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Warmes Klima und eine hohe
Kohlendioxid-Konzentration in der Luft gibt es immer wieder in der
Erdgeschichte, nämlich immer zwischen zwei Eiszeiten, und zwar etwa
alle 100.000 Jahre. Einen für diese Zyklen untypischen Anstieg der
Kohlendioxidkonzentration vor der Industrialisierung erklären jetzt
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Meteorologie. Sie haben
die Effekte von Korallenriffen, die während einer Warmzeit wachsen,
und von Mooren, die sich gleichzeitig ausbreiten, in ein Modell des
Kohlenstoff-Kreislaufs integriert. Beide Prozesse wirken gegenläufig.
Unterm Strich wird dabei aber Kohlendioxid frei. Bislang betrachteten
manche den Kohlendioxid-Anstieg, den Eisbohrkerne von den Polkappen
dokumentieren, als Folge menschlichen Handelns. Gegen diese These
liefern die Max-Planck-Forscher nun einen weiteren Beleg. (Geophysical
Research Letters, 21. Januar 2010)
Eigentlich wird es auf der Erde
immer kühler - auf die ganz, ganz lange Sicht. In den letzten 65
Millionen Jahren sank die mittlere Temperatur um fünf bis zehn Grad
Celsius. Seit etwa einer Million Jahren nimmt sie im Schnitt zwar
nicht mehr weiter ab, dafür aber breiteten sich seither regelmäßig
Gletscher über die Erde aus. Nur etwa alle 100.000 Jahre werden die
Gletscher so groß, dass sie instabil werden, und sich weit zu den
Polen und in die höchsten Berge zurückziehen. Dann sorgt eine
Warmzeit für wohligere Temperaturen - die dadurch ausgelösten
geologischen Prozesse setzen gleichzeitig Kohlendioxid frei.
Genau in einer solchen Warmzeit
befinden wir uns derzeit. Wegen des vom Menschen ausgelösten
Klimawandels könnte diese Warmzeit sogar noch katastrophale Ausmaße
annehmen. Denn während der hohe Kohlendioxidgehalt der Luft bislang
immer in Folge einer Erderwärmung anstieg, ist das beim derzeitigen
Klimawandel umgekehrt. Die Kohlendioxid-Emissionen des Menschen haben
die Konzentration in den vergangenen 200 Jahren viel stärker hoch
getrieben als natürliche Prozesse das könnten.
Korallenriffe und Moore als Klimafaktoren
Warum die Warmzeiten so
regelmäßig auftreten und wieder enden, ist bislang nicht vollständig
geklärt. Dass die nächste Eiszeit die Erde noch nicht wieder
einfriert, ist aber offenbar nicht die Schuld des Menschen -
zumindest, was die Zeit vor der Industrialisierung betrifft. Darauf
lassen wenigstens die Ergebnisse von Simulationen schließen, die Klimaforscher
des Max-Planck-Instituts für Meteorologie in Hamburg vorgenommen
haben. Sie haben erstmals berechnet, wie sich Korallenriffe und Moore
vor der Industrialisierung auf den Kohlendioxid-Haushalt der Erde
auswirken. Beide wachsen während einer Warmzeit. Die Korallenriffe
binden dabei große Mengen Kalzium aus dem Meer, wodurch sich die
Aufnahme-Kapazität der Ozeane für Kohlendioxid verringert. Moore
dagegen binden Kohlendioxid, wenn sie sich ausbreiten.
Nach den Berechnungen der
Max-Planck-Forscher überwiegt der Effekt der Korallenriffe. "In
der Summe ergibt unser Modell, dass der Kohlendioxid-Gehalt der
Atmosphäre in den letzten knapp 8.000 Jahren vor der
Industrialisierung um 20 ppm, also um sieben Prozent, anstieg",
sagt Victor Brovkin, der am Max-Planck-Institut für Meteorologie
forscht und die aktuelle Untersuchung leitete. Eine Zunahme um 20 ppm
in den knapp 8.000 Jahren vor der Industrialisierung entspricht genau
der Menge, die in Eisbohrkernen aus der Antarktis gemessen wurde.
Bislang hat der Mensch die nächste Eiszeit noch nicht
verhindert
"Nach Meinung mancher
Klimaforscher soll dafür auch der Mensch verantwortlich sein",
sagt Victor Brovkin: "Es wird sogar diskutiert, ob diese Zunahme
bereits verhindert hat, dass die nächste Eiszeit einsetzt." Er
und seine Kollegen liefern nun einen Beleg gegen die These, der
Mensch bringe den Kohlendioxid-Haushalt der Atmosphäre bereits seit
8.000 Jahren durcheinander. Damit wird es auch unwahrscheinlich, dass
der Mensch die nächste Eiszeit bereits verhindert hat. Nicht
ausschließen lässt sich allerdings, dass der Kohlendioxid-Ausstoß
seit Beginn der Industrialisierung genau diese Wirkung zeigt.
