Was die natürlichen Klimaveränderungen auslöst, versuchen Klimaforscher seit langem herauszufinden. Eine Erklärung dafür ist, dass die Erde beim Umkreisen der Sonne etwas „eiert“. Das kann man sich ähnlich vorstellen wie bei einem Kreisel, nur in viel größerem Maßstab. Sowohl die Neigung der Erdachse als auch die Umlaufbahn der Erde verschieben sich im Lauf von Jahrtausenden, und zwar in einem regelmäßigen Kreislauf. Durch dieses „Eiern“ ändern sich auch Menge und Verteilung der einstrahlenden Sonnenenergie. Über lange Zeiträume hinweg schwanken dadurch die Temperaturen und führen zu Eis- und Warmzeiten.

Auch die Verteilung der Kontinente spielt bei den Schwankungen eine Rolle. Denn ihre Lage hat sich im Lauf der Erdgeschichte ständig verschoben. Wenn große Landmassen den Nord- oder Südpol erreichten, konnten sich dort gewaltige Eismengen ansammeln. Das Eis reflektierte einen großen Teil der Sonnenstrahlen, es wurde noch kälter. Erst wenn sich der Kontinent wieder vom Pol entfernte, stiegen die Temperaturen und ein Ende der Eiszeit war in Sicht.

Die Zusammensetzung der Atmosphäre wirkt sich ebenfalls auf das Klima aus. Je größer der Anteil an Treibhausgasen, wie Kohlendioxid oder Wasserdampf, desto stärker heizt sich die Atmosphäre auf. Ihr Gasgemisch kann durch natürliche Vorgänge verändert werden, beispielsweise durch einen Vulkanausbruch. Spuckt ein Vulkan Feuer und Asche, werden dabei winzige Teilchen hoch in die Luft geschleudert, die Aerosole. Sie reflektieren die Sonnenstrahlen, bevor diese die Erdoberfläche erreichen. Die Temperatur auf der Erde sinkt – zumindest kurzfristig. So folgte dem Ausbruch des Vulkans Tambora im Jahr 1815 ein „Jahr ohne Sommer“. An der Ostküste Nordamerikas fegten damals, mitten in der wärmsten Jahreszeit, Schneestürme über das Land. Die Folge waren katastrophale Missernten.

Im Unterschied zu diesen natürlichen Klimaveränderungen im Lauf der Geschichte ist der aktuelle Klimawandel vom Menschen selbst verursacht. Dass die Durchschnittstemperatur seit gut 150 Jahren steigt, liegt vor allem daran, dass die Menschen immer mehr Kohlendioxid produzieren.

Während der Eiszeiten breiteten sich die Gletscher aus. Eismassen schliffen über den Untergrund, hobelten Täler aus und schoben Geröllmassen vor sich her. Solange es kalt war, blieben große Wassermengen im Eis gebunden, was den Meeresspiegel sinken ließ. Sobald die Temperaturen wieder stiegen, schmolz das Eis und auch der Meeresspiegel stieg wieder an. Täler und Senken füllten sich mit Wasser, wurden zu Flüssen und Seen.

Tiere und Pflanzen erschienen oder verschwanden mit den Temperaturwechseln. In einer besonders warmen Phase lebten zum Beispiel viele verschiedene Dinosaurierarten. Als es kühler wurde, starben viele von ihnen aus. Typisch für die letzte Eiszeit waren Tiere wie Mammut, Rentier oder Wisent. Mit den steigenden Temperaturen verschwanden sie von der Bildfläche oder sie zogen in kühlere Regionen. Rentiere zum Beispiel haben ihre Heimat noch heute in Nordeuropa, Sibirien und Kanada.

Für die Wissenschaftler, die die Geschichte der Erde erforschen, sind diese drastischen Veränderungen wie ein neues Kapitel in einem Buch: Sie unterteilen die Erdgeschichte in verschiedene Abschnitte, die Äonen genannt werden.

Zu Beginn, vor 4,5 Milliarden Jahren war die Erde völlig unbewohnbar. Sie entstand als eine heiße Kugel aus glühendem geschmolzenem Gestein, umgeben von heißen, ätzenden und giftigen Gasen. Das klingt wie eine Beschreibung der Hölle – und vom griechischen Wort „Hades“ für Hölle stammt auch der Name dieser Zeit: Hadaikum. Es endete vor etwa vier Milliarden Jahren mit der ersten großen Veränderung: Die Erde war so weit abgekühlt, dass die Oberfläche fest wurde – die Erde bekam eine Kruste.

Die Erde kühlte weiter ab, so dass sich auf der Kruste flüssiges Wasser sammeln konnte: Meere entstanden. Und in diesen Meeren begann vor etwa 3,8 Milliarden Jahren das Leben – zunächst aber nur in Form einfachster Bakterien. Das griechische Wort für Ursprung oder Beginn steckt im Namen dieser Zeit: Archaikum. Eine wichtige Klimaveränderung vor etwa 2,5 Milliarden Jahren markierte den Übergang zur nächsten Epoche: Die primitiven Lebewesen begannen, die Umwelt zu beeinflussen. Sie produzierten Sauerstoff, der bislang in der Atmosphäre fast gar nicht vorkam.

Die frühen einzelligen Lebensformen wurden mit der Zeit komplexer, sie bildeten Zellkerne. Später begannen einige auch, dauerhaft in Verbünden zusammenzuarbeiten – daraus wurden schließlich die ersten mehrzelligen Organismen. Allerdings hatten sie noch keine festen Schalen oder Skelette, so dass aus dieser Zeit kaum Fossilien erhalten sind. Dieser Zeit vor dem Entstehen der Fossilien verdankt diese Epoche ihren Namen: Proterozoikum.

Das Proterozoikum endete vor 550 Millionen Jahren mit einer Explosion des Lebens: Innerhalb kurzer Zeit entwickelte sich aus den primitiven Lebensformen eine enorme Artenvielfalt. Diese Arten waren viel komplexer gebaut – und einige hatten auch schon harte Schalen, die erstmals als Fossilien erhalten blieben. Daher wird für die Wissenschaftler die Geschichte des Lebens erst ab diesem Zeitpunkt so richtig sichtbar. Und nach dem griechischen Begriff für „sichtbar“ ist auch diese Epoche bennant: Phanerozoikum.

Dieses Zeitalter des Lebens dauert seit 550 Millionen Jahren bis heute an. Allerdings verlief auch die Entwicklung des Lebens nicht gleichmäßig: Nach der explosionsartigen Ausbreitung des Lebens gab es zwei verheerende Massensterben. Diese markieren weitere wichtige Einschnitte in der Erdgeschichte, so dass Wissenschaftler das Zeitalter des Lebens, das Phanerozoikum in drei Abschnitte, Ären genannt, einteilen.

Die älteste Ära des Phanerozoikum begann vor 550 Millionen Jahren mit der massenhaften Entstehung neuer Arten. Man nennt sie das Erdaltertum oder Paläozoikum. Zunächst spielte sich das Leben nur in den Ozeanen ab. Dann besiedelten die Pflanzen das Land, später zog auch die Tierwelt nach: Zuerst entwickelten sich die Amphibien, die sich bereits ein wenig an Land vortasten konnten, und schließlich auch Reptilien, die unabhängig vom Wasser wurden und das Land eroberten. Das Erdaltertum endete vor etwa 251 Millionen Jahren mit dem größten Massensterben aller Zeiten: Über 90 Prozent aller Tier- und Pflanzenarten starben aus, vor allem in den Meeren. Der Grund ist bis heute nicht endgültig geklärt. Wissenschaftler vermuten, dass eine Eiszeit schuld war, möglicherweise als Folge eines Meteoriteneinschlags.

Als sich die überlebenden Tier- und Pflanzenarten an ihre neue Umwelt gewöhnen mussten, brach das Erdmittelalter oder Mesozoikum an. Es ist vor allem das Zeitalter der Dinosaurier: Riesige Echsen entwickelten sich und beherrschten das Leben fast 200 Millionen Jahre lang. Doch auch das Erdmittelalter endete mit einem einschneidenden Ereignis: Vor etwa 65 Millionen Jahren schlug ein großer Meteorit auf der Erde ein. Dabei wurde so viel Staub und Asche in die Luft geschleudert, dass sich der Himmel verdunkelte und sich das Klima für lange Zeit veränderte. Die Dinosaurier und viele andere Arten starben aus.

Davon profitierten vor allem kleine Säugetiere, die sich am besten an den Klimawandel anpassen konnten. Sie hatten sich bereits im Erdmittelalter entwickelt, waren aber im Schatten der Dinosaurier geblieben. Nun konnten sie sich rasant ausbreiten, die unterschiedlichsten Lebensräume erobern und sich immer weiter entwickeln. Auch der Mensch stammt von dieser Gruppe ab. Dieses jüngste Zeitalter hält bis heute an und wird daher auch die Erdneuzeit oder Känozoikum genannt.

Diese grobe Einteilung der Erdgeschichte orientiert sich an sehr einschneidenden Veränderungen des Lebens: Explosionsartige Vermehrung oder Massensterben. Dazwischen gab es aber weitere Umbrüche durch verschiedene andere Einflüsse – Veränderungen der Meere und Kontinente durch die Kontinentalverschiebung, Klimawandel zwischen Eis- und Warmzeiten, Zusammensetzung der Luft und vieles mehr. Immer bevorzugten die neuen Bedingungen einzelne Arten und benachteiligten andere. So können die drei Abschnitte des Phanerozoikum (Zeitalter des Lebens) noch jeweils in mehrere Perioden unterteilt werden.

Heute wissen wir, dass es genau umgekehrt ist: Tag und Nacht erleben wir, weil sich die Erde dreht. Und die Erde steht weder still noch im Mittelpunkt, sondern sie kreist um die Sonne.

Dabei hält die Anziehungskraft der Sonne die Erde fest, wie an einer langen Leine. Genauer gesagt: einer fast 150 Millionen Kilometer langen Leine. So groß ist der Abstand, in dem die Erde um die Sonne kreist.

Die Zeit, die die Erde für eine Umkreisung braucht, nennen wir ein Jahr. In dieser Zeit legt die Erde eine Strecke von etwa 940 Millionen Kilometern zurück. Das bedeutet, sie rast mit einer Geschwindigkeit von über 100000 km/h durchs All! (Das sind fast dreißig Kilometer pro Sekunde.)

Übrigens ist die Erdumlaufbahn nicht exakt kreisrund, sondern ein ganz kleines bisschen in die Länge gezogen: Anfang Januar steht die Erde der Sonne am nächsten. Ein halbes Jahr später, Anfang Juli, ist der Abstand am größten. Die Erde ist dann ein paar Millionen Kilometer weiter von der Sonne entfernt als im Januar. Mit dem Wechsel der Jahrszeiten hat das aber nichts zu tun: Der Unterschied ist so klein, dass sich die Menge an Sonnenlicht kaum ändert. (Und außerdem ist ja, wenn die Erde im Januar näher an der Sonne steht, bei uns auf der Nordhalbkugel Winter.)

Ohne die Sonne gäbe es kein Leben auf diesem Planeten, jedenfalls nicht so wie wir es heute kennen. Die Sonne ist eine gigantische Energiequelle, die Licht und Wärme ins Weltall strahlt. Ein Teil ihrer Strahlung erreicht auch die Erde. Diese Energie erwärmt unsere Atmosphäre, den Erdboden und die Meere.

Am stärksten heizt die Sonne die Gegend um den Äquator auf, denn dort treffen ihre Strahlen senkrecht auf eine relativ kleine Fläche. Die Pole erreichen die Sonnenstrahlen dagegen in einem flacheren Winkel. Hier verteilt sich die Sonnenenergie daher auf eine größere Fläche; und in diesen Regionen bleibt es kühler. So sorgt die verschieden starke Sonneneinstrahlung für unterschiedliche Klimazonen. Auch Jahreszeiten und Wetter sind das Ergebnis von unterschiedlich starker Sonneneinstrahlung.

Würde die Erde die gesamte Sonnenenergie speichern, wäre es hier in kürzester Zeit unerträglich heiß. Das ist schon an einem heißen Sommertag zu spüren, wenn die Temperatur nach Sonnenaufgang in kürzester Zeit auf 30 Grad Celsius klettert. Damit das Klima über Jahrhunderte stabil bleiben kann, muss die Erde etwa die gleiche Menge der gelieferten Sonnenenergie auch wieder loswerden.

Das geschieht durch die Strahlung der Erde ins All. Etwa ein Drittel der Sonnenenergie wird von Atmosphäre, Landfläche, Gewässern und Eismassen sofort zurückreflektiert. Den Rest an Energie nimmt die Erde zunächst in Form von Wärme auf. Diese Wärme gibt sie dann langsam und in alle Himmelsrichtungen wieder an den Weltraum ab.

Die Erdkruste, die unseren Planeten umhüllt, ist spröde und rissig. Sie ähnelt einer zersprungenen Eierschale und setzt sich aus sieben großen und vielen kleineren Platten zusammen. Einige von ihnen bilden die Kontinente, andere den Ozeanboden. Diese Platten der Erdkruste treiben auf einem heißen, zäh fließenden Gesteinsbrei umher und werden dabei von Bewegungen im Erdinneren angetrieben, genauer gesagt: von Strömungen des Erdmantels. Fachleute sagen auch: Sie driften. All diese Vorgänge rund um die Bewegung der Erdplatten heißen Plattentektonik, die Bewegung selbst auch Plattendrift.

Dort, wo die einzelnen Platten aneinander grenzen, ist die Erde besonders aktiv. An einigen dieser Plattengrenzen dringt heißes Gestein aus dem Erdmantel nach oben und kühlt sich ab. Hier bildet sich neue Erdkruste: die beiden Platten wachsen und werden dadurch auseinandergedrückt. Dort dagegen, wo zwei Platten aufeinander prallen, wird die leichtere von ihnen – die kontinentale Kruste – zusammengeknautscht und zu Gebirgen aufgefaltet. Die schwerere der beiden – die ozeanische Kruste – verschwindet dagegen langsam in der Tiefe. Durch die Hitze im Erdinneren wird ihr Gestein wieder aufgeschmolzen. Während die Kante der Platte in der Tiefe versinkt, zieht sie den Rest der Platte hinter sich her und treibt so die Plattenbewegung zusätzlich an.

Entlang solcher Plattenränder häufen sich Vulkanausbrüche, Erdbeben, lange Gebirgsketten und tiefe Ozeangräben. Die meiste Unruhe an der Erdoberfläche bringt die größte ihrer Platten mit sich: Es ist die Pazifische Platte, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Zentimetern pro Jahr nach Nordwesten rückt. An ihren Rändern finden sich die meisten aktiven Vulkane der Erde, heftige Erdbeben erschüttern die Region. Wegen der häufigen Vulkanausbrüche und Beben heißt diese Plattengrenze auch der „Pazifische Feuerring“.

Ohne die Atmosphäre gäbe es auf diesem Planeten kein Leben, denn Pflanzen, Tiere und Menschen benötigen Luft zum Atmen. Sie schützt uns vor der Kälte und vor schädlicher Strahlung aus dem Weltall. Außerdem lässt sie Meteoriten verglühen, bevor sie auf der Erdoberfläche einschlagen können. Diese Lufthülle ist für uns lebenswichtig – aber woraus besteht sie eigentlich?

Die Atmosphäre ist ein Mix aus verschiedenen Gasen. Ein großer Teil dieses Gasgemischs ist Stickstoff: Mit 78 Prozent sind das fast vier Fünftel der gesamten Atmosphäre. Nur 21 Prozent bestehen aus Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen. Das restliche eine Prozent machen verschiedene Spurengase aus – also Gase, die nur in Spuren in der Atmosphäre vorkommen. Zu diesen Spurengasen gehören Methan, Stickoxide und vor allem Kohlendioxid, kurz CO₂ genannt. Obwohl der CO₂-Anteil recht gering ist, hat dieses Spurengas gewaltigen Einfluss auf unser Erdklima. Das zeigt sich am Treibhauseffekt, der unseren Planeten aufheizt.

Dass die Erde überhaupt eine Atmosphäre hat, liegt an der Schwerkraft. Sie hält die Gasmoleküle auf der Erde fest und verhindert, dass diese einfach ins Weltall hinaus fliegen. Tatsächlich wird die Luft mit steigender Höhe und damit abnehmender Schwerkraft immer dünner. Schon ab 2000 Metern über dem Meeresspiegel kann sich das für den Menschen unangenehm bemerkbar machen: Er leidet an der Höhenkrankheit mit Atemnot, Kopfschmerzen und Übelkeit. Extrembergsteiger, die hohe Gipfel wie die 8000er des Himalaya erklimmen wollen, nehmen daher meistens künstlichen Sauerstoff mit auf ihre Tour.

Etwas Ähnliches geschieht im großen Maßstab auf der Erde. Die Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf sind von Natur aus in der Atmosphäre enthalten. Wasserdampf gelangt durch Verdunstung in die Luft, Kohlendioxid dadurch, dass wir ausatmen. Auch Vulkanausbrüche tragen zum natürlichen Kohlendioxidgehalt der Luft bei. Beide Gase haben den gleichen Effekt wie das Glas eines Treibhauses: Sie lassen die kurzwelligen Sonnenstrahlen bis zur Erde vordringen. Gleichzeitig behindern sie, wie eine unsichtbare Schranke, die langwellige Wärmestrahlung auf ihrem Rückweg ins All. Die Wärme staut sich und die Atmosphäre heizt sich auf.

Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt wäre kaum Leben auf der Erde möglich, denn für die meisten Lebewesen wäre es viel zu kalt. Anstatt der aktuellen Durchschnittstemperatur von plus 15 Grad würden hier eisige minus 18 Grad Celsius herrschen. Die Erdoberfläche wäre tiefgefroren!

Das Problem beginnt dann, wenn wir den Anteil an Treibhausgasen in der Atmosphäre zusätzlich erhöhen. Das geschieht vor allem durch das Verbrennen von Erdöl, Erdgas und Kohle. Wohnung heizen, Auto fahren, Müll verbrennen: Bei all diesen Vorgängen wird Kohlendioxid ausgestoßen. Dieses CO₂ hat den größten Anteil am menschengemachten Treibhauseffekt. Aber auch der Anbau von Reis oder die Rinderhaltung verstärken den Effekt: In den Mägen von Wiederkäuern und in den überfluteten Böden der Reisfelder entstehen große Mengen Methan (CH₄) – ebenfalls ein Treibhausgas. Zusätzlich gehören noch Lachgas, Ozon und Fluorkohlenwasserstoff zu den Treibhausgasen. Weil durch all diese Gase die Wärmeabstrahlung der Erde gebremst wird, steigen die Temperaturen auf unserem Globus weiter an.

Auch Tsunamis können durch Vulkanausbrüche entstehen: Die Explosion der Vulkaninsel Krakatau im Jahr 1883 verursachte eine Flutwelle, die noch Tausende von Kilometern entfernte Regionen überschwemmte. Sogar Erdbeben folgen manchmal auf solch einen explosiven Vulkanausbruch. Bei diesen Beben entladen sich aufgebaute Spannungen in der Erde.

In Island löste der Ausbruch von über hundert Vulkanen in der Laki-Spalte im Jahr 1783 eine Hungersnot aus. Durch den Ausbruch gelangten giftige Gase in die Luft. Das Gift setzte sich ab und verseuchte die Schafweiden. Die Tiere starben am vergifteten Futter, geschätzte zehntausend Menschen wegen der folgenden Hungersnöte.

Den „Laki-Feuern“ auf Island folgte eine Abkühlung, die noch weit entfernt zu spüren war. Die aufsteigende Aschewolke verdunkelte den Himmel, starke Winde kamen auf und die Temperatur sank. Ganz Nordeuropa erlebte danach einen ungewöhnlich kalten Winter. Tatsächlich verändern Vulkanausbrüche das Klima. Schuld daran sind vor allem die ausgestoßenen Schwefelgase, die in der Luft feine Schwefelsäuretröpfchen bilden, die lange in der Atmosphäre schweben. Das Sonnenlicht wird von den Tröpfchen gestreut und zum Teil zurückreflektiert. Dadurch kann die Durchschnittstemperatur auf der ganzen Erde sinken.

Eine schützende Wirkung auf das Klima haben dagegen Pflanzen. Sie können Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen und bei der Fotosynthese in organische Verbindungen umwandeln. Besonders viel Kohlendioxid speichern die tropischen Wälder. Weil in den Tropen aber große Waldflächen gerodet werden, wird diese Speicherfunktion immer kleiner. Denn wo kein Baum mehr steht, wird auch kein Kohlendioxid mehr aus der Luft entnommen. Der Treibhauseffekt verstärkt sich, die Atmosphäre erwärmt sich.

Werden wir also im Winter bald im Badesee schwimmen statt Schlitten zu fahren? Schwer vorherzusagen. Um wie viel Grad Celsius die Erde sich in Zukunft aufheizt, versuchen Wissenschaftler mit Hilfe von Computermodellen zu errechnen. Laut dieser Modelle könnte bis zum Jahr 2100 die Durchschnittstemperatur auf der Erde um weitere ein bis sechs Grad steigen. Wie die Temperaturkurve tatsächlich verlaufen wird, ist vor allem davon abhängig, ob der Anteil an Kohlendioxid weiter steigt.

Schwerwiegende Folgen des Klimawandels sind schon jetzt zu erkennen: Die Eismassen schmelzen, der Meeresspiegel steigt, Unwetter und Dürren nehmen zu. Umso wichtiger ist es, den Ausstoß an Treibhausgasen zu reduzieren, vor allem den des CO₂. Denn dieses Spurengas bleibt in der Atmosphäre lange erhalten. Nur, wenn wir weniger davon in die Atmosphäre blasen, kann der menschengemachte Klimawandel zumindest verlangsamt werden.

Einige Industriestaaten haben sich darum verpflichtet, ihren Ausstoß an Treibhausgasen zu reduzieren und bestimmte CO₂-Werte nicht zu überschreiten. Doch trotz einer ganzen Reihe von Klimagipfeln ist es der Weltgemeinschaft noch nicht gelungen, den Anstieg von Kohlendioxid in der Luft zu bremsen.