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Aus der Wissenschaft

3 Millionen Jahre Klimageschichte: Computersimulationen verdeutlichen die Besonderheit des gegenwärtigen Klimas

Panorama eines Gletschers mit hellblauem Gletschersee

Erstmals gelang es einem Team von Wissenschaftlern um Matteo Willeit vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, eine umfassende Computersimulation des Klimas für den Zeitraum der letzten 3 Millionen Jahre durchzuführen. Die Ergebnisse der Simulation stimmen gut mit Erkenntnissen über die Entwicklung des Klimas der Erdgeschichte überein, die mit anderen wissenschaftlichen Methoden wie der Untersuchung von Ablagerungen auf dem Boden der Ozeane gewonnen wurden. Die Forscher veröffentlichten die Resultate ihrer Studie im Fachmagazin "Science Advances".

Was ist über das Klima in den letzten drei Millionen Jahren bekannt?

Das Klima der letzten drei Millionen Jahre ist eingebettet in ein Eiszeitalter, das schon vor etwa 34 Millionen Jahren mit der allmählichen Vergletscherung der Antarktis begann und bis in die Gegenwart anhält. Eiszeitalter sind durch größere Vereisungsgebiete auf der Erde, wie vereiste Polkappen und Gebirgsgletscher charakterisiert. Vor etwa 2,7 Millionen Jahren begann auch die Eisbildung in der Arktis. Seit diesem Zeitpunkt wechseln sich längere Kaltzeiten mit kürzeren Warmzeiten ab. Während der Kaltzeiten kam es zu ausgedehnten kontinentalen Vereisungen auf der nördlichen Hemisphäre. Die letzte Kaltzeit, die Weichsel-Vereisung, hatte vor über 20.000 Jahren ihren Höhepunkt.

Eine wesentliche Rolle bei diesem Wechsel von Warm- und Kaltzeiten spielen periodische Schwankungen der Erdumlaufbahn um die Sonne, die sogenannten Milankovich-Zyklen. Sie bewirken Veränderungen der Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche, so die Forscher um Matteo Willeit. Allerdings sind diese Veränderungen nicht groß genug, um als einzige Ursache für die starken Schwankungen des Klimaregimes im Zeitraum der letzten 3 Millionen Jahre und die Vereisungen der Kontinente in Frage zu kommen. Aus Untersuchungen von arktischen Eisbohrkernen gewann die Wissenschaft Aufschluss über einen weiteren Auslöser der Kaltzeiten: einen Rückgang der Konzentrationen von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre.

Mit welchen Daten wurden die Computersimulationen durchgeführt?

Zur Simulation des Klimas der vergangenen 3 Millionen Jahre nutzte das Forscherteam um Willeit ein Erdsystemmodell, das die grundlegenden physikalischen und chemischen Prozesse in der Atmosphäre und an der Erdoberfläche widerspiegelt. Als Ausgangspunkt der Rechnungen benötigte das Modell verschiedene Daten. Dazu zählten die im Laufe der Zeit erfolgenden Veränderungen der Sonnenstrahlung durch die Änderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne. Über derartige astronomische Parameter liegen für den Zeitraum der letzten 3 Millionen Jahre hinlängliche Erkenntnisse vor.

Eine weitere Eingangsgröße des Modells ist die langsame Freisetzung von CO2 aus Vulkanen in die Luft. Diese Größe, die ebenfalls in ihrem zeitlichen Verlauf benötigt wurde, ist weniger gut bekannt. Deshalb haben die Wissenschaftler für ihre Untersuchung verschiedene Varianten – der fachliche Ausdruck dafür ist Szenarien – für die zeitliche Entwicklung der vulkanischen CO2-Freisetzung vorgegeben.

Die Studie berücksichtigte darüber hinaus Veränderungen in der Verteilung von Sedimenten auf der Erdoberfläche, die durch Verwitterungsprozesse entstehen. Das ist deshalb wichtig, weil Eismassen auf Sedimenten oder Geröll leichter gleiten als auf felsigem Untergrund. Die höhere Fließgeschwindigkeit auf Geröll macht die Eisschilde laut Willow und Kollegen beweglicher, dünner und anfälliger gegen Änderungen der Sonnenstrahlung. Das heißt, dass die Beschaffenheit des Untergrundes die Andauer von Vereisungen beeinflusst. Der Untergrund spielt gemäß der Forscher überdies für folgenden Prozess eine Rolle. Wenn sich Eisschilde in Regionen vorschieben, die von Sediment bedeckt sind, lagert sich viel Staub auf den Rändern dieser Eisschilde ab. Die betroffenen Eisflächen färben sich durch den Staub dunkler und reflektieren dadurch weniger Sonnenstrahlung als weiße Eisflächen. In der Folge kommt es zu Schmelzprozessen und verhindertem Wachstum der Eisschilde. Auch dieser Prozess kann die Dauer von Vereisungen verkürzen.

Wie für die vulkanische CO2-Freisetzung arbeiteten die Wissenschaftler auch für die zeitliche Veränderung der Sedimentverteilung auf der Erdoberfläche unterschiedliche Szenarien aus. Insgesamt resultierten auf diese Weise 16 verschiedene Kombinationen der zeitlichen Änderungen von CO2-Freisetzung und Sedimentverteilung. Neben den astronomischen Daten "fütterten" die Forscher das Erdsystemmodell nacheinander mit den 16 Kombinationen und ermittelten durch Vergleich der Modellergebnisse mit vorliegenden Beobachtungsdaten, unter anderem aus der Tiefsee, das "beste" Szenario.

Wie sehen die Ergebnisse der Modellrechnungen aus?

Die Simulation unter Vorgabe des "besten" Szenarios sowie der Variation der Sonnenstrahlung reproduzierte viele, aus Rekonstruktionen bekannte Eigenschaften des Klimas der vergangenen drei Millionen Jahre, so das Team um Willeit. Insbesondere resultierte eine gute Wiedergabe der zyklischen Wechsel von Warm- und Kaltzeiten.

Die Ergebnisse der Modellrechnungen bestätigten gemäß der Forscher ferner, dass der CO2- Gehalt der Atmosphäre neben den Erdbahnzyklen eine treibende Kraft beim Wechsel von Warm- und Kaltzeiten war. So zeigt die Untersuchung, dass der Beginn der Vereisungs-Zyklen, also der Übergang von warm zu kalt, hauptsächlich durch einen Rückgang des atmosphärischen Kohlendioxids ausgelöst wurde. Beobachtungsdaten aus Ablagerungen in der Tiefsee stimmen laut Willeit und Kollegen mit diesen Ergebnissen gut überein.

Weiterhin kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass das Klimasystem schon bei relativ geringen Schwankungen des atmosphärischen CO2-Gehaltes empfindlich reagiert. Sie betonen in diesem Zusammenhang, dass gegenwärtig wahrscheinlich mehr Kohlendioxid in unserer Atmosphäre ist, als je zuvor in den letzten 3 Millionen Jahren.

Die Temperatursimulationen für die vergangenen 3 Millionen Jahre ergaben folgendes Bild. Die größten Schwankungen der weltweiten Durchschnittstemperatur resultierten für den Zeitraum der letzten 1 Million Jahre. In dieser Periode wurden Temperaturunterschiede zwischen Warm- und Kaltzeiten von bis zu 6 Grad Celsius ermittelt. Das Team um Willeit stellte überdies fest, dass die weltweiten Durchschnittstemperaturen in den letzten 3 Millionen Jahren nie so hoch waren, dass sie eine Differenz von mehr als 2 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau überschritten hätten – ein Wert, auf den die Menschheit durch die massenhafte Nutzung fossiler Brennstoffe in diesem Jahrhundert zusteuert.

Willeit und Kollegen verbinden die Diskussion der Ergebnisse ihrer Studie mit einer eindringlichen Warnung: Wenn es nicht gelingt, die Zunahme der weltweiten Durchschnittstemperatur unterhalb von 2 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, so wie im Abkommen von Paris vereinbart, könnte die Menschheit auf ein Klima zusteuern, das jenseits aller klimatischen Bedingungen liegt, die während des gesamten erdgeschichtliches Zeitalters der letzten 3 Millionen Jahre jemals aufgetreten sind.

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