Denn trotz ihrer Erkenntnis
zweifeln die Hamburger Paläoklimatologen keinen Deut daran, dass die
Treibhausgase, die der Mensch seit Beginn der Industrialisierung vor
rund 200 Jahren freisetzt, den derzeit beobachteten Klimawandel
auslösten und fördern. Menschliche Emissionen ließen die
Kohlendioxid-Konzentration nämlich um mehr als 100 ppm, also um etwa
40 Prozent steigen.
Derzeit arbeiten die Forscher
noch an einem Schwachpunkt ihres Modells. Sie haben auch simuliert,
wie sich der Anteil des schweren Kohlenstoff-Isotops 13C an der
gesamten Kohlenstoffmenge entwickelt. Dieser verändert sich durch
biologische Aktivität, da Lebewesen den leichteren Kohlenstoff besser
verarbeiten können. In den Simulationen der Hamburger
Paläoklimatologen nahm das schwere Kohlenstoff-Isotop zu - so als
würden Pflanzen mehr Kohlenstoff, und dabei vor allem das leichte
Isotop binden. Tatsächlich verringerte sich der Anteil des schweren
Kohlenstoffs jedoch. "Das liegt wahrscheinlich daran, dass der
Mensch in den vergangenen Jahrtausenden große Flächen Wald gerodet
hat", so Brovkin: "Das haben wir in unserem Modell noch nicht
berücksichtigt, weil die Menge des dadurch freigesetzten
Kohlendioxids vor der Industrialisierung eher gering ist." Um
die Anteile von leichtem und schwerem Kohlendioxid in der Atmosphäre
zu beeinflussen reicht es aber offenbar.
Hintergrund - Die Vergangenheit von Klima und
Kohlendioxid-Haushalt
Victor Brovkin studiert den
Kohlendioxidhaushalt der Atmosphäre, in dem es immer wieder große
Schwankungen gab. So stieg der Kohlendioxidgehalt zu Beginn jeder
Warmzeit dramatisch an. Die Klimaforscher um Victor Brovkin möchten
verstehen, wie das Klima auf veränderte Kohlendioxidwerte in der Luft
reagiert. Der Blick auf die starken Schwankungen in der Vergangenheit
hilft ihnen dabei. "Das Wechselspiel zwischen Klima und
Kohlendioxid in der Vergangenheit lässt sich mit der heutigen
Entwicklung zwar nur bedingt vergleichen", sagt Brovkin,
"aber wir gewinnen daraus generelle Erkenntnisse über
Klimaprozesse und Rückkopplungsmechanismen, die auch im gegenwärtigen
Klimawandel eine Rolle spielen könnten."
Ein Grund, warum Klimaänderungen
früher anders abliefen als heute, liegt darin, dass sich Ursache und
Wirkung verdreht haben: In der Vergangenheit schmolzen erst die
Gletscher, die große Flächen der Erde einpackten, und als eine Folge
davon stieg das Kohlendioxid in der Atmosphäre schnell und stark an.
Kosmische Klimafaktoren
Warum die Gletscher regelmäßig
im Abstand von rund 100.000 Jahren abtauen, ist eine der Fragen, die
Paläoklimatologen beschäftigt. Allerdings überrascht sie nicht die
Regelmäßigkeit sondern die lange Zeit, in der Eis Besitz von der Erde
ergreift. Um das zu verstehen, ist ein Exkurs zu den Prozessen nötig,
die im Klima das ganz große Rad drehen - Prozesse von buchstäblich
kosmischen Dimensionen, deren jeweilige Bedeutung die Klimaforscher
aber auch noch nicht gänzlich einschätzen können: Besonders wichtig
scheint zu sein, wie stark sich die Achse, um die sich die Erde
dreht, zu ihrer Bahn um die Sonne neigt. Steht sie mehr oder weniger
senkrecht verwischt der Unterschied zwischen den Jahreszeiten.
"Dann sind die Sommer in hohen nördlichen Breiten manchmal zu
kalt, als dass sie den Schnee des Winters abtauen könnten",
erklärt Victor Brovkin.
Einen wichtigen Einfluss übt
möglicherweise auch die Präzession aus. Darunter verstehen
Astronomen, dass die Erde auf ihrer Umlaufbahn trudelt, weil ihre
Achse die Oberfläche eines Kegels abfährt, und zwar etwa alle 21.000
Jahre. Die Klimaschaukel wird zudem von der Exzentrizität der
Umlaufbahn angetrieben, der die Erde um die Sonne folgt. Das
Zusammenspiel der Planten bewirkt nämlich, dass die Bahn mal eher
einem Kreis mit der Sonne in der Mitte ähnelt und mal einer Ellipse,
in der die Sonne an der Position einer Halbachse sitzt.
Insgesamt führen die
astronomischen Verhältnisse dazu, dass die Temperatur in
verschiedenen Regionen der Erde regelmäßig schwankt. Dabei steigt sie
allerdings häufiger als nur alle 100 000 Jahre so stark an wie zu
Beginn einer Warmzeit. Die astronomischen Bedingungen können also
nicht alleine ausschlaggebend sein, dass sich die Gletscher zurückziehen.
"Eine wichtige Rolle spielt dabei offensichtlich die Dynamik des
Eises", sagt Brovkin: Alle 100.000 Jahre sind die nördlichen
Eismassen so stark angeschwollen, dass sie instabil werden, wenn sie
im Sommer durch mehr Sonnenlicht aufgeheizt werden. In der Folge
lösen sie sich an den Rändern auf und tauen schneller ab.
Erwärmung verstärkt sich von selbst
Wenn es erst einmal so weit
gekommen ist, verstärkt sich die Erwärmung von selbst - eine Warmzeit
bricht an. Dabei spielt der dramatische Anstieg der Kohlendioxidkonzentration
in der Luft eine entscheidende Rolle. "Auch für die Zunahme des
Kohlendioxids sind die Gründe noch nicht endgültig geklärt",
sagt Victor Brovkin: "Wir vermuten, dass es dafür verschiedene
Ursachen gibt." Generell entweicht Kohlendioxid aus Vulkanen auf
den Kontinenten und am Meeresboden. Während einer Eiszeit sind auch
die Ozeane kalt und speichern eine große Menge des Treibhausgases -
unter anderem weil sich das Wasser langsamer bewegt und daher der
Austausch mit der Luft gehemmt ist. Außerdem wird das Meer in
Eiszeiten alkalischer, und kann daher ebenfalls mehr Kohlendioxid
aufnehmen. Schließlich binden Meeresalgen während der Eiszeiten mehr
Kohlendioxid. Denn Eiszeiten sind sehr trocken, so dass größere
Mengen eisenhaltigen Staubes vom Land auf die Ozeane getrieben
werden. Dort wirkt das Eisen als Dünger für das Algenwachstum -
allerdings in viel zu geringem Maß, als dass Eisendünger für die
Meere als Handhabe gegen den momentanen Klimawandel taugen könnte.
Mit einer beginnenden Warmzeit sinkt die Aufnahmekapazität der Ozeane
für Kohlendioxid folglich, und sie setzen das Gas frei, das die
Erwärmung verstärkt.
Diese positive Rückkopplung
zwischen Erwärmung und Kohlendioxidgehalt der Luft spielt sich in
sehr kurzen Zeiträumen ab - ein Umstand, der auch den gegenwärtigen
Klimawandel so gefährlich macht. Auf längere Sicht greifen dann aber
geologische Mechanismen, die Kohlendioxid aus der Luft entfernen und
die Erdatmosphäre kühlen. Auf einer wärmeren Erde verwittert nämlich
das Gestein an ihrer Oberfläche schneller. Gestein besteht
hauptsächlich aus Silikaten und enthält auch große Mengen Kalzium.
Wenn es zerfällt, bilden sich Silizium- und Kalziumkarbonat - dabei
entzieht es der Luft Kohlendioxid.
Genauere Messungen für ein besseres Verständnis
Die verschiedenen Prozesse und
die Rückkopplungen zwischen ihnen fassen die Forscher des
Max-Planck-Institutes für Meteorologie in Modelle, die ihnen helfen
das Zusammenspiel von Klima und Kohlendioxid besser zu verstehen.
Denn viele Fragen bleiben offen, nicht nur im Zusammenspiel zwischen
Kohlendioxid-Haushalt und Klima. Die Klimaforscher können etwa noch
nicht genau erklären, warum die Warmzeiten alle 100.000 Jahre
auftreten, welche Rolle die astronomischen Verhältnisse dabei
spielen, und warum die Perioden zwischen den Eiszeiten
unterschiedlich verlaufen. "Um mehr über diese Phänomene zu
lernen, brauchen wir genauere Daten aus Bohrungen in Meeressedimenten
und bessere Modelle", sagt Brovkin. Gemeinsam mit Kollegen
seiner Disziplin plädierte er daher kürzlich in einem Fachartikel
Nature Geoscience dafür, die Forschung auf diesem Gebiet zu
verstärken.
Gerade an die Proben vom
Meeresboden zu kommen, ist jedoch nicht einfach. Die Forscher müssen
dafür Stellen ausfindig machen, an denen sich viel Material
abgelagert hat - denn je mehr Material eine Probe enthält, desto
detaillierter die Informationen über das Klima der Vergangenheit.
Doch die Suche lohnt sich, bringen Erkenntnisse zu vergangenen
Klimaumschwüngen doch das Verständnis von Klimaprozessen generell
voran. Das würde auch helfen, den menschengemachten Klimawandel
besser einzuschätzen und sinnvolle Maßnahmen dagegen zu ergreifen.
(mpg) Quellenangabe: Proplanta
® | 31.01.2010
Originalveröffentlichung:
Thomas Kleinen, Victor Brovkin, Werner von Bloh, David Archer,
und Guy Munhoven: Holocene carbon cycle dynamics. - Geophysical
Research Letters, 21. Januar 2010; doi: 10.1029/2009GL041391
Polychronis Tzedakis, Dominique Raynaud, Jerry McManus, Andre
Berger, Victor Brovkin, Thorsten Kiefer: Interglacial Diversity. -
Nature Geoscience, 18. Oktober 2009; doi:
10.1038/NGEO660
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im Steigerwald
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