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Ist ein über mehrere Jahrtausende stabiles Klima die Ausnahme?

Nach ersten Analysen der bisher längsten Eisbohrkerne, die kürzlich in Zentralgrönland gewonnen wurden, gab es nicht nur während der jüngsten Eiszeit immer wieder kurzfristige Erwärmungen, sondern in der Warmzeit davor ebenso plötzliche Kälteeinbrüche. Das stabile Klima der letzten 8000 Jahre erscheint demnach als seltener Glücksfall.


Vor etwas mehr als einem Jahr hat die im Rahmen des europäischen Greenland Icecore Project (GRIP) durchgeführte Kernbohrung durch den grönländischen Eisschild in 3028,8 Meter Tiefe das Felsbett erreicht ( Spektrum der Wissenschaft, Januar 1993, Seite 19). Diesen Sommer ist nun auch das amerikanische Parallelprojekt GISP-2 (Greenland Ice Sheet Project) rund 30 Kilometer westlich der europäischen Station in 3053,4 Meter Tiefe ans Ziel gelangt. Die Analysen der Bohrkerne, die Aufschluß über die Klima- und Umweltgeschichte der letzten 250000 Jahre geben sollen, dürften mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Die bisherigen Untersuchungen haben aber schon recht spektakuläre Ergebnisse gebracht.

Das Klimaarchiv im arktischen Eis


Schnee, der auf den Grönländischen Eisschild fällt, wird von nachfolgenden Niederschlägen überdeckt, verdichtet sich allmählich und sinkt immer tiefer ein; in dem Eis lassen sich die Ablagerungen der einzelnen Jahre wie Baumringe abzählen. Schichten aus einer der interessantesten Klimaepochen, dem Ende der letzten Eiszeit, findet man in rund 1700 Metern Tiefe. Bei diesem Klimawechsel vor etwas mehr als 10000 Jahren stieg die Temperatur weltweit im Durchschnitt um ungefähr fünf Celsiusgrade; eine Erwärmung in der gleichen Größenordnung wird bis Ende des nächsten Jahrhunderts prognostiziert, weil der fortgesetzte Ausstoß von Gasen wie Kohlendioxid, welche die Wärmeabstrahlung der Erde hemmen, den atmosphärischen Treibhauseffekt verstärkt.

Aufschluß über die Temperatur zur Zeit des Schneefalls gibt das Verhältnis der beiden Sauerstoff-Isotope in den Wassermolekülen des Eises. Einerseits tritt nämlich beim Verdunsten von Meerwasser bevorzugt das leichtere Isotop in die Atmosphäre über, andererseits regnet beim Kondensieren überwiegend das schwerere aus. Da nun bei niedrigen Temperaturen mehr Feuchtigkeit aus der Atmosphäre auskondensiert, bevor der Wasserdampf bis zu den polaren Breiten gelangt und sich dort als Schnee niederschlägt, ist das leichtere Sauerstoff-Isotop um so stärker im Eis angereichert, je kälter das Klima ist.

Mit diesem Verfahren war schon anhand von früher gewonnenen Eisbohrkernen in hohen nördlichen Breiten der Klimaverlauf am Ende der letzten Eiszeit rekonstruiert worden. Demnach ist die Temperatur von ihrem tiefsten Wert vor 20000 Jahren in den folgenden drei Jahrtausenden zunächst leicht gestiegen und dann wieder etwas gesunken. Etwa 14500 Jahre vor der Gegenwart machte sie plötzlich einen Sprung um rund fünf Grad nach oben; anschließend nahm sie nach und nach wieder ab, so daß vor 12700 Jahren das Klima erneut eiszeitlich wurde. Diese Kaltphase ist als jüngere Dryas, die Warmphase davor als Bølling-Alleröd bekannt. Schließlich brachte ein neuerlicher jäher Temperaturanstieg um sieben Grad den endgültigen Übergang in die heutige Warmzeit.

Hinweise auf diese dramatischen Temperaturfluktuationen finden sich auch in europäischen Pollenprofilen, die von der Vegetation auf das Klima schließen lassen, und in Sedimenten von Seen.

Man nimmt an, daß periodische Änderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne für den Wechsel zwischen Eis- und Warmzeiten im Rhythmus von ungefähr 100000 Jahren verantwortlich sind (Spektrum der Wissenschaft, April 1984, Seite 84). Ihr Effekt auf die Verteilung der Sonneneinstrahlung ist allerdings sehr gering und muß durch einen oder mehrere Mechanismen kräftig verstärkt werden, um markante Klimaänderungen zu bewirken. Dabei spielt sicherlich das Absinken von abgekühltem, salzreichem Oberflächenwasser im Nordatlantik und eine damit verbundene Zirkulationsströmung des ganzen Ozeans eine wichtige Rolle (Spektrum der Wissenschaft, März 1990, Seite 88).

Neue Erkenntnisse über
das Ende der letzten Eiszeit

Schon die Ergebnisse der ersten Untersuchungen an den beiden neuen Eisbohrkernen aus Zentralgrönland verleihen dem bisherigen Bild vom Ende der Eiszeit wesentlich schärfere Konturen. So erlauben sie, den Zeitpunkt der beiden jähen Erwärmungen nun mit einer Genauigkeit von 200 Jahren auf 14500 und 11600 Jahre vor der Gegenwart zu bestimmen. Zugleich erschließen sie zahlreiche Details der damaligen Klimakapriolen (Bild 1).

Demnach muß eine während des Sommers verstärkte Sonneneinstrahlung in hohen nördlichen Breiten dafür gesorgt haben, daß im Nordatlantik auf einmal wesentlich größere Mengen Oberflächenwasser absanken, weil sich sein Salzgehalt und damit sein spezifisches Gewicht durch Verdunstung erhöhte, während die Wassertemperatur wegen der weiterhin kalten Winter niedrig blieb. Dafür strömte an der Oberfläche aus niedrigen Breiten Ozeanwasser nach und transportierte große Wärmemengen in den nordatlantischen Raum, so daß die Temperatur dort sprunghaft anstieg.

Durch die veränderten Strömungsverhältnisse im Ozean erhöhte sich zugleich der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre, weil die biologische Kohlenstoffpumpe, bei der absterbende planktonische Organismen das während ihrer Lebenszeit assimilierte CO2 aus oberflächennahen in tiefe Ozeanschichten befördern, weniger effizient arbeitete (Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1993, Seite 24). Dies verstärkte über den Treibhauseffekt die Erwärmung und ließ auch in der südlichen Hemisphäre die Temperaturen ansteigen.

Durch das plötzlich einsetzende Tauwetter flossen allerdings vom schmelzenden nordamerikanischen Eisschild große Mengen Süßwasser in den Nordatlantik und verdünnten das Oberflächenwasser mit der Zeit derart, daß seine Dichte zu gering wurde, als daß es noch hätte absinken können, und die Ozeanzirkulation stockte. So brach vor 12800 Jahren die Kälteperiode der Jüngeren Dryas herein. Erst als der Schmelzwasserfluß versiegte und die Sommer-Sonneneinstrahlung im hohen Norden sich noch verstärkte, kam vor rund 11600 Jahren die Ozeanzirkulation wieder in Gang und bewirkte im Raum um den Nordatlantik erneut eine sprunghafte Erwärmung.

Verblüffend ist vor allem, wie rasch das Klima jeweils wechselte. Nach den neuen Ergebnissen fand fast der gesamte Temperaturanstieg in weniger als einem Jahrzehnt statt. Parallel dazu nahm in Zentralgrönland die Niederschlagsmenge drastisch zu: Sie verdoppelte sich in nur drei Jahren. Das heißt aber, daß sich auch im Quellgebiet der Niederschläge, das hauptsächlich in den Subtropen liegt, das Klima stark verändert haben muß.

Trotzdem bleibt die Frage, ob episodenhafte Klimaänderungen wie der Kälteeinbruch der jüngeren Dryas wirklich globale oder vielleicht doch nur lokal beschränkte Ereignisse waren. So findet man zwar deutliche paläobotanische Hinweise auf den Kälteeinbruch in Europa und an der Ostküste Nordamerikas, nicht aber im Westen dieser Kontinentalmasse. Im Einklang damit war die mittlere Ammonium-Konzentration im Eis, in der man ein Maß für die biologische Aktivität in weiten Teilen des nordamerikanischen Kontinents sieht, in der Eiszeit sehr gering, stieg vor 14500 Jahren an und blieb während der Kälteperiode der jüngeren Dryas auf relativ hohen, nacheiszeitlichen Werten.

Dagegen spiegelt die Konzentration von Methan, das von Sümpfen und anderen Feuchtgebieten sowie von wiederkäuenden Säugetieren abgegeben wird, sehr wohl den nochmaligen Kälteeinbruch wider: Sie verdoppelte sich vor 14500 Jahren, fiel aber während der jüngeren Dryas wieder auf fast eiszeitliche Werte ab. Als Ursache vermutet man eine Änderung des Wasserhaushaltes der Feuchtgebiete in mittleren und subtropischen Breiten. Demnach waren zwar die Temperaturschwankungen im Raum um den Nordatlantik wohl am stärksten ausgeprägt; aber mit Sicherheit haben sich zugleich weltweit die atmosphärische Zirkulation und vor allem die Niederschlagsraten verändert.

Etwas enttäuschend sind die bisherigen Ergebnisse der CO2-Analysen. Sie bestätigen zwar den Anstieg der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration am Ende der letzten Eiszeit, zeigen aber so große zufällige Schwankungen, daß sich noch nicht entscheiden läßt, ob dieser Anstieg auf die plötzliche Erwärmung vor 14500 Jahren folgte oder ihr vorausging.

Die jüngere Dryas ist eine Schlüsselepoche zum Verständnis der globalen Klimamechanismen. Tatsächlich zeigt der Temperaturverlauf, wie ihn die jetzt gewonnenen Bohrkerne im Einklang mit früheren Eisanalysen wiedergeben, daß es während der Eiszeit mehrere ähnlich große und schnelle Klima-Umschwünge gab (Bild 2). Bis anhin glaubte man allerdings, daß sie mit der Existenz der großen Eisschilde in Nordamerika und Fenno-Skandinavien zusammenhingen und somit nur während Eiszeiten vorkämen. Es war deshalb eine große Überraschung, als der viel weiter in die Vergangenheit zurückreichende GRIP-Bohrkern enthüllte, daß die letzte Warmzeit – in Europa Eem genannt – gleichfalls von solchen abrupten Klimaschwankungen geprägt war.

Das Eem begann vor rund 135000 und endete vor etwa 115000 Jahren. Da die mittlere globale Temperatur damals rund zwei Grad höher lag als heute, wird diese Zwischeneiszeit oft als historisches Gegenstück einer durch den anthropogenen Treibhauseffekt erwärmten Erde betrachtet. Nach den Befunden am GRIP-Bohrkern aber wurde auch damals das warme Klima häufig durch plötzliche, dramatische Kälteeinbrüche gestört, die zwischen 75 und 5000 Jahre dauerten. Die längste Periode mit ähnlich stabilen Temperaturverhältnissen, wie sie in den letzten 8000 Jahren herrschten, gab es nur während rund 2000 Jahren gegen Ende des Eem. Demnach könnten die gleichbleibenden Temperaturen in historischer Zeit eher eine Ausnahme und Klimaschwankungen auch in einer warmen Phase möglich sein.

Dies wirft ein neues Problem für das Verständnis der globalen Klimamechanismen auf; denn die oben skizzierte Erklärung für schnelle Klimaschwankungen ist auf Kaltzeiten beschränkt. Es ist somit eine große Herausforderung für die Wissenschaft, die Ursache der rapiden Fluktuationen im Eem zu ermitteln und zu klären, ob mit solchen Temperaturschwankungen und ihren Folgen auch ab Mitte des nächsten Jahrhunderts zu rechnen ist, wenn sich die Erdoberfläche durch den verstärkten Treibhauseffekt vermutlich deutlich erwärmt haben wird.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1993, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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