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Bodentemperatur und Klimawandel

In Bohrungen, die in die kontinentale Kruste niedergebracht worden sind, lassen sich gleichsam fossile Temperaturen messen, die Aufschluß über das Klima vergangener Zeiten geben. Die Ergebnisse sind allerdings mit Vorsicht zu interpretieren.

Wird das Klima der Erde allmählich wärmer? Für diese Annahme sprechen überzeugende Indizien. Den meteorologischen Aufzeichnungen zufolge ist die mittlere Temperatur der Atmosphäre in den letzten hundert Jahren um etwas mehr als ein halbes Grad gestiegen. Analysen konservierter Luft-Einschlüsse und andere Befunde zeigen, daß in dieser Zeit auch die Konzentration der sogenannten Treibhausgase, die einen Teil der von der Erde abgestrahlten Wärme zurückhalten, zugenommen hat. Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre ist um mehr als 20 Prozent gestiegen, der Methananteil hat sich etwa verdoppelt (siehe „Veränderungen der Atmosphäre“ von Thomas E. Graedel und Paul J. Crutzen, Spektrum der Wissenschaft, November 1989, Seite 58).

Es liegt nahe, hier einen kausalen Zusammenhang zu vermuten; doch einen strengen Beweis dafür hat man nicht. Denkbar wäre, daß der Anstieg der Temperatur und die Zunahme der Treibhausgase nur zufällig zeitlich zusammenfallen und daß die beiden Variablen langfristig nichts miteinander zu tun haben (siehe „Die große Klima-Debatte“ von Robert M. White, Spektrum der Wissenschaft, September 1990, Seite 72).

Wie kann die Klimakunde diese Frage klären? Eine Hälfte der erforderlichen Daten ist leicht zu gewinnen: Im Eis der Polkappen und der Gletscher eingeschlossene Luftblasen dokumentieren über Jahrtausende die unterschiedliche Zusammensetzung der Atmosphäre. Schlechter steht es um die Geschichte der Temperaturen. Aufzeichnungen großräumiger meteorologischer Daten reichen nicht länger als etwa 150 Jahre zurück; die südliche Hemisphäre begann man erst in unserem Jahrhundert überregional zu erfassen, und bis vor wenigen Jahrzehnten wurden die Polarregionen nur äußerst lückenhaft beobachtet (siehe „Die Erwärmung der Erde seit 1850" von Philip D. Jones und Tom M.L. Wigley, Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1990, Seite 108).

Dennoch birgt die Erde ein aufschlußreiches Temperatur-Archiv – man muß es nur an der richtigen Stelle suchen: Der Boden konserviert Trends der Abkühlung und Erwärmung, aus denen sich das Klima vergangener Jahrhunderte rekonstruieren läßt.

Dieses Archiv existiert im Prinzip überall auf den Kontinenten und kann ganz einfach erschlossen werden, indem man eine Bohrung niederbringt, ein empfindliches Thermometer in das Bohrloch einführt und dadurch ein auf die Tiefe bezogenes Temperaturprofil erhält. Zwar sind noch viele Hindernisse zu überwinden, bis sich daraus eindeutig die früheren Temperaturen an der Erdoberfläche ermitteln lassen; doch die Geothermie-Forscher sind zuversichtlich, daß sie den im Untergrund verborgenen Text zu entziffern vermögen.

Eine Zufallsentdeckung

Einige Geophysiker, die seit mehr als drei Jahrzehnten systematisch unterirdische Temperaturen registrieren, haben damit schon begonnen – wenn auch eher durch einen glücklichen Zufall. Ursprünglich wollten sie den geothermischen Gradienten bestimmen (den Temperaturzuwachs pro Tiefeneinheit) und den zugehörigen Wärmefluß aus der Erdkruste messen. Wie kürzlich erkannt, spiegelt das vermeintlich regellose Rauschen, das die Temperaturdaten bis zu einigen hundert Metern Tiefe zu stören scheint, tatsächlich externe Faktoren wider – und gerade auch Klimaänderungen modifizieren die Temperatur im obersten Teil der Kruste.

Einen der ersten Hinweise, daß solche Meßreihen nützliche Zusatzinformationen enthalten, fanden Ende 1986 Arthur H. Lachenbruch und B. Vaughn Marshall vom U.S. Geological Survey. Sie wurden darauf aufmerksam, daß bei mehreren Bohrlöchern in Alaska die oberflächennahe Störung der Temperaturprofile einem gemeinsamen Muster folgt; es paßt zu der Hypothese, der obere Permafrostboden habe sich im Laufe des 20. Jahrhunderts um zwei bis vier Grad erwärmt. Zwar meinten Lachenbruch und Marshall nicht als erste, die veränderlichen Bedingungen an der Erdoberfläche hätten tiefergehende Effekte; aber sie machten ihre Entdeckung gerade zu der Zeit, als die Geowissenschaftler sich allenthalben für die Möglichkeit einer globalen Erwärmung zu interessieren begannen.

Gut ein Jahr später tauschten wir uns auf einem Treffen der Amerikanischen Geophysikalischen Vereinigung über gleiche Befunde an vielen anderen Bohrlöchern aus. Seither suchen wir und mehrere andere Geothermie-Forscher auf diese Weise den regionalen Temperaturwandel im Laufe der Jahrhunderte zu erschließen.

Der Wärmefluß

Um zu verstehen, wie die Erde die Abfolge der Oberflächentemperaturen speichert, muß man bei der Theorie des Wärmeflusses beginnen. Das Krustengestein leitet Wärme langsam, indem energiereichere Moleküle ihre Nachbarn anstoßen und ungeordnete Bewegungsenergie auf sie übertragen (auch Grundwasserströme können Wärme transportieren, und darum müssen die Klimaforscher Gebiete meiden, wo dieser raschere Effekt sich auswirkt). Diese Wärmeleitung wird augenfällig, wenn man einen Metallstab in eine Flamme hält: Nicht nur das erhitzte Ende selbst beginnt zu leuchten, sondern nach einiger Zeit glüht auch der angrenzende Bereich. Taucht man danach das heiße Ende in Eiswasser, so wandert hinter der Wärmewelle eine Abkühlungswelle durch den Stab. Genauso pflanzen sich Schwankungen der irdischen Oberflächentemperaturen in tiefere Gesteinsschichten fort (Bild 1).

In geringen Tiefen beträgt der Zeitverzug nur einige Wochen bis Monate – daher die alte Bauernregel „Der Frühling treibt den Frost nach unten“. Während im Frühjahr der Boden wärmer wird, dringen die niedrigeren Wintertemperaturen noch weiter in den Untergrund; sie lassen sich nun in einigen Metern Tiefe nachweisen (Bild 2). Auf dem Weg nach unten schwächen sich kurzwellige Fluktuationen schneller ab als längere und verschwinden schließlich. Der Wechsel von Tageswärme und Nachtkühle beeinflußt lediglich den obersten Meter Boden oder Gestein, und die jahreszeitliche Temperaturschwankung kommt nur rund 15 Meter weit; hingegen läßt sich ein Jahrhundert-Zyklus noch in etwa 150 Metern Tiefe beobachten, ein Jahrtausend-Zyklus in 500 Metern. Auf diese Weise speichert die Erde selektiv die langfristigen Trends und puffert kurzfristige Abweichungen ab – für ein Klima-Archiv eine ausgezeichnete Eigenschaft (Bild 3).

Außerdem sind die quasi fossilisierten Trends leicht zugänglich. Da die thermischen Signale sich langsam fortpflanzen, haben sich im allgemeinen sämtliche generellen Umschwünge der Oberflächentemperatur während der letzten tausend Jahre den obersten 500 Metern der Erdkruste eingeprägt, und diese Tiefe läßt sich mit kostengünstigen Bohrungen erreichen.

Der Temperaturgradient

Bei der Interpretation eines Temperaturprofils muß man zunächst das thermische Signal der durch die Kruste emporsteigenden Erdwärme identifizieren, um es vom klimatischen Signal abtrennen zu können. In Gebieten mit nur einem Gesteinstyp sind für den geothermischen Wärmefluß Temperaturen typisch, die mit zunehmender Tiefe stetig ansteigen. Dieser konstante Gradient setzt im allgemeinen einige hundert Meter unter der Oberfläche ein.

Wäre das Klima der Erde unveränderlich, würde dieses lineare Profil sich bis zur Oberfläche erstrecken. Folglich können die Geophysiker, indem sie es extrapolieren, die Temperatur angeben, die in geringen Tiefen ohne Störung herrschte. Die Differenz zwischen der so errechneten fiktiven und der tatsächlichen Oberflächentemperatur gibt den Betrag der klimatischen Erwärmung oder Abkühlung an. Außerdem hängt die Tiefe, in der das gemessene Profil vom ungestörten geothermischen Gradienten abweicht, mit dem Zeitpunkt zusammen, zu dem der Klimawechsel begonnen hat. Im Detail gibt der Vergleich von extrapolierter und gemessener Kurve Aufschluß über Tempo und Ausmaß der Veränderungen; beispielsweise sollte sich eine kurze Erwärmungsphase, die auf ein ausgedehntes kühles Intervall folgt, durch abnorm hohe Temperaturen in Oberflächennähe und abnorm niedrige Meßwerte in größeren Tiefen bemerkbar machen.

Unter günstigen Bedingungen zeichnet sich ein Klimawandel auch erstaunlich gut ab. Im Jahre 1990 analysierte Timothy J. Chisholm, damals graduierter Student an der Universität von Utah in Salt Lake City, sechs Temperaturprofile. Die Bohrungen waren 1978 in der Wüste des westlichen Utah eigens für thermische Messungen niedergebracht worden, weil es dort praktisch keine Störungen durch Oberflächenstrukturen, Flüsse, Seen, Schneedecke oder menschliche Tätigkeit gab und im Umfeld sieben meteorologische Stationen seit 1891 die Lufttemperatur aufgezeichnet hatten.

Chisholms Ergebnissen zufolge hat sich das Gebiet generell erwärmt. Fünf Temperaturprofile deuten auf einen mittleren Anstieg um 0,4 Grad innerhalb der letzten Jahrzehnte hin, eines zeigt eine Abkühlung um 0,8 Grad an. An jedem Standort stimmen die unterirdisch gemessenen Daten eng mit den an der nächstliegenden Wetterstation registrierten Lufttemperaturen überein; auch jener, dessen Werte auf eine kürzliche Abkühlung hinweisen, liegt der einzigen Wetterstation der Region am nächsten, wo die mittleren Lufttemperaturen in den letzten hundert Jahren tatsächlich gefallen sind. Chisholm konstruierte außerdem fiktive Profile aus dem bekannten geothermischen Wärmefluß und den meteorologischen Daten; sie sind den in den nächstliegenden Bohrlöchern gemessenen auffallend ähnlich (Bild 4).

Die gute Übereinstimmung ist zwar ermutigend, doch bildet sie eher die Ausnahme. Unterirdische Temperaturen können zwar die thermische Geschichte der festen Erdoberfläche getreulich dokumentieren, aber die Meteorologen interessieren sich meist mehr für die Lufttemperatur. Die thermische Kopplung zwischen Atmosphäre und Boden ist ein komplizierter Prozeß, und das Temperatursignal, das der Boden aufnimmt, ist oft schon eine gefilterte Version der Vorgänge in der Lufthülle.

Luft- und Bodentemperatur

Insbesondere wirkt eine hohe Schneedecke als Isolator. Im Herzen Kanadas etwa, wo es ausgiebig schneit, kann die Luft sich im Winter auf minus 20 Grad abkühlen, während die Bodentemperatur um den Gefrierpunkt pendelt. Die sommerliche Hitze wird hingegen unter die Oberfläche weitergeleitet.

In noch höheren Breiten wird der eigentliche Dauerfrostboden von der Luft sowohl durch den Schnee getrennt als auch durch jene Schicht, die jedes Jahr auftaut und gefriert. Obwohl der permanent gefrorene Grund die Schwankungen der Oberflächentemperatur hervorragend aufzeichnet, muß man erst die komplizierte Wärmeleitung durch diese aktive Schicht verstehen, um die Effekte eines Klimawandels entdecken zu können.

Wiederum andere Komplikationen treten in gemäßigten und tropischen Regionen auf. Feldfrüchte oder schattenspendende Bäume isolieren den Boden von sommerlicher Hitze, nach der Ernte beziehungsweise dem Laubfall lassen sie ihn aber abkühlen. Auch Grundwasserströme beeinflussen die Temperaturen im Boden.

Und noch unübersichtlicher wird das Bild dort, wo der Mensch Einfluß genommen hat. Durch Abholzen von Wäldern zur Gewinnung von Weide- und Ackerland wird der Boden stärker der Sonne ausgesetzt. Durch das Entwässern oder Zuschütten von Sümpfen entfällt Verdunstungskälte. Auch die Urbanisierung hat Erwärmung des Grundes zur Folge – das Stadtklima ist nachts und im Winter milder als das des Freilands in der Umgebung (Spektrum der Wissenschaft, August 1985, Seite 66). In den letzten hundert Jahren haben sich viele derartige Umweltveränderungen ausgebreitet; sie können die im lokalen unterirdischen Archiv gespeicherten globalen Temperaturschwankungen je nachdem größer erscheinen lassen oder verdecken.

Außerdem verursachen einige Eigenschaften der örtlichen Topographie und des Wasserhaushalts unterirdische Temperaturabweichungen, aus denen man fälschlich auf regionale Klimaveränderungen schließen kann. Im allgemeinen nimmt der geothermische Gradient unter Tälern zu und unter Bergen ab. Beide Effekte vermindern sich weiter unten, doch bei Messungen in geringen Tiefen muß man sie berücksichtigen. Das Kühlwasser von Kraftwerken verhindert, daß Flüsse im Winter zufrieren. Ebenso können Grundwasserströme oberflächliche Temperaturänderungen vortäuschen.

Zwar mögen solche Störungen für jemanden entmutigend sein, der eine simple Beziehung zwischen Bohrloch-Messungen und Klimawandel herstellen will, doch die meisten lassen sich modellhaft darstellen und ungefähr abschätzen. Oft kann man das unterirdische Temperaturprofil in Kenntnis dieser Effekte korrigieren. Zudem ist das geothermische Archiv nicht auf eine einzige Bohrung beschränkt: Um eine echte Veränderung herauszufinden, sollte man Profile aus einem Umkreis von einigen hundert Kilometern prüfen; es ist höchst unwahrscheinlich, daß bei allen Bohrungen Topographie, Vegetation, geologische Struktur und hydrologische Merkmale genau gleich sind. Darum läßt sich ein übereinstimmendes Temperaturmuster mit hoher Sicherheit dem Klima zuschreiben.

Erste Ergebnisse

Einige geothermische Datensätze aus Nordamerika sind bereits untersucht worden. Wie erwähnt, hat Lachenbruchs Team für das arktische Alaska deutliche Indizien für eine Erwärmung gefunden: Die Temperaturprofile von Permafrostböden und Gestein aus einem 500 Kilometer großen Gebiet zeigen in den oberen 100 bis 150 Metern eine anomale Wärmephase an; deren Beginn scheint zwar von Ort zu Ort zu variieren, aber fast überall begann sie in unserem Jahrhundert.

Für den Temperaturanstieg um zwei bis vier Grad war wenig zusätzliche Wärme erforderlich – sie entspricht nur etwa 0,2 Prozent der jährlichen Sonneneinstrahlung in dieser Gegend Nord-Alaskas. Diese Schwankung ist viel zu gering für einen direkten Nachweis, doch in den geothermischen Daten zeichnet sie sich klar ab. Der regionale Anstieg liegt zwar deutlich über der weltweiten mittleren Erwärmung in diesem Jahrhundert, stimmt aber gut mit meteorologischen Aufzeichnungen aus der Polarregion überein.

Über die kanadischen Provinzen Ontario und Quebec sowie die nördlichen Great Plains verstreute Bohrungen dokumentieren eine schwächere, aber ebenso deutliche Erwärmung. Unabhängig davon haben Hugo Beltrami und Jean-Claude Mareschal von der Universität von Quebec in Montreal, Kelin Wang, Trevor Lewis und Alan Jessop vom Geological Survey of Canada sowie Paul Shen und Alan E. Beck von der Universität von West-Ontario in London (Kanada) eine Erwärmung von im Mittel ein bis zwei Grad innerhalb der letzten 100 bis 150 Jahre nachgewiesen; dabei handelt es sich anscheinend teilweise um die Erholung von einer früheren Abkühlungsphase, die ein oder zwei Jahrhunderte währte und zwischen 1850 und 1900 zu Ende ging. Überdies hat William D. Gosnold von der Universität von Nord-Dakota in Grand Forks auf einen Anstieg der Oberflächentemperatur um rund zwei Grad in Nord-Dakota und Wyoming geschlossen.

Daten aus dem südlichen Süd-Dakota und aus Nebraska zeigen hingegen kaum eine Veränderung während der letzten 100 Jahre; das gleiche gilt für unsere Analyse von Profilen aus der Wüste von West-Utah. Dies stimmt mit Klimamodellen überein, denen zufolge eine globale Erwärmung in hohen Breiten am stärksten ausgeprägt ist, während sie sich in einigen gemäßigten Regionen wenig oder überhaupt nicht bemerkbar macht (Bild 5).

Diese vorläufigen Ergebnisse – zumeist aus Nordamerika – belegen, daß man örtliche und zeitliche Schwankungen der Oberflächentemperatur in groben Umrissen zumindest für die letzten hundert Jahre aus Messungen im Boden zu rekonstruieren vermag. Neuesten Arbeiten zufolge läßt sich das unterirdische Klima-Archiv sogar noch weiter zurückverfolgen und fast überall auf der Erde erschließen.

Bei zahlreichen Bohrungen in Europa, Nordamerika und Grönland haben die Forscher die Spur einer mehrere Jahrhunderte währenden Abkühlungsperiode gefunden, die je nach Ort im 15. oder 16. Jahrhundert begann und im 19. Jahrhundert endete. Diese Daten stehen in Einklang mit zeitgenössischen Berichten und anderen Indizien für die sogenannte Kleine Eiszeit, in der an vielen Stellen die Gletscher vordrangen. Wenngleich für ältere Epochen die rekonstruierte Geschichte der Oberflächentemperaturen detailärmer wird, erlaubt sie dafür eine immer bessere Schätzung der langfristigen Durchschnittstemperatur für die betreffende Region.

Weltweite Untersuchungen

Durch die bisherigen Ergebnisse ermutigt, haben die Geophysiker mit einem konzertierten Projekt begonnen, um mehr unterirdische Klimadaten zu sammeln, und zwar zunächst durch Auswerten der vorhandenen Unterlagen. Im Herbst 1991 richtete die Internationale Wärmefluß-Kommission – eine Vereinigung von Geothermie-Forschern unter der Schirmherrschaft der Internationalen Gesellschaft für Seismologie und Physik des Erdinnern – dafür eine neue Arbeitsgruppe ein; sie soll die Messungen aus Tausenden von Bohrungen, die in den letzten dreißig Jahren für Forschungszwecke oder auf der Suche nach Mineralien niedergebracht worden sind, vergleichbar machen und zusammenfassen. Diese ursprünglich zum Verständnis globaler tektonischer Vorgänge gesammelten Daten werden dann die Grundlage für eine weltweite Analyse der historischen Temperaturtrends bilden.

Wie man sich denken kann, sind die Aufzeichnungen nicht gleichmäßig verteilt. In den nördlichen Kontinenten hat man intensiver gebohrt und gemessen als auf der Südhalbkugel (Bild 6). Empfindliche Lücken gibt es in so wichtigen Gebieten wie dem Amazonas-Becken, der Sahara und der Antarktis. Die verfügbaren Daten lassen sich erst optimal nutzen, wenn man dort gezielt zusätzliche Bohrungen durchführt.

Außerdem wird erwogen, vorhandene Bohrlöcher nochmals zu untersuchen, um direkt festzustellen, wie sich die unterirdischen Temperaturen in den vergangenen Jahrzehnten verändert haben. Die Orte in entlegenen Gegenden wiederzufinden ähnelt oft der sprichwörtlichen Suche nach einer Nadel im Heuhaufen, aber unmöglich ist es nicht. Beispielsweise haben wir kürzlich zusammen mit Edward R. Decker von der Universität von Maine in Orono Bohrlöcher in New England inspiziert, die man in den sechziger Jahren für geothermische Forschungen angelegt hatte.

Die wichtigste Aufgabe bei einer solchen Analyse der aktuellen Entwicklung ist, möglichst viele weit verteilte Quellen zusammenzufassen, denn den meteorologischen Aufzeichnungen zufolge sind die Lufttemperaturen im Laufe des 20. Jahrhunderts regional erheblich voneinander abgewichen: In manchen Gegenden gab es eine Erwärmung über den weltweiten Durchschnitt, in anderen lag die Erwärmung darunter, und einige Regionen haben sich sogar abgekühlt. In keinem Gebiet entsprechen die Daten genau dem globalen Mittelwert.

Zudem braucht man, um die jüngste Klimageschichte der Erde vollständig zu rekonstruieren, mehr als nur die einstigen Oberflächentemperaturen. Zum Klima gehören auch Art und Menge des Niederschlags, Windverhältnisse und viele andere Variablen. Einige dieser Faktoren lassen sich aus den unterschiedlichsten Quellen erschließen – etwa aus dem Baumringwachstum mittels Dendrochronologie, den Mustern des Korallenwachstums, den Schichten in Gletschereis-Bohrkernen, den Sedimenten von Seen und Ozeanen sowie aus historischen, kommerziellen und landwirtschaftlichen Aufzeichnungen. Die Klimakunde steht nun vor der schwierigen Aufgabe, diese Vielfalt regionaler Beobachtungen zu einem globalen Bild zusammenzufügen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1993, Seite 68
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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