Kreidezeit Eis im Supertreibhaus der Dinos

Es war die große Zeit der Dinosaurier - und es war heiß: In der Kreidezeit war die Erde ein Treibhaus, die Meeresspiegel sanken um bis zu 40 Meter. Wissenschaftler glauben nun zu wissen, was mit den gewaltigen Wassermengen passierte. Sie gefroren mitten in der Hitze zu Eis.

Damals gehörte die Erde ihnen - den Dinosauriern. Auch in den Ozeanen tummelten sie sich. Sowohl an Land als auch zu Wasser war es in der Kreidezeit so warm, dass sich sogar der alligatorähnliche Champosaurus am Rand der heutigen Arktis wohl fühlte. In den tropischen Ozeanen der Kreidezeit herrschten Durchschnittstemperaturen von bis zu 35 Grad Celsius - im manchen Bereichen sind das bis zu neun Grad mehr als heutzutage. "Die Kreidezeit war einer der wärmsten Abschnitte der Erdgeschichte", sagt André Bornemann, Geologe an der Universität Leipzig, im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE.

Diese Phase der Erdgeschichte begann vor 135 Millionen Jahren und endete vor 65 Millionen. Bisher glaubten Wissenschaftler, dass der Planet damals nahezu eisfrei gewesen sein muss - doch diese These wackelt nun.

Mit Peter Hofmann von der Universität Köln und einem internationalen Wissenschaftlerteam hat Bornemann eine paradox erscheinende Theorie aufgestellt: Ausgerechnet in der heißesten Phase der Kreidezeit, im sogenannten Turon, dem "Supertreibhaus" (93,5 bis vor 89,3 Millionen Jahre vor unserer Zeit), sollen riesige Mengen an Eis entstanden sein. Und das auch noch in einem relativ kurzen Zeitraum von nur 200.000 Jahren. Ihre Forschungsergebnisse haben sie im Fachmagazin "Science" veröffentlicht.

Wie kommen sie darauf? Eines ist sicher: In dieser Zeit verschwanden riesige Mengen Wasser aus den Ozeanen. Aus anderen geologischen Studien weiß man, dass in weniger als einer Million Jahren der Meeresspiegel in verschiedenen Regionen der Erde - Russland, Nordamerika und Nordeuropa - um bis zu 40 Meter abfiel. "Das ist zu schnell, um es mit Plattentektonik zu erklären", sagt Peter Hofmann. Bornemann und Hofmann glauben: Das Wasser gefror zu Eis. Der wahrscheinlichste Ort ihrer Meinung nach: die Antarktis.

Um ihre Theorie zu untermauern, haben sie die Überreste von zwei verschiedenen Kleinstlebewesen untersucht, die in Ozeansedimenten aus der Turon-Phase enthalten waren. Die Sedimente stammten aus Bohrungen im Atlantik, in Äquatorgegend nahe des südamerikanischen Surinam.

In den Sedimenten eingekapselt sind zwei wichtige biologische Zeitzeugen aus der Kreidezeit. Bornemann untersuchte in den Sedimenten die Kalkschalen von Foraminiferen, einzelligen Kleinstlebewesen, die - damals wie heute - kunstvolle Häuschen aus Kalk bauen.

Aus ihrer chemischen Zusammensetzung konnten die Wissenschaftler wertvolle Informationen über die Ozeane der Kreidezeit gewinnen. Von den anderen einzelligen Zeitzeugen - den Archaeen - sind die Überreste ihrer Zellmembranen erhalten geblieben. Deren chemische Zusammensetzung untersuchte Hofmann. Aus den Foraminiferen-Kalkschalen sowie den Archaeen-Membranen können die Wissenschaftler unter anderem Rückschlüsse ziehen auf die Temperatur und den Salzgehalt des tropischen Ozeans, in dem sie einst lebten.

Die Kleinstlebewesen verrieten, wie die Ozeane aussahen

Im Kalk der Foraminiferen-Schalen enthalten ist Sauerstoff aus dem Meer. Er tritt in verschiedenen Isotopen auf. Isotope eines chemischen Elements unterscheiden sich nur in der Anzahl ihrer Neutronen im Atomkern. In der Natur kommt Sauerstoff fast ausschließlich in Form des Isotops Sauerstoff-16 vor - so auch im Ozeanwasser der Kreidezeit. Ein Bruchteil des natürlichen Sauerstoffs aber ist Sauerstoff-18, der etwas schwerer ist. Wird dem Ozean Süßwasser entzogen, zum Beispiel durch die Bildung von Eis, dann geht zuerst der leichtere Sauerstoff-16 aus dem Meerwasser.

