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Das globale Ökosystem

Die Klimageschichte der Erde

Das Klima der Erde hat sich im Laufe der Erdgeschichte immer wieder dramatisch geändert; blieb aber seit der Entstehung des Lebens immer in einem Bereich, der Leben ermöglichte. Die Geschichte der Erde kann nur verstehen, wer die Klimageschichte versteht; und auch der gegenwärtige Klimawandel muss in diese Geschichte eingeordnet werden: Ist er Teil natürlicher Zyklen oder vom Menschen verursacht?

Schwache Sonne, warme Erde
Das Rätsel der Erdfrühzeit

Die Sonnenstrahlung entsteht aus Fusionsreaktionen im Sonneninneren, und alle Berechnungen zeigen, dass die Sonne nach Beginn der Sonnenzündung (>> Die Entstehung von Sonne und Erde) etwa 30 Prozent schwächer gestrahlt hat als heute und dass die Strahlung dann mehr oder weniger gleichmäßig zugenommen hat. Bei dieser schwachen Strahlung hätte die Erde eigentlich 20 Grad kälter sein sollen - und damit vereist. Das war sie aber nicht, wie alleine die Geschichte des Lebens beweist. Wir verfügen nicht über Proben der damaligen Luft, so dass über die Gründe für die vergleichsweise hohen Temperaturen Indizien Auskunft geben müssen. Den Stand der Forschung haben Kasting und Catling (850) zusammengefasst; nach ihrer These lagen die damaligen hohen Temperaturen an den Treibhausgasen (>> hier) Kohlendioxid und Methan - beide kamen wohl auf der frühen Erde in deutlich höherer Konzentration als heute vor. Eine entscheidende Rolle bei der Temperaturregulation der Erde spielte demnach der anorganische Kohlenstoffkreislauf: Regenwasser und Kohlendioxid aus der Luft bilden Kohlensäure und die Kohlensäure im Regenwasser lässt Gesteine verwittern; die dabei entstehenden Karbonate gelangen ins Meerwasser und durch Sedimentation teilweise in die Erdkruste - sie werden dem Kohlenstoffkreislauf der Atmosphäre und der Meere entzogen. Durch die Vorgänge der Plattentektonik (>> Plattentektonik) wird ein Teil dieses Kohlendioxids wieder freigesetzt, vor allem durch Vulkane. Die Verwitterung und damit die Sedimentation von Kohlendioxid ist stärker bei höheren Temperaturen und langsamer bei kälteren Temperaturen, so dass sie langfristig als temperaturausgleichender Regelkreis wirkt (allerdings ist dieser Regelkreis viel zu langsam, um Einfluss auf die vom Menschen verursachte Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration zu haben). Ein anderes wichtiges Treibhausgas der Erdfrühzeit dürfte Methan gewesen sein; in einer sauerstofffreien oder sauerstoffarmen Atmosphäre verbleibt Methan viel länger in der Atmosphäre als heute. Allerdings widersprechen Gesteinsanalysen den Thesen von Kasting und Catling: Eisenoxide und Eisenkarbonate, die sich in Gesteinen aus dieser Zeit finden, sprechen gegen eine hohe Kohlendioxid- Konzentration in der Atmosphäre. Minik Rosing und seine Mitarbeiter (851) haben gezeigt, dass auch die geringere Reflexion von Sonnenstrahlung eine Erde, auf der Meere noch eine größere Fläche eingenommen haben, und eine verringerte Wolkenbildung durch weniger von Lebewesen ausgestoßene Kondensationskeime ausreichen würden, um ein Einfrieren der Erde zu verhindern.

Die Methoden der Paläoklimatologen

Die Wissenschaft von der Klimageschichte heißt Paläoklimatologie, und wenn die Verhältnisse aus der Erdfrühzeit auch nur ungenau bekannt sind, so liegen immer mehr Daten vor, je mehr wir uns der Gegenwart annähern. Direkte Wettermessungen gibt es seit etwa 300 Jahren, aber erst seit etwa 1860 gab es genügend Wetterstationen, um globale Temperaturen sinnvoll berechnen zu können. Historische Aufzeichnungen reichen einige Tausend Jahre zurück und können Hinweise zur Klimageschichte enthalten; die meisten Daten werden aber aus indirekten Quellen, den sogenannten “Proxies”, gewonnen. Verwendet werden etwa Jahresringe bei Korallen und Bäumen und Daten aus Eiskehrnbohrungen und Bohrungen im Tiefseesediment.

Jahresringe lassen sich genau datieren; und breite Ringe lassen auf gute Bedingungen für Bäume und Korallen schließen, schmale auf schlechte Zeiten. Aber ihre Aussagekraft ist beschränkt, da kein direkter Rückschluss auf Temperaturen möglich ist: gutes Wachstum hängt etwa bei Bäumen auch von Regen zur richtigen Zeit ab; ein heißes, aber trockenes Jahr kann für Bäume schlechte Zeiten bedeuten. Bessere Informationen liefern die schwer zugänglichen Eiskerne und Tiefseesedimente:

Bei den Eiskernbohrungen werden Eiskerne gewonnen, die dann untersucht werden. Ein wichtiger Parameter ist das Verhältnis der Sauerstoff-Isotope 18O/16O: Das leichte Isotop 16O verdunstet leichter als das schwere 18O, so dass bei hohen Temperaturen (und damit hoher Gesamtverdunstung) der Anteil an 16O niedriger ist; aus dem Verhältnis 18O/16O im Eis lässt sich daher auf die Temperatur zur Zeit der Entstehung schließen. Das Alter des Schnees kann man zählen: Staubablagerungen in der schneearmen Jahreszeit markieren Jahresschichten. Durch im Eis eingeschlossene Luftbläschen verfügen die Paläoklimatologen sogar über Proben der Atmosphäre aus vergangenen Zeiten, und können etwa den Gehalt an Treibhausgasen untersuchen. Berühmt ist die Auswertung des Wostok-Eiskerns, der das Klima während der letzten Eiszeiten zeigt (mehr unter >> Eiszeiten). Mit der bisher tiefsten Bohrung wurde antarktisches Eis bis in 3.270 m Tiefe geborgen, es wird auf etwa 900.000 Jahre geschätzt. Ausgewertet sind mit dieser Methode bisher 740.000 Jahre Klimageschichte.

Weiter in die Vergangenheit (bis zu 200 Millionen Jahre) reichen Tiefseesedimente; diese lassen sich aber nicht so genau datieren. Auch sie werden durch Bohrungen geborgen; zur Temperaturbestimmung wird das Sauerstoff-Isotopenverhältnis in den Kalkschalen fossiler Meerestiere ausgewertet - diese entsprechen dem des Meereswassers, wo es sich bei höheren Temperaturen zugunsten des schweren Isotops 18O verändert. Für noch ältere Zeiten sind die Geologen auf klassische geologische Daten angewiesen, mit denen sich zumindest alte Eiszeiten erkennen lassen.

Schneeball Erde
Die Beinahe-Katastrophe vor 750 Millionen Jahren

Dass es Eiszeiten auf der Erde gab, ist seit der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts, vor allem dank der Arbeiten des Geologen Louis Agassiz, bekannt. Eiszeiten kann man unter anderem an geologischen Ablagerungen wie Tillit und Geschiebemergel erