Paläoklimaforschung - Rückblick in die Zukunft des Klimawandels

von Michael Schulz und Torsten Bickert
Fachbereich Geowissenschaften, Universität Bremen

Dieser Artikel erschien in der Broschüre "20 Jahre Fachbereich Geowissenschaften - Einblicke in die aktuelle Forschung", herausgegeben vom FB Geowissenschaften der Universität Bremen im Mai 2006.

Trotz immenser Fortschritte in der aktuellen Klimaforschung sind Klimaprognosen für das 21. Jahrhundert mit großen Unsicherheiten behaftet. Die komplexen Steuerungsmechanismen für Klimaänderungen auf verschiedensten Zeitskalen sind bisher nur ansatzweise verstanden. Insbesondere die Unterscheidung zwischen natürlichen Klimavariationen und dem möglichen menschlichen Einfluss auf das Klima stellt eine besondere Herausforderung für die Klimaforschung dar. Paläoklimatologische Archive ermöglichen es, Variationen der Umwelt über den Zeit­bereich hinaus zu quantifizieren, für den Wetter- und Klimaaufzeichnungen existieren. Paläoklimadaten bieten somit die einzigartige Möglichkeit, die gesamte Spannbreite natürlicher Klimaschwankungen zu erfassen.

Ende der jungsteinzeitlichen Feuchtphase in Nordafrika. Untersuchungen an marinen Ablagerungen aus dem Roten Meer und vor der Küste Nordwest Afrikas lassen ein zeitlich versetztes, abruptes Einsetzen trockener Bedingungen erkennen.

Schnelle Klimaänderungen in Warmzeiten

Neue Erkenntnisse der Paläoklimaforschung zeigen, dass das Klimasystem auch in Zwischeneiszeiten wie dem seit 10.000 Jahren andauernden Holozän deutlich variabler ist, als bisher angenommen wurde. Obwohl diese Klimaschwankungen im Vergleich zu den Eiszeitzyklen relativ klein waren, hatten sie teilweise gravierende Auswirkungen auf frühe Kulturen, wie z.B. jungsteinzeitliche Jäger und Sammler in Nordafrika. So konnte ein Bremer Forscherteam unter der Leitung von Helge Arz anhand von Untersuchungen an Ablagerungen aus dem nördlichen Roten Meer zeigen, dass der östliche Teil Nordafrikas bis vor 7000 Jahren relativ feucht war (s. Grafik oben). Prähistorische Felszeichnungen belegen, dass die Sahara in dieser Zeit eine Savanne mit artenreicher Tier- und Pflanzenwelt war. Die Bremer Geowissenschaftler konnten nachweisen, dass die Feuchtregionen innerhalb von ungefähr 2000 Jahren austrockneten und einer Wüste Platz machten. Eine ähnlicher Umbruch von einer Savanne in eine Wüste lässt sich auch für Westafrika rekonstruieren. Überraschenderweise erfolgte der Übergang dort aber 1.500 Jahre später als weiter östlich und ging wesentlich schneller von statten (s. Grafik). Obwohl die genaue Ursache der zeitlichen Verschiebung noch nicht vollständig verstanden ist, scheint klar, dass relativ langsame und kleine Änderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne die Klimaänderung in Nordafrika ausgelöst haben. Die geowissenschaftlichen Daten belegen somit eindrucksvoll, dass abrupte Klimaumbrüche auch in Warmzeiten möglich und nicht auf Eiszeiten beschränkt sind.

Zunahme des Jahresganges der Temperatur im Mittleren Osten während der letzten Zwischeneiszeit. Geochemische Untersuchungen an Korallen (links oben) aus dem Roten Meer belegen, dass die saisonale Temperaturvariation vor 122.000 Jahren ca. 3°C größer war als heute (links unten). Experimente mit einem Klimarechenmodell zeigen, dass eine Tendenz zu einer positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation maßgeblich zu dieser Verstärkung der saisonalen Temperaturvariation beigetragen hat (rechts).

Auch für die letzte Zwischeneiszeit (vor ca. 124.000 Jahren) haben Paläoklimadaten neue Befunde ans Tageslicht gefördert. So fand der Bremer Klimaforscher Thomas Felis zusammen mit seinen Kollegen anhand fossiler Korallen aus dem Roten Meer heraus, dass die saisonale Temperaturvariation während dieser Zeit im Mittleren Osten um ca. 3°C größer war als heute. Mit Hilfe eines Klimarechenmodells konnte dieses überraschende Resultat durch eine Verschiebung von kurzen, zwischenjährlichen Klimafluktuationen in der Nordatlantikregion (der sog. Nordatlantischen Oszillation) während des letzten Interglazials begründet werden (Abb. oben). Paläoklimadaten haben vielfältige Belege für die Existenz solcher Fernwechselwirkungen erbracht, die eindrucksvoll die Komplexität des Klimasystems widerspiegeln. Auch in diesem Fall haben Änderungen der Erdumlaufbahn eine komplexe Reaktionskette im Klimasystem ausgelöst.

