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Lexikon der Biologie: Paläoklimatologie

Paläoklimatologie w [von ä *paläo- , griech. klima = Witterung, logos = Kunde], Teildisziplin der Geowissenschaften (einschließlich der Paläontologie; Paläobiologie, Paläobotanik), die sich mit dem Klima und Klimageschehen der erdgeschichtlichen Vergangenheit (Erdgeschichte, Geochronologie) vom Präkambrium bis zum Holozän befaßt. Die Übergänge zur historischen Klimaforschung sind fließend. Ziel der Paläoklimatologie ist es, die Entwicklung des Erdklimas möglichst detailreich zu rekonstruieren und ein Prozeßverständnis für die Ursachen der natürlichen Klimadynamik zu entwickeln. Die Bedeutung der Paläoklimatologie liegt auf mehreren Ebenen. Ohne eine Kenntnis des Paläoklimas können zahlreiche geologische (z.B. Verwitterung [Bodenentwicklung], Sedimentation [Meeresablagerungen, Sediment], Lagerstättenbildung [Fossillagerstätten]) und biologische (z.B. Evolution, Biogeographie, Diversitätsverteilung [Diversität, Biodiversität]) Prozesse und Muster nicht verstanden werden. Ferner erlaubt nur die Paläoklimatologie, die langfristige natürliche Klimadynamik zu erfassen, vor deren Hintergrund die anthropogenen Klimaveränderungen (Klimaänderungen) zu beurteilen sind. Auch ermöglicht die Paläoklimatologie den Zugang zu vergangenen Klimazuständen, die sich von der heutigen Situation völlig unterscheiden, aber zum Teil möglichen künftigen Klimaszenarien gleichen. Nicht zuletzt können Paläoklimate dazu genutzt werden, um Klimamodelle bezüglich ihrer Qualität und Zuverlässigkeit zu testen. – Möglich wird die Rekonstruktion des Paläoklimas vor der "instrumentellen Periode", d.h. vor der Existenz meteorologischer Meßdaten (Meteorologie), durch sog. Klima-Proxydaten (kurz: Klima-Proxies) und Klima-Archive. Klima-Proxies sind geologische, physikalische, chemische oder biologische (Meß-)parameter (im weitesten Sinne gehören dazu auch historische Aufzeichnungen über Ernteerträge, Weinanbau usw.), aus denen sich qualitative oder quantitative Paläoklimaaussagen ableiten lassen. Klassische geologische Klimaindikatoren sind z.B. Moränen, Tillite, Eiskeile (Indikatoren für Vereisungen) sowie Carbonate und Evaporite (Indikatoren für warme bzw. aride Verhältnisse). Zu den wichtigsten Klima-Proxies gehören jedoch die Organismen, da deren Form, Funktion und Verbreitung entscheidend vom Klima beeinflußt werden. Kennt man die heutige Verbreitung (Florenreich, tiergeographische Regionen) von Organismen/Organismengemeinschaften in Abhängigkeit von Klimaparametern, kann umgekehrt aus dem Vorkommen nahe verwandter fossiler Formen an einem Fundort auf das entsprechende Paläoklima geschlossen werden. Dies gilt natürlich nur, solange die heutige Beziehung zwischen Organismen und Klima aktualistisch auf die erdgeschichtliche Vergangenheit übertragen werden kann (Aktualitätsprinzip, Aktuopaläontologie). Mit diesem Ansatz können heute absolute Temperaturen für die letzten 40 bis 60 Millionen Jahre bestimmt werden – allerdings mit erheblichen Unsicherheiten. Die wichtigsten Organismengruppen für Paläoklimarekonstruktionen sind Foraminifera und andere Mikroorganismen (Fossilien, Mikrofossilien) im marinen Milieu sowie Pflanzen, vor allem ihre Pollen und Sporen, für terrestrische Klimaaussagen (Palynologie, Pollenanalyse). – Die Isotopenverhältnisse (Isotope) verschiedener chemischer Elemente (vor allem von Sauerstoff und Kohlenstoff) in chemischen Verbindungen (insbesondere in Carbonaten) sind ähnlich wichtige Klima-Proxies. So hängt das Verhältnis der Sauerstoffisotope 16O und 18O (gemessen als *18O) in Carbonaten u.a. von der Temperatur des Wassers ab, in dem das Carbonat gebildet wurde. Durch Messung der *18O-Werte von Carbonaten (z.B. von Mollusken- und Foraminiferen-Schalen) kann daher auf die Bildungstemperatur geschlossen werden. Leider wird jedoch das *18O-Signal in Carbonaten auch von der Salinität des Meerwassers (Meer) und dem Eisvolumen (Eis) beeinflußt, die bekannt sein müssen, wenn aus dem Isotopenverhältnis direkt die Wassertemperatur bestimmt werden soll. Auch können Umkristallisationen und Diagenese das ursprüngliche Isotopensignal völlig verfälschen. Grundsätzlich gilt daher auch bei Isotopenuntersuchungen, daß die Unsicherheiten der Paläoklimarekonstruktionen für ältere Perioden (insbesondere vor dem Tertiär, vor 60 Millionen Jahren) rasch ansteigen. – Die Qualität der Paläoklimarekonstruktionen ist aber nicht nur eine Funktion der Klima-Proxies, sondern auch der Klima-Archive, in denen die Paläoklimainformation in Form von Klima-Proxies gespeichert wird. Von ihnen hängt ab, wie gut und ungestört die Klima-Proxies erhalten, vor allem aber auch, mit welcher zeitlichen Auflösung sie dokumentiert sind. Wichtige Klima-Archive sind Sedimente, Eisschilde und Hartteile (Fossilisation) bzw. Skelette von Organismen. Anhand von jahreszeitlich geschichteten ("laminierten") Sedimenten, wie sie insbesondere in schlecht durchlüfteten Seen vorkommen, sind zeitliche Auflösungen der Paläoklimarekonstruktion von bis zu 1 Jahr möglich. Hierbei werden vielfach Pollen und Sporen, Diatomeen (Diatomeenerde, Kieselalgen) oder auch geochemische bzw. Isotopen-Signale als Klima-Proxies verwendet. Einen Sonderfall der sedimentären Klima-Archive bilden die großen Eisschilde ( ä vgl. Infobox 1 ) der Antarktis und Grönlands (Polarregion). Auch sie zeigen idealerweise einen jährlichen Schichtenaufbau, der allerdings ab einer gewissen Eismächtigkeit aufgrund von Eisbewegungen verloren geht (Meereis). In Eisablagerungen kann das Paläoklima anhand von Staubeintrag und verschiedener geochemischer Parameter (z.B. Sauerstoffisotopenzusammensetzung des Wassermoleküls) rekonstruiert werden (Eisbohrkerne; ä vgl. Infobox 1 ). Ferner sind in den Eisablagerungen kleine Luftblasen eingeschlossen, die u.a. auch eine Bestimmung der atmosphärischen Konzentration von Kohlendioxid und Methan (Kohlenstoffkreislauf) in früheren Erdepochen erlauben (Atmosphäre). – Hartteile und Skelette von Organismen als Klima-Archive ermöglichen eine noch höhere, sub-annuelle Auflösung der Klimarekonstruktion. Bäume mit ihren jährlichen Zuwachszonen ("Baumringe"; Jahresringe, Dendrochronologie) speichern den Klimaverlauf über den gesamten Zeitraum ihrer Ontogenese und dokumentieren den Verlauf der Saisonalität sowie das Vorkommen von klimatischen Extremereignissen. Als Klima-Proxies dienen dabei neben morphometrischen Daten des Holzes (Zelldurchmesser, Zellwanddicke, Dichte usw.) die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen-Zusammensetzung von organischen Molekülen (z.B. Cellulose). In ähnlicher Weise können die Skelette von Korallen und die Schalen der Muscheln (Conchylien) für höchstauflösende Paläoklimarekonstruktionen genutzt werden. – Aufgrund der Fülle der verfügbaren Klima-Archive und Klima-Proxies ist die Klimageschichte für die letzten rund 500 Millionen Jahre recht gut bekannt, wobei naturgemäß die Unsicherheiten der Klimarekonstruktionen für die älteren erdgeschichtlichen Perioden erheblich zunehmen. Vom Kambrium bis ins Unter-Karbon hinein herrschte ein globales "Treibhausklima" (Treibhauseffekt) vor – charakterisiert durch wesentlich höhere globale Jahresmitteltemperaturen, höhere atmosphärische Kohlendioxidkonzentrationen und weitgehend fehlende polare Eiskappen. Unterbrochen war diese lange globale klimatische Warmphase vermutlich nur durch 2 kürzere Perioden mit größeren südhemisphärischen Vereisungen im oberen Ordovizium und im oberen Devon. Es folgt die große Vereisungsphase des Ober-Karbons und Perms mit ausgedehnten kontinentalen Eismassen vor allem in Gondwana (Gondwanaland, Gondwanaflora), den damaligen Südkontinenten Indien (Asien), Australien, Afrika, Antarktis und Südamerika (Kontinentaldrifttheorie). Dieses rund 50 Millionen Jahre dauernde "Eishausklima" glich in den globalen Mittelwerten und in der generellen Klimazonierung durchaus der heutigen Situation. Auch die atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen erreichten erstmals die für die jüngsten erdgeschichtlichen Abschnitte des Pleistozäns und Holozäns typischen niederen Werte von 200–300 ppm (ppm = parts per million). Das Mesozoikum (Trias, Jura, Kreide) und ältere Tertiär (Paleozän, Eozän) zeichnen sich wiederum durch ein dominierendes Treibhausklima aus (d.h. hohe globale Jahresmitteltemperaturen, weitgehend fehlende kontinentale Eismassen, hohe atmosphärische Kohlendioxidkonzentrationen), doch existieren auch hier insbesondere für die Kreide Hinweise auf kürzere Unterbrechungen durch kleinere Vereisungsphasen. – Im Tertiär setzt ab etwa 50 Millionen Jahre vor heute ein kontinuierlicher Abkühlungstrend ein. Am Ende des Eozäns vor etwa 34 Millionen Jahren beginnt die Antarktis zu vereisen, ab dem Ober-Miozän (vor rund 10 Millionen Jahren) mehren sich die Hinweise auf eine sich verstärkende nordhemisphärische Vereisung. Nach der Ausbildung des "Eishausklimas" mit einer bipolaren kontinentalen Vereisung (Eisschilde vor allem auf Antarktis und Grönland) beginnen im Pleistozän charakteristische Klimazyklen: die Ausdehnung der kontinentalen Gletschermassen (Gletscher) vergrößert sich (Glazialzeiten; Eiszeit) oder verringert sich (Interglazialzeiten, Warmzeiten; Interglazial) mit einer Periode, die ab etwa 1 Million Jahre bei rund 100.000 Jahren liegt. Das Holozän (also die letzten rund 10.000 Jahre) und die gegenwärtige Klimasituation entsprechen der jüngsten dieser Interglazialzeiten. – Somit zeigt die Paläoklimatologie, daß das Klima unserer Erde einem natürlichen Wandel unterworfen ist. Erdgeschichtlich betrachtet, ist die heutige Klimasituation mit einer bipolaren Vereisung eher die Ausnahmeerscheinung gegenüber einem insgesamt vorherrschenden Treibhausklima. Die Ursachen der natürlichen Klimadynamik sind mannigfaltig. Eine wichtige Rolle spielen extraterrestrische Faktoren (Veränderungen der Sonnenaktivität und der Erdumlaufbahn-Parameter Exzentrizität, Obliquität, Präzession; ä vgl. Infobox 2 ), geodynamische Prozesse (Gebirgsbildungen, Vulkanismus, Plattentektonik) sowie evolutionäre und ökologische Reaktionen der Biosphäre (z.B. Besiedlung des Festlands durch Pflanzen [Landpflanzen], Veränderungen der Primärproduktion in Abhängigkeit von Nährstoffzufuhr und CO2-Konzentration). Eiszeitrelikte, Erdgeschichte (Tab., Farbtafel), fossile Böden, fossile Brennstoffe, Gashydrate, Glazialflora, Nunatakker, Paläogeographie, Paläolimnologie.

V.M.

Lit.:Berner, U., Streif, H. (Hrsg.): Klimafakten: Der Rückblick – ein Schlüssel für die Zukunft. Stuttgart 2000. Bradley, R.S.: Palaeoclimatology. San Diego 1999. Frakes, L.A., Francis, J.E., Syktus, J.I.: Climate Modes of the Phanerozoic. Cambridge 1992.

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