Ein Blick in die Klimageschichte früherer Jahrmillionen

Die graue Vorzeit mit ihren warmen Phasen als Prüfstein und Übungsfeld für Klima-Simulationsmodelle

Mit steigender Gewissheit, dass der Mensch eine globale Erwärmung bewirkt, wächst das Interesse am Klima der ferneren Vergangenheit. Damals dürften nämlich warme Phasen dominiert haben. Das lässt sich aus verschiedensten Daten der frühen Erdgeschichte ableiten.

Die Forschung der letzten Jahre hat das Vertrauen der Klimaforscher in ihre Modelle und Szenarien bestärkt und damit auch in die Aussage, dass der Mensch durch den Ausstoss von Treibhausgasen, vor allem Kohlendioxid (CO2), eine globale Erwärmung herbeiführt. Mit der zunehmenden Gewissheit, dass die Temperaturen in den nächsten Jahrzehnten steigen dürften, wächst aber auch das Interesse am Klima der frühen Vergangenheit. Die Entwicklung der heutigen, seit rund einer Million Jahre dauernden geologischen Kaltphase mit ihren Eis- und Zwischeneiszeiten wird bereits seit vielen Jahrzehnten studiert. Ein Blick in die fernere Vergangenheit kann nun ein neues Licht auf die prognostizierte warme Zukunft werfen, weiss man doch aufgrund versteinerter Tiere und Pflanzen, dass die Temperaturen damals deutlich höher gewesen sein müssen.

Kriminalistisches Puzzle

Mit einer genaueren Kenntnis dieser Vergangenheit lassen sich zudem die Klimatheorien noch an weiteren realen Entwicklungen überprüfen. So hat Ende März Dana L. Royer von der Wesleyan University in Connecticut Abschätzungen veröffentlicht, welche Erwärmung gemäss den Klimadaten der letzten 420 Millionen Jahre rechnerisch mit einer Verdopplung der CO2-Konzentration einhergegangen sein dürfte. Ihr bester Wert lag mit 2,8 Grad Celsius nur wenig unter dem vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) verwendeten mittleren Wert von 3 Grad.

Das Klima vor Jahrmillionen ist allerdings noch viel schwieriger zu rekonstruieren als jenes der Eiszeiten in den letzten Hunderttausenden von Jahren, für die unter anderem Proben aus polarem Eis sehr genaue Daten liefern. Die Arbeit gleicht jener von kriminalistischen Ermittlern. Die entscheidenden Parameter können fast nur indirekt über eine Unmenge von Hinweisen in Fossilien und Sedimenten, besonders aus Seen und Meeren, aber auch in Gesteinen bestimmt werden. Aus zahlreichen darin gespeicherten biologischen Daten lassen sich so Rückschlüsse aufs Klima ziehen, genau wie aus der chemischen Zusammensetzung von Ablagerungen und den Isotopen verschiedenster Elemente. Je weiter zurück man blickt, umso spärlicher sind jedoch die Daten, umso grösser die Ungewissheiten. Immerhin glaubt man zu wissen, dass es auf der heissen und lebensfeindlichen Oberfläche der Erde, die sich im Lauf der Entstehung unseres Sonnensystems vor 4,55 Milliarden Jahren bildete, möglicherweise bereits nach einigen hundert Millionen Jahren erste Krusten und Ozeane aus Wasser gab.

Die frühesten Spuren von Lebewesen werden auf etwa 3,5 Milliarden Jahre vor heute datiert. Die Verwitterung von Silikatgestein durch Wasser in einer CO2-haltigen Atmosphäre und das Auftauchen von Organismen, die über Fotosynthese CO2 nutzten und Sauerstoff freisetzten, haben nach derzeitiger Auffassung den atmosphärischen CO2-Gehalt sukzessive reduziert, die Sauerstoffkonzentration ansteigen und die Temperaturen sinken lassen. Bereits etwa 2,4 Milliarden Jahre vor unserer Zeit kam es dann, so legen Spuren im Gestein nahe, zu grösseren Vereisungen. Nach einer Erwärmung herrschte dann aber weit über eine Milliarde Jahre lang erneut ein warmes Klima, das die Weiterentwicklung des Lebens begünstigte. Auch gibt es Indizien, dass damals aus leichteren Gesteinen gebildete Kontinente im Laufe von Hunderten von Jahrmillionen durch plattentektonische Bewegungen zu Superkontinenten zusammengeschoben wurden; deren Lage in den Ozeanen war entscheidend für die Meeresströmungen und damit auch für das Klima.

Für die Zeit etwa 700 bis 600 Millionen Jahre vor heute gibt es Sedimentspuren, die auf den ganzen Planeten umfassende Vereisungen, eine «Snowball Earth», hinweisen. Diese Phasen - man spricht von mindestens zwei - beschäftigen die Geologen intensiv. Sie fragen sich nicht nur, wie solche Vereisungen entstanden sein könnten, sondern mindestens so sehr, wodurch sie hätten beendet werden können. Sollte damals wirklich eine feste Eisschicht die Erde umgeben haben, wäre diese so kalt und trocken und die Reflexion der Sonnenstrahlung so stark gewesen, dass sie, wie Raymond T. Pierrehumbert von der University of Chicago errechnete, selbst mit dem mehr als 500-Fachen der heutigen CO2-Konzentration in der Atmosphäre nicht wieder aufgetaut wäre. Dies belegt laut Pierrehumbert allerdings nicht, dass es die «Snowball Earth» nicht gegeben haben kann; es könnte vielmehr auch auf unentdeckte Prozesse verweisen, die die Empfindlichkeit des Klimas auf CO2 erhöhen. Modellierungen derart extremer Phasen sind für die Klimatologen denn auch ideal für die Überprüfung ihrer Theorien.

Dass CO2 seit frühester Zeit eine entscheidende Rolle im Klimageschehen spielt, darüber herrscht bei Fachleuten heute weitgehend Einigkeit. Sie sehen sich nämlich vor das Paradoxon gestellt, dass laut den Astronomen die Strahlkraft der Sonne in den letzten gut 4,5 Milliarden Jahren um etwa 40 Prozent zugenommen hat, ohne dass die Erde «gekocht» und ihr Wasser verloren hätte, wodurch die Entwicklung von Leben verunmöglicht worden wäre. Im Gegenteil - das Klima scheint trotz mehr Sonnenenergie langfristig kühler geworden zu sein und hat sich immer in einem für Organismen mehr oder weniger günstigen Bereich bewegt. Die Geologen sprechen vom Problem der «schwachen frühen Sonne»; es lässt sich bis jetzt nur lösen, wenn man von sehr hohen CO2-Konzentrationen in der Frühzeit der Erde ausgeht. Deren grosse Treibhauswirkung hätte demnach dafür gesorgt, dass auch bei einer geringeren Einstrahlung ähnliche Temperaturen wie heute vorherrschten.

Ein CO2-Thermostat

Als der eigentliche Thermostat des Klimasystems wird die Verwitterung von Kalziumsilikaten in Gesteinen gesehen. In einem Jahrmillionen dauernden Prozess löst Kohlensäure, die das CO2 der Atmosphäre mit Wasser bildet, Kalziumionen aus dem Gestein. Diese werden zusammen mit dem aus der Kohlensäure entstandenen Bikarbonat in die Meere gespült. Dort nutzen kalkbildende Organismen Kalzium und Bikarbonat zum Aufbau ihrer Skelette. Werden diese im Meer sedimentiert, wird Kohlendioxid für grosse Zeiträume dem atmosphärischen Kreislauf entzogen. Wärme und Feuchtigkeit beschleunigen die Verwitterung, Kälte und Trockenheit bremsen sie.

Über Jahrmillionen spielten die Verwitterung und die anschliessende Sedimentierung von Kohlenstoff laut den Geologen die zentrale Rolle bei der Stabilisierung des Erdklimas. Wichtig für die CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre ist aber auch die Fotosynthese durch Algen im Meer und Pflanzen auf den Kontinenten. Zeiten mit viel CO2 in der Atmosphäre führten zu einem grossen pflanzlichen Wachstum auf dem Land und im Wasser; da nicht alles pflanzliche Material verrotten konnte, bildeten sich Ablagerungen, die, von Sedimenten überlagert, zu Erdöl, Erdgas oder, bei kontinentalen Ablagerungen, zu Kohle wurden. In ihnen ist Kohlenstoff vergangener Epochen eingelagert, den wir heute mit der Verbrennung fossiler Energieträger wieder freisetzen.

Für das Klima prägende Faktoren hält man auch die Freisetzung von riesigen Mengen von CO2 und anderen Gasen in grossen «Vulkanprovinzen», von Gashydraten aus den Meeren und CO2 aus hydrothermalen Quellen. Sie dürften bei manchen Klimastörungen von einigen zehn- und hunderttausend Jahren, von denen sich in den ständig präziser werdenden Klimakurven immer mehr abzeichnen, ausschlaggebend gewesen sein. Aber auch den Verschiebungen der Kontinente schreibt man in der Klimaentwicklung der letzten Hunderte von Jahrmillionen grossen Einfluss zu. Sie steuern neben der Gebirgsbildung die Winde und die Meeresströmungen und mit Letzteren in kalten Phasen vermutlich massgeblich die Eisbildung an den Polen.

Hohe Temperaturen an den Polen

Trotz vielen, zum Teil starken Schwankungen wird das Klima der letzten Jahrhundertmillionen insgesamt als deutlich wärmer eingestuft als das heutige. Die CO2-Werte scheinen zum Teil beim Mehrfachen des derzeitigen Wertes gelegen zu haben. Vor etwa 50 Millionen Jahren ist, wie die Temperaturindikatoren zeigen, jedoch eine langfristige Abkühlung in Gang gekommen. Die Landmassen hatten inzwischen ungefähr die heutige Verteilung erreicht. Bis vor etwa 34 Millionen Jahren, als dies zur Bildung eines ersten Eisschildes auf der Antarktis führte, sank die Tiefsee- Temperatur um etwa 7 Grad. Nach einer nochmals wärmeren, bis vor etwa 15 Millionen dauernden Phase setzte sich die Abkühlung laut den Daten aus Tiefseesedimenten weiter fort. Vor 5 bis 3 Jahrmillionen sollen zwar bereits ähnlich tiefe CO2-Konzentrationen vorgeherrscht haben (tief im Vergleich zur Vergangenheit), wie sie bei uns für die Zukunft erwartet werden, und auch die Stärke der Sonneneinstrahlung scheint vergleichbar gewesen zu sein. Aber die Temperaturen, vor allem jene an den Polen, waren viel höher, so dass sich im Norden noch keine ständige Eisdecke bilden konnte; der Meeresspiegel lag daher bis etwa 25 Meter über der heutigen Marke.

Dass in wärmeren Klimaphasen offenbar deutlich geringere Temperaturgefälle zwischen dem Äquator und den Polen vorherrschten, stellt die heutigen Klimamodelle jedoch vor Probleme. Gründe dafür dürften Schwierigkeiten bei der Modellierung des atmosphärischen Wasserdampfs - des wichtigsten Klimagases überhaupt - und des Verhaltens der Meere sein. Ein ähnlich geringes Temperaturgefälle mit entsprechend warmen Polen lässt sich übrigens in den Daten der letzten Zwischeneiszeit vor 125 000 Jahren feststellen, als der Meeresspiegel vermutlich rund 4 bis 6 Meter höher lag als im 20. Jahrhundert.

Die langfristige Abkühlung dürfte auf Faktoren wie eine starke Verwitterung im sich auftürmenden Himalaja und Wechsel bei den Meeresströmungen zurückzuführen sein. Mit tieferen Temperaturen und tieferen CO2-Werten scheint die Wirkung der Tatsache, dass sich die Stärke und Verteilung der Sonneneinstrahlung als Folge der elliptischen Erdbahn, der Neigung der Erdachse und der Präzession in der Erdrotation zyklisch ändert, auf das Klima überhandgenommen zu haben. Damit rutschte die Erde vor etwa 1 Million Jahren in die heutige kalte Phase mit ausgeprägten Eiszeiten, die auch in Europa zu flächendeckenden Vergletscherungen führten.

Eisbohrungen - sie reichen in der Antarktis inzwischen über 740 000 Jahre zurück - ergeben heute ein relativ genaues Bild des Klimas der etwa alle hunderttausend Jahre wiederkehrenden, langen Eiszeiten und der wenige zehntausend Jahre dauernden Zwischeneiszeiten. Die Wechsel entstehen nach einer breit akzeptierten Theorie durch die sich periodisch ändernde Stellung der Erde gegenüber der Sonne. Das CO2 in der Atmosphäre verstärkte laut dem IPCC mit über 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit diese Strahlungsschwankungen - zum Teil vermutlich erheblich verzögert zur Erwärmung. Die zunehmende Freisetzung fossilen Kohlendioxids durch den Menschen, so wird angenommen, hat die Klimagase jedoch von Verstärkern warmer Phasen zu eigentlichen Temperaturtreibern gemacht.

Kein Ende der Zwischeneiszeit in Sicht

Seit etwa 11 600 Jahren befinden wir uns in einer Zwischeneiszeit, dem Holozän. Laut dem IPCC kann aufgrund der Erdbahnparameter jedoch mit über 90 Prozent Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden, dass es ohne die Treibhausgasemissionen des Menschen in den nächsten 30 000 Jahren zu einer neuen Eiszeit käme. Zudem hält es fest, dass die in den - meist von der Nordhalbkugel stammenden - Messdaten dokumentierten grösseren Temperaturschwankungen der letzten 10 000 Jahre (siehe Grafik) vorwiegend regional und nicht global gewesen sein dürften. Die Klimamodellierer glauben, inzwischen viele der in dieser Zwischeneiszeit beobachteten Entwicklungen mit ihren Modellen nachbilden zu können. Allerdings hatten ihnen gerade auch manche Daten dieser Zeit zur Erarbeitung und Verbesserung ihrer Modelle gedient.

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