»Eishausklima«

Paläoklimatologen gehen auch der Frage nach, wie sich das Erdklima auf langen Zeitskalen entwickelt hat. Es gilt mittlerweile als gut gesichert, dass in der Kreidezeit (vor 145 bis 65 Millionen Jahren) sowohl der Nord- als auch der Südpol weitgehend eisfrei waren. Die nachfolgende Entwicklung der Eisbedeckung der Polar­re­gionen, besonders die auf der Nordhemi­sphäre, gibt Klima­forschern seit langem ein Rätsel auf. Bisher wurde angenommen, dass die Schließung der Panama Meeresstrasse unmittelbar für die Vereisung der Nordhemi­sphäre und das seit ca. 3 Millionen verstärkte Eishausklima verantwortlich war. Geo­wissenschaftler haben nämlich herausgefunden, dass die Landbrücke von Mittelamerika bis vor ca. 4 Millionen Jahren noch gar nicht existierte. Statt dessen verband eine breite Meeresstrasse den Atlantik mit dem Pazifik. Die Kollision von Erd­platten und ein bis heute hochaktiver Vulkanismus haben diese Meeresstrasse seither eingeengt. Die Panama Ozeanpassage wurde dadurch zunehmend flacher, bis sie schließlich vor rund 3 Millionen Jahren vollständig geschlossen wurde. Erst seitdem können Land­tiere ungehindert zwischen Nord- und Südamerika hin- und herwandern, was durch Fossilien gut belegt ist. Anhand von Kli­ma­mo­dell­­rech­nun­gen konnten Andreas Klocker und Matthias Prange am Fachbereich Geowissenschaften nun erstmals zeigen, dass die Schließung der Panama Passage entgegen der bisherigen Annahme dennoch nicht hauptver­ant­wort­lich für die verstärkte Vereisung der Nord­hemi­­sphäre war, die vor ca. 3 Millionen Jahren begann. Die Suche nach der Ursache geht also weiter. Zukünftige Untersuchungen an Meeresablagerungen werden sicherlich dazu beitragen, diese Frage zu beantworten.

Änderungen der Eisausdehnung auf der Nord­­hemi­sphäre. Seit ca. 3 Millionen Jahren wechseln sich Eiszeiten (links) und Zwi­scheneiszeiten (Mitte) ab. Vor dieser Zeit war die Nord­hem­i­sphä­re weitgehend eis­frei, und der Atlan­­tik war mit dem Pazifik durch die Panama Mee­res­­strasse verbunden (rechts).

»Treibhausklima«

Der durch Menschen verursachte Treibhauseffekt bildet den Ausgangspunkt für die gegenwärtige Klimadiskussion. Die Bremer Meeresgeo­login Ursula Röhl hat gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam Tiefseeablage­run­gen aus dem Südatlantik untersucht, die 55 Millionen Jahre alt sind. Zu dieser Zeit wurde aus dem Meeresboden der Weltozeane gefrorenes Methan in großen Mengen freigesetzt, das anschließend zu Kohlendioxid oxidiert wurde und so den natürlichen Treibhauseffekt auf der Erde erheblich verstärkt hat. Klimarekonstruktionen deuten darauf hin, dass die mittlere Temperatur auf der Erde kurzfristig um 3° bis 5 °C erhöht wurde. Röhl und ihre Kollegen schlossen aus den Tief­seeabla­ge­run­gen, dass die Kohlendioxidmenge, die vor 55 Millionen Jahren freigesetzt wurde, ungefähr genauso groß war, wie die Menge, die bei der Verbrennung der heute noch vorhandenen fossilen Energieträger entstehen würde. Darüber hinaus konnte das Forscherteam zeigen, dass die Erde ungefähr 150.000 Jahre benötigt hat, um sich von dem natürlich verursachten Treibhauseffekt zu »erholen« (Abb. links). Diese Daten belegen somit eindrucksvoll, dass Kohlendioxid als Treibhausgas das Erdklima tatsächlich nachhaltig verändern kann und dass die durch Menschen verursachte Störung des Klima­sys­tems über viele Tausend Jahre nach­­wirken könnte.

Die Kombination geo­wissenschaftlicher Klima­rekon­struk­tionen mit mathematischen Erd­­sys­tem­mo­del­len ist entscheidend für eine erfolgreiche Entschlüs­selung der Dynamik vergangener Umweltvaria­tionen.

Erkenntnisse aus der Klimageschichte der Erde

Geowissenschaftliche Rekonstruktionen vergangener Klimazustände verdeutlichen, dass die Spannbreite von natürlichen Klimavaria­tio­nen er­heb­lich größer ist, als Klimaaufzeichnungen der letzten Jahrzehnte dies vermuten lassen. Insbesondere der in Bremen sehr gut etablierte Vergleich von Paläo­klima­rekon­struk­tionen mit den Ergebnissen von Klimarechenmodellen erlaubt neue Einblicke in die Funktionsweise des Klimasystems. Dadurch tragen diese Erkenntnisse dazu bei, Prognosen der zukünftigen Klimaent­wick­lung zu verbessern.