damit der Atmosphäre entzogen, was zu einer langsamen globalen Abkühlung führte. Interessanterweise treten die Eiszeitalter seit einer Milliarde Jahre immer in einem zeitlichen Kontext mit verstärkten Gebirgsbildungphasen auf.
Ferner befand sich (2) aufgrund plattentektonischer Bewegungen ein isolierter Kontinent, Antarctica, an einem Pol. Dort konnte sich deshalb Schnee ansammeln, der im Laufe eines Jahres aufgrund der geringen Einstrahlung nicht mehr komplett abschmolz, was dann im Laufe der Jahrhunderte zur Bildung von Gletschern führte. Sobald diese die Ozeane erreichten verstärkte sich die Abkühlung durch die Abkühlung der Meeresströmung, die die Antarktis umkreist.
Die sehr viel später einsetzende Vergletscherung der Nordhalbkugel war (3) vermutlich einem weiteren plattentektonischen Ereignis zu verdanken, der Schließung einer Meeresverbindung zwischen Pazifik und Atlantik im Bereich des heutigen Panamas. Dadurch konnte der Salzgehalt im Nordatlantik ansteigen und es entstand die thermohaline Zirkulation, in deren Rahmen der Golf-/Nordatlantikstrom warmes Wasser in hohe nördliche Breiten brachte. Durch diese Erwärmung erhöhte sich die Verdunstung und der Schneefall auf den nördlichen Kontinenten erhöhte sich drastisch. Dass es vorher dort keine bedeutenden Gletscher gab, lag nämlich nicht an zu hohen Temperaturen, sondern an Schneemangel. Als die Zungen dieser Gletscher dann das Meer erreichten, kippte das Ablagerungs- und das Ökosystem dort und ab diesem Zeitpunkt sprechen wir vom aktuellen Eiszeitalter.
Die einzelnen Eiszeiten wurden durch Schwankungen der Verteilung der Einstrahlung aufgrund von zyklischen Schwankungen in der Erdumlaufbahn ausgelöst (Kommentar in: Ist der Klimawandel menschengemacht?). Eine (1) Abnahme des Strahlungsanteils in den hohen Breiten der Nordhalbkugel führt zu einer ersten Abkühlung. Darauf reagieren (2) die Ozeane mit einer Abkühlung, wodurch ihre Aufnahmefähigkeit für CO₂ aus der Atmosphäre steigt weshalb die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre sinkt - es wird kälter (Gerade eben veröffentlicht (Beitrag in Klimawandel und -diskussion). Zugleich vergrößert sich (3) das Areal des dauerhaft gefrorenen Bodens (Permaforst), so dass weniger Methan in die Atmosphäre gelangt (Zech 2012 - Permafrost carbon might help explaining the Pleistocene ice ages
). Beides verstärkt die Abkühlung (was wiederum weitere Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernt usw., bis sich (4) irgendwann genügend große Gletscher bilden, welche durch ihre Reflektion die Einstrahlung, die ansonsten zur Erwärmung der Erdoberfläche beitragen würde, auch im Sommer weiter reduzieren. Das Klima "schaukelt" sich also sozusagen mittels einer Kette von Rückkopplungsprozessen in die Eiszeit.
Die folgende Abbildung zeigt den Umkipppunkt der nördlichen Hemisphäre sowie die einzelnen Kaltzeitzyklen: