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Lexikon der Geowissenschaften: genetische Paläoklimatologie

genetische Paläoklimatologie, Teildisziplin der Paläoklimatologie, die versucht, die Ursachen von Klimaveränderungen aufzuzeigen und deren Effekte auf einzelne Klimafaktoren sowie das Globalklima zu quantifizieren. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die einzelnen Faktoren in unterschiedlichen Zeitmaßstäben wirken und regional (breitengradabhängig, hemisphärenabhängig, topographiebedingt etc.) unterschiedliche Effekte hervorrufen können. Die zeitliche Skala reicht dabei vom Tagesrhythmus der Insolation bis zu mehreren hundert Mio. Jahren bei den Wilson-Zyklen, die u.a. die Land-Meer-Verteilung steuern. Eine besondere Schwierigkeit stellt die gegenseitige Beeinflussung der Klimafaktoren dar, welche die Ausbildung von Regelkreisen mit selbstverstärkenden oder dämpfenden Wirkungen auf das Klimasystem auslösen kann. Zu betrachten sind dabei allgemeine Klimafaktoren, d.h. Prozesse, die das globale Klima beeinflussen: primäre Insolation, die durch solare und astronomische Effekte gesteuert wird, geophysikalische Parameter (Erdbahnparameter), Geosphäre (Paläogeographie, Topographie), Atmosphäre und Hydrosphäre (Stoff- und Energiehaushalt), Kryosphäre, Biosphäre (vgl. Kleindruck).

Wenngleich der Zustand mit oder ohne polaren Eiskappen stabil ist, besitzt das Klimasystem eine Eigendynamik, die Modellrechnungen zufolge einen Klimagang hervorrufen kann, der dem beobachteten ähnlich ist. Externe Steuerungsmechanismen, die Beobachtungsreihen erklären sollen, müssen in erster Linie periodisch auftreten, weswegen derzeit besonders die Erdbahnparameter als Auslöser von Eiszeiten diskutiert werden. Als deren wirksamste werden die Exzentrizität der Erdbahn und die Neigung der Erdachse gegenüber der Ekliptik angesehen, jedoch hat sich der Einfluß der Bahnparameter im Laufe der Zeit geändert. Während des Känozoikums überwog bis etwa 2,4 Mio. Jahren die Präzession der Achsenneigung und die Exzentrizität, bis ca. 800.000 Jahren die Neigung der Erdachse und seitdem die Exzentrizität. Durch die gravitative Wechselwirkung der Erde mit dem Mond haben sich langfristig die Perioden der Bahnparameter verlängert. Da die Bahnparameter kontinuierlich wirken, Eiszeitalter jedoch nur phasenweise auftreten, wird von ihrer Wirksamkeit besonders bei bereits abgesenkten Temperaturen ausgegangen, indem sie die globale Energieverteilung beeinflussen. Als langperiodisch wirkende, übergeordnete Einflüsse könnten z.B. die Verteilung von Land und Meer oder astronomische Ursachen wie interstellare Wolken und große Meteoriteneinschläge wirken.

Generell gilt, daß sämtliche Klimaelemente variabel sind, sich gegenseitig beeinflussen, teilweise ein nicht lineares Verhalten zeigen oder ihren Zustand erst bei Überschreiten eines Schwellenwertes ändern. Eine einzige Ursache kann zudem zu antagonistischen Effekten (z.B. erwärmend und abkühlend zugleich) führen, deren Gesamtbilanz von den herrschenden Umgebungsfaktoren beeinflußt wird und zeitlich oder regional in unterschiedlicher Weise auftreten können. Kurzfristige Wirkungen und Langzeitprozesse sind zu unterscheiden und in jedem Einzelfall zu untersuchen.

Als globale Kennzeichen für kaltes Klima gelten wenig ausgeprägte saisonale Klimaunterschiede in mittleren und hohen Breiten mit milden Wintern und kühlen Sommern. Diese führen zu ausreichend hohen Niederschlägen im Winter und dazu, daß der Schnee den Sommer überdauern kann. Eine geringe Neigung der Erdachse, das Eintreten des Aphels (Erde) im Sommer und maritime Klimaverhältnisse sind hierfür Voraussetzung. Große Landflächen in Polnähe ermöglichen die Bildung von Inlandeismassen, die selbstverstärkend, z.B. über den Albedo-Effekt, wirken und den Meeresspiegel eustatisch absenken, womit weitere klimawirksame Änderungen der Meeresströmungen eintreten können.

Treibhausgase wie CO2 oder CH4 machen insgesamt nur 0,1% an der Atmosphärenzusammensetzung aus, ihre spezifische Wirksamkeit führt jedoch dazu, daß geringe Konzentrationsänderungen große klimatische Auswirkungen besitzen. [RBH]

genetische Paläoklimatologie
Die wichtigsten Klimafaktoren und ihre Bedeutung für das Klima

1) astronomische Faktoren
a) Sonnenaktivität: Die Sonnenflecken-Relativzahl (standardisierte, mittlere Anzahl der Flecken pro Jahr) ändert sich mit einer Periode von 22-25 Jahren, wobei zu Zeiten hoher Fleckenzahl (dunkle Sonnenflecken und helle Sonnenfackeln) die Gesamthelligkeit ansteigt. Diesem Zyklus überlagert ist eine 90-110 Jahresschwankung. Da die nur geringe primäre Erwärmung, die während erhöhter Aktivität auftritt, durch die Ozeane gepuffert wird, liegt der Einfluß auf das Klima insgesamt bei nur wenigen hundertstel Grad. In regionalen sowie globalen Meßreihen der Temperatur-, Luftdruck- und Niederschlagswerte finden sich Zyklen, die sich auf die Sonnenaktivität zurückführen lassen.
b) interstellare Wolken: Das unperiodische oder periodische Durchqueren von interstellaren Wolken kann bei Materiedichten von mehr als 150 Atomen/cm3 zu einer Zufuhr von Wasserstoff in die obere Atmosphäre führen. Der dort gebildete Wasserdampf erhöht über vermehrte Wolkenbildung die Albedo, was zu Abkühlung führen kann.
c) Meteoriteneinschlag: Die in geologischen Zeitmaßstäben statistisch in Abhängigkeit von der Größe auftretenden Impakte von Meteoriten wirken unterschiedlich auf das globale Klima, je nachdem, ob sie auf Land oder im Meer erfolgen. Der bei einem Einschlag auf Land bis in große Höhen ausgeworfene Staub führt tendentiell zur Abschirmung von Sonnenlicht (Abkühlung), während möglicherweise auftretende Waldbrände zur Freisetzung von CO2 führen (Erwärmung). Fand der Einschlag auf See statt, so ist nach anfänglicher Abkühlung mit einer Aufheizung durch den Treibhauseffekt des Wasserdampfes zu rechnen.
2) Erdbahnparameter
a) Exzentrizität der Erdbahn: Sie verändert sich mit Perioden von 95.000 und 413.000 Jahren und verändert die saisonale Energieaufnahme der Erde, indem eine größere Exzentrizität die Insolationsunterschiede verstärkt. Veränderte Werte wirken sich dabei besonders auf die Klimazonierung der niedrigen Breiten aus. Bei geringer Exzentrizität wird die Wirkung der Neigung der Erdachse verstärkt.
b) Neigung der Erdachse gegenüber der Ekliptik ( = Schiefe der Ekliptik): Die Neigung der Erdachse ist gegenwärtig um 23°27' gegenüber der Ekliptik geneigt und verändert sich mit einer Periode von 41.000 Jahren. Der Parameter bestimmt die Menge der oberhalb des Polarkreises eingestrahlten Energie und besitzt daher besonders für das Klima der hohen Breiten Bedeutung. Ferner wird die Lage der breitenabhängigen Maxima und Minima der Energieaufnahme bestimmt. Das sich derzeit auf 66,5° N und S befindliche Minimum hat u.a. die Lage der Hauptvereisungszentren des Laurentischen sowie Skandinavischen Eisschildes während der Weichsel-Kaltzeit beeinflußt.
c) Präzession der Achsenneigung ( = Umlauf des Perihels = Präzession der Äquinoktien): Die Erdachse führt eine Rotation mit Perioden von etwa 19.000 und 23.000 Jahren durch, die auf der gravitativen Wechselwirkung der irdischen Äquatorwulst mit der Sonne beruht. Die Präzession besitzt einen großen Einfluß auf die Energieverteilung und bestimmt den Zeitpunkt des Perihels (derzeit am 3. Januar). Dessen Änderung hat die Präzession der Äquinoktien zur Folge, die festlegt, ob die aufgrund der Neigung der Erdachse ausgeprägten Jahreszeiten verstärkt oder abgeschwächt werden.
Die aus den drei zuletzt aufgeführten Parametern errechnete Insolationskurve wird als Milankovi

-Kurve bezeichnet.
3) Strahlungshaushalt
Albedo-Effekt: Der Albedo-Effekt wirkt verstärkend auf eine gegebene Klimasituation, denn bei Annahme schneebedeckter Polarregionen werden die Eiskappen wegen der erhöhten Albedo weiter aufgebaut bzw. erhalten. Werden die Polargebiete hingegen eisfrei, erniedrigt sich die Albedo und der Eisabbau wird unterstützt. Ebenso wird eine Vereisung eisfreier Pole erschwert.
4) Gashaushalt
a) H2O: Wasserdampf stellt das effektivste Treibhausgas dar, dessen Konzentration in der Atmosphäre streng temperaturabhängig verläuft. Da eine Erwärmung die Wasserdampfkonzentration erhöht, die ihrerseits das Absorptionsvermögen der Atmosphäre für die rückgestrahlte Infrarot-Strahlung erhöht, wirkt H2O selbstverstärkend bei Erwärmung. H2O ist jedoch in niedrigen Breiten angereichert, womit die Auswirkungen breitenabhängig sind.
b) CO2: CO2 wirkt wie H2O als effektives Treibhausgas, dessen Wirkung jedoch breitenunabhängig ist und damit die für die Entstehung von Eiszeiten wichtigen Polarregionen beeinflußt. In Eisbohrkernen wurde ein nahezu synchroner Verlauf von Daten von Sauerstoffisotopen und der CO2-Konzentration beobachtet und auf einen ursächlichen Zusammenhang von globalem Temperaturgang und atmosphärischem CO2-Gehalt geschlossen. Modellrechnungen ergaben, daß der CO2-Spiegel während des letzten Hochglazials jedoch nicht die gesamte Temperaturerniedrigung hervorgerufen haben kann, womit dem Gas hauptsächlich eine Verstärkerrolle für externe Faktoren zugesprochen wird. Zu berücksichtigen ist ferner die Wechselbeziehung des atmosphärischen CO2-Gehaltes mit Bioproduktion, terrestrischer Verwitterung und dem Stoffaustausch mit den Ozeanen.
5) geologische Faktoren
a) Eis-Isostasie: Durch die Auflast von Eisschilden gibt der Untergrund mit einer Verzögerung von mehreren Tausend Jahren isostatisch nach (Isostasie). Dadurch können distale Eisgebiete unter die Gleichgewichtslinie geraten und verstärkt abschmelzen. Die während eisfreier Perioden auftretende Anhebung von Plateaus (heute z.B. in Skandinavien zu beobachten) könnte deren Wieder-Vereisung begünstigen.
b) Paläogeographie: Für das globale Klima ist die Größe und Lage von Landmassen wesentlich, da sie Meeres- und Luftströmungen kontrollieren und damit den Energiehaushalt beeinflussen. Generell führen große Landmassen, wie z.B. früher Gondwana, global zu ungleichmäßiger Temperatur- und Niederschlagsverteilung, wodurch bei äquatornaher Lage des Kontinents ein Eisaufbau erschwert wird. Auf die Ausbildung von Eiszeitaltern könnten die orogenen Großzyklen (Wilson-Zyklus) einen Einfluß haben, indem verringerter Vulkanismus weniger CO2 freisetzt und Regressionen die zur Fixierung von CO2 durch Verwitterung nötigen Landflächen vergrößert. Demgegenüber scheinen geotektonisch aktive Zeiten mit warmem Klima einherzugehen, jedoch ist eine strenge zeitliche Korrelation nicht gegeben.
Neben diesen weltweiten Effekten sind eine Vielzahl regional und lokal wirkender Faktoren bekannt wie Plateau-Uplift, Rifting, Gebirgsgürtel u.a. Am Beispiel der Rolle des tibetischen Hochlandes konnte gezeigt werden, daß ein hochgelegenes Plateau den Eisaufbau fördert, indem die Abkühlung in den Aufbau großer Eisflächen umgesetzt wird und der Albedo-Effekt durch die Höhenlage verstärkt wird. Hingegen läßt ein hochgelegenes steiles Relief (wie in den Alpen) einen selbstverstärkenden, großflächigen Eisaufbau und -abbau nicht zu, da die Verlagerung der Schneegrenze nicht flächenwirksam umgesetzt wird. Ein flaches, tiefliegendes Relief fördert den Eisabbau, da eine Erwärmung zu großflächigem Eisrückzug führt.
c) Vulkanismus: Die Klimawirksamkeit vulkanischer Eruptionen hängt vom Chemismus der Eruptiva (besonders der Menge von Schwefel), der Jahreszeit und insbesondere von der Höhe der Eruptionswolke ab. Verbleibt sie innerhalb der Troposphäre, werden große Anteile der Asche und der Schwefelverbindungen rasch abgesetzt und die Auswirkungen sind regional. Gelangt die Eruptionswolke in die Stratosphäre, so bilden Asche und Schwefel hohe Aerosolwolken, die mehrere Jahre stabil bleiben können und abkühlend wirken.
6) Ozean
Der Ozean stellt eine wesentliche Komponente des Klimageschehens dar, da er einerseits die globale Energieverteilung durch Meeresströmungen reguliert und andererseits wichtige Treibhausgase aufnehmen oder freisetzen kann, wobei jeweils eine enge Kopplung von Atmosphäre und Ozean besteht. Die große Wärmekapazität und hohe Aufnahmefähigkeit für bestimmte Gase bewirkt allgemein eine Dämpfung externer Prozesse durch die Ozeane. Die Verlagerung von Strömungen wird dabei als wichtig für geänderte Temperatur- und Niederschlagswerte sowie atmosphärische Zirkulationsmuster während der Eiszeiten angesehen. Es besteht hierbei aufgrund eustatischer Meeresspiegelschwankungen mit Trockenfallen oder Überfluten von Meeresschwellen eine enge Wechselbeziehung zwischen Klima und Ozean.

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