Die Folge: Der Anteil von Sauerstoff-18 steigt. Und dieses Isotop bauen dann auch die Foraminiferen vermehrt in ihre Kalkschalen ein.

Plözlicher Anstieg des Sauerstoff-Isotops

Die Zusammensetzung der Archaeen-Membranen hingegen ist ein Indikator nur für die Wassertemperatur: Bei Kälte werden die Membranen starrer, die Fettzusammensetzung ändert sich. "Diese neue Methode wird auch heute zur Temperaturmessung des Wassers benutzt und ist recht zuverlässig", sagt Hofmann. Und so konnten die Wissenschaftler auch noch nach 90 Millionen Jahren anhand der Fettgehalte der Archaeen-Membranreste auf die Wassertemperatur der Kreidezeit rückschließen. Sie errechneten Durchschnittswerte von 35 Grad Celsius.

Nun fand Bornemann bei den Isotopen-Untersuchungen der Foraminiferen-Kalkschalen einen plötzlichen Anstieg des Sauerstoff-18-Isotops, der für 200.000 Jahre anhielt. Die Archaeen-Membranen zeigten für diese 200.000 Jahre aber nur minimale Veränderungen - die Temperatur des Wassers hatte sich also kaum verändert in dieser Zeit.

Was aber hat dann die Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung der Foraminiferenschalen beeinflusst? Bleiben noch die Faktoren Salzgehalt und die Bildung von Eismassen. Bornemann war sich sicher: Der Salzgehalt des Wassers konnte nicht der Grund gewesen sein. Denn "auch die Foraminiferen-Schalen des Tiefenwassers zeigten die Isotopenänderung", sagt er. Hätte sich der Salzgehalt geändert, dann hätte das vor allem das Oberflächenwasser beeinflusst. Die Foraminiferen-Kalkschalen dort hätten sich dann von den anderen unterschieden.

Supertreibhaus-Klima der Kreidezeit noch unverstanden

Somit blieb nur noch die Möglichkeit, dass dem Ozean Süßwasser entzogen wurde. Zwar beeinflusst auch das den Salzgehalt des Ozeans, aber im globalen Maßstab so minimal, dass es kaum ins Gewicht fällt, sagt Bornemann.

Er und Hofmann glauben deshalb: Die riesigen Wassermengen, die verschwanden und den Meeresspiegel um bis zu 40 Meter abfallen ließen, wurden zu Eis.

Das machte die Sache aber noch rätselhafter. Eis im Wasser? Bei Durchschnittstemperaturen von 35 Grad in den Tropen?

Keine Chance, meint Hofmann. "Auch in den arktischen Regionen war es zu warm für Seeeis."

Und auf dem Land? Hofmann: "Die heutigen Hochgebirge wie die Anden, der Himalaya oder die Alpen gab es in der Kreidezeit noch nicht."

Als wahrscheinlichsten Ort für die Eisbildung sehen die Forscher daher die Antarktis. Hofmann: "Zu der Zeit war die Antarktis schon am Pol lokalisiert, in einem der kühlsten Gebiete der Erde." Beide Forscher aber geben zu, dass das nur eine Vermutung ist - es gebe keine verlässlichen Schätzungen für die antarktischen Temperaturen dieser Vereisungsperiode in der Kreidezeit.

Bornemann hat errechnet, dass für das Verschwinden solcher Wassermassen damals Eis in einer Fläche entstanden sein müsste, die etwa 60 Prozent des heutigen Antarktis-Eisschildes umfasste. Noch erstaunlicher ist, dass das alles in einem relativ kurzen Zeitraum passiert sein muss, innerhalb von nur etwa 200.000 Jahren - und ausgerechnet in der heißesten Phase der Kreidezeit.

So rätselhaft all diese Ergebnisse sind - eines haben sie nach Ansicht Hofmanns gezeigt: "Im Supertreibhaus der Kreidezeit gab es kein einheitliches Klimageschehen. Klimaänderungen passierten auf geologischen Zeitskalen schnell. Und es waren Prozesse am Werk, die wir erst langsam zu verstehen beginnen."