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Wie die Sahara zur Wüste wurde

Vor rund 8000 Jahren war die Sahara grüner als heute. Dies konnten Potsdamer Forscher mit einem neuen Computermodell nachvollziehen, das die Rückkopplung zwischen Vegetation und Klima berücksichtigt. Die Simulation ergab zugleich, daß der Mensch nicht die Hauptschuld an der Wüstenbildung in Nordafrika trägt.


Kinofreunde werden sie kennen: die "Höhle der Schwimmer" – für Paläoklimatologen der eigentliche Star von "Der englische Patient", obwohl der Film nicht das Original zeigt. Dieses befindet sich im Gilf Kebir, einem unzugänglichen Sandsteinplateau von der Größe Korsikas im Südwesten Ägyptens. An den Wänden des grottenartigen Abris finden sich Felszeichnungen, die offensichtlich schwimmende Menschen darstellen (Bild) – schwer vorstellbar in der unwirtlich kargen Wüstenregion. Demnach muß das örtliche Klima in der Vergangenheit milder und regenreicher gewesen sein.

Dies bestätigen auch viele andere eindrucksvolle Fels- und Höhlenmalereien inmitten der Sahara in einem breiten Gürtel von Algerien bis in den Sudan (Bild auf Seite 22). Sie zeigen eine reiche Flora und Fauna – Elefanten, Strauße, Gazellen – sowie Viehmärkte und Großwildjagden. Archäologen datieren die Malereien auf etwa 4000 bis 6000 vor Christus.

Ferner wurden Kalkablagerungen alter, seit einigen tausend Jahren ausgetrockneter Seen und Flüsse gefunden; sie erlauben sogar, Schwankungen des Wasserstandes zu ermitteln und damit auf den Regenreichtum der vergangenen Zeiten rückzuschließen. Auch Pollen, Makrofossilien und Holzkohlereste deuten darauf hin, daß die Sahara zumindest bis vor 6000 Jahren in weiten Bereichen eine grüne Steppe mit Flüssen und Seen war, in deren Umgebung sogar dichte Wälder wuchsen.

Warum bedeckten damals Pflanzen einen großen Teil der heutigen Wüste, und warum sind sie wieder verschwunden? War vielleicht sogar der Mensch schuld an der erneuten Desertifikation?

Das Ergrünen der Sahara fällt weitgehend mit dem Ende der letzten Eiszeit zusammen, die vor ungefähr 23000 bis 17000 Jahren ihren Höhepunkt erreichte. Vor etwa 8000 bis 6000 Jahren hatten sich die großen Eisdecken auf ihre jetzige Ausdehnung zurückgezogen, und das Klima war in vielen Regionen der Erde deutlich milder als heute, weshalb diese Periode auch als holozänes Klimaoptimum bezeichnet wird. Auf diese Warmphase folgte wieder ei-ne allmähliche Abkühlung, die bis in das 19. Jahrhundert fortdauerte.

Letztendlich lassen sich die Wechsel zwischen den Eiszeiten und Warmphasen der vergangenen ein bis zwei Millionen Jahre zum großen Teil auf kleine periodische Schwankungen in der Erdbahn um die Sonne zurückführen (siehe "Erdbahn und Eiszeiten", Spektrum der Wissenschaft, 4/1984, S. 84). Die Erde rotiert wie ein Kreisel. Die anderen Planeten und unser Mond üben Kräfte auf sie aus, die nicht in ihrem Schwerpunkt angreifen. Dadurch entstehen Drehmomente, die den Erd-Kreisel taumeln lassen. Wegen dieser Präzession ändert sich die Exzentrizität der Erdbahn um die Sonne mit einer Periode von etwa 100000 Jahren. Auch die Neigung der Erdachse schwankt im Rhythmus von 41000 Jahren. Außerdem wandert das Perihel, der sonnennächste Punkt der Erdbahn, im Jahreskalender mit einer Doppelperiode von 23000 und 19000 Jahren.

Im holozänen Klimaoptimum war die Erdachse um einige zehntel Grad stärker geneigt als heute, und das Perihel lag im September (heute fällt es in den Januar). Das beeinflußte auch die regionale und saisonale Verteilung der Sonneneinstrahlung. So erhielt die Nordhalbkugel im Sommer mehr und im Winter weniger Energie als heute. Die stärkere Erwärmung des eurasischen Kontinents in der heißen Jahreszeit intensivierte den asiatischen und afrikanischen Sommermonsun. Demnach sollte in Nordafrika mehr Regen gefallen sein – in Einklang mit den Paläodaten.

Versucht man diese Überlegungen mit Klimamodellen zu quantifizieren, wird man allerdings enttäuscht: Sämtliche Modelle liefern zwar einen stärkeren Sommermonsun im holozänen Optimum, doch die zusätzlichen Niederschläge würden für ein Ergrünen der Sahara nicht ausreichen (Bild oben auf Seite 24). Offenbar fehlt ein wesentlicher Faktor.

Herkömmliche Klimamodelle simulieren im wesentlichen die atmosphärische Zirkulation und die ozeanischen Strömungen. Dabei werden die heutigen Verhältnisse an der Landoberfläche zugrunde gelegt – im Fall der Sahara also die Wüste in ihrer heutigen Ausdehnung. Mit steigenden Niederschlägen beginnt sich aber eine Vegetation zu entwickeln. Sie ist anfangs zwar sicher nur karg; doch könnte sie auf die atmosphärische Zirkulation zurückwirken und so die Klimaänderung verstärken.

Um dies zu prüfen, hat unsere Gruppe am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung in den vergangenen Jahren ein neues Klimamodell entwickelt, das auch die Dynamik der Vegetation beschreibt. Außerdem können wir durch geschickte Vereinfachungen Simulationen der Klimaentwicklung über viele Jahrtausende hinweg innerhalb weniger Tage auf einer Workstation durchführen (siehe "Eiszeitsimulation im Computer", Spektrum der Wissenschaft, 5/1998, S. 16). Ein wesentliches Verdienst daran tragen auch unsere russischen Kollegen Andrey Ganopolski, Victor Brovkin und Vladimir Petoukhov.

Unser Modell wurde nur mit den sich allmählich ändernden Werten für die Erdbahnparameter während der letzten 9000 Jahre gefüttert. Diese lassen sich für viele Jahrmillionen genau bestimmen. Die Klimaänderung einschließlich der Vegetationsverschiebung berechnete unser Modell dann von selbst. Tatsächlich gelang es so erstmals, die kräftigen Niederschläge in Nordafrika (Bild unten auf Seite 24) und damit die grüne Steppe in der Sahara sowie ihr Austrocknen im Computer nachzubilden.

Wie unsere Simulation ergab, läuft die Wechselwirkung zwischen Vegetation und Atmosphäre zu einem großen Teil über die Monsundynamik, die hauptsächlich durch die Unterschiede zwischen dem nordafrikanischen Festland und dem tropischen Atlantik angetrieben wird. Da in einer "grünen Sahara" die Böden feuchter sind als in der Wüste, steht mehr Energie (in Form von Verdunstungswärme) für den Aufstieg von erwärmter feuchter Luft zur Verfügung, aus der dabei regenbringende Wolken auskondensieren. Zugleich verstärkt sich der Luftaustausch mit dem tropischen und subtropischen Atlantik; es kommt zu einem kräftigeren afrikanischen Sommermonsun, der zusätzliche feuchte Luftmassen vom Meer heranführt.

Die "grüne" Sahara unterscheidet sich von der Sandwüste aber auch dadurch, daß sie wesentlich dunkler ist. Sie reflektiert nur ungefähr 20 Prozent des einfallenden Sonnenlichts, während der nackte Sandboden etwa 35 Prozent zurückwirft. Hinzu kommt, daß über der weniger bewölkten, weil trockeneren Sandwüste mehr Wärmestrahlung von der Erdoberfläche in den Weltraum entweicht als über einer pflanzenbedeckten Sahara. Insgesamt strahlt die Sahara dadurch letztlich mehr Energie in den Weltraum ab, als die Sonne ihr von außen zuführt. Sie ist also heute, so paradox es klingt, für die Atmosphäre eine Kältequelle.

Dies wird energetisch dadurch ausgeglichen, daß die Luftmassen über der Wüste absinken und sich dabei erwärmen – genauso wie der Föhn, der dem Alpenvorland trockenes und wärmeres Wetter bringt. Dabei unterdrücken sie die Wolken- und Regenbildung und verstärken somit die Ausbreitung der Wüste.

Beide Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Niederschlag verstärken sich selbst, da dichterer Pflanzenwuchs zu dunkleren und feuchteren Böden und damit letztlich zu mehr Regen führt, der wiederum das Pflanzenwachstum begünstigt. Allerdings ist die Rückkopplung zwischen Vegetation und Regen nichtlinear. Bis zu einer bestimmten Niederschlagsmenge bleibt die Sahara eine Wüste, danach wächst die Vegetationsdichte mit der Regenmenge stark an; sobald eine dicht bewachsene Steppe erreicht ist, beeinflußt weiterer Niederschlag die Vegetation schließlich kaum noch.

Damit ist das Puzzle vollständig: Die Änderungen der Erdbahn um die Sonne haben durch eine kräftigere Erwärmung der Nordhemisphäre im Sommer den asiatischen und afrikanischen Monsun verstärkt. Dies allein reichte jedoch nicht aus, die Sahara "erblühen" zu lassen; vielmehr mußte die positive Rückkopplung zwischen Vegetation und Niederschlag hinzukommen. Gewissermaßen hat sich die Vegetation die für sie günstigen Umweltbedingungen selbst geschaffen.

Die langsame Abnahme der Sonneneinstrahlung seit dem holozänen Klimaoptimum schwächte den Sommermonsun dann wieder und ließ so die Trockenheit in Nordafrika zurückkehren. Da jedoch das Zusammenspiel von Vegetation und Regen nichtlinear ist, schritt die Wüstenbildung zunächst nur allmählich voran. Erst vor etwa 5500 Jahren verstärkte sie sich dann ziemlich abrupt, so daß die bewohnbare Steppe innerhalb weniger Jahrhunderte zur kargen Einöde wurde (Bild unten auf Seite 22). Dieses Ergebnis unserer Simulationen deckt sich weitgehend mit den wenigen in der Literatur beschriebenen oder noch unveröffentlichten Rekonstruktionen der Wüstenbildung.

Das Verschwinden der Vegetation vor gut 5000 Jahren war demnach im wesentlichen natürlichen Ursprungs – oder hätte es, ein wenig vorsichtiger formuliert, jedenfalls sein können. Nach Erkenntnissen von Paläoklimatologen haben die Menschen damals das Land durchaus genutzt und dabei der Vegetation geschadet. So finden sich laut Hans-Joachim Pachur, Professor für Physische Geographie an der Freien Universität Berlin, Spuren von Abholzung am Nord- und Südrand im Savannengürtel der damaligen saharischen Steppe. Wie stark dies zur Wüstenbildung beigetragen hat, können wir aber nicht genau sagen.

Wenn abrupte Klimaänderungen in der Vergangenheit aufgetreten sind, werden solche Schwankungen möglicherweise auch in der Zukunft stattfinden. Mit der massiven Verbrennung fossiler Energieträger und der großräumigen Abholzung von Regenwäldern hat der Mensch vermutlich einen globalen Klimawandel angestoßen. Wenn durch diese Aktivitäten die Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid in der Atmosphäre weiter so schnell ansteigt wie bisher, wird sich die bodennahe Luftschicht im weltweiten Mittel deutlich erwärmen. (Dabei kann es in einigen Regionen auch kälter werden, in anderen zunächst kälter und dann erst wärmer.)

Unsere Simulationen belegen, daß solche globalen Trends regional durchaus überraschende Effekte hervorbringen können. Theoretisch wäre es also denkbar, daß große Teile der Sahara wieder ergrünen – und zwar relativ rasch, vielleicht sogar innerhalb einiger Jahrzehnte. Doch wie wahrscheinlich ein solcher Umschwung ist und ob er überhaupt eintritt, läßt sich derzeit noch nicht absehen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2000, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 2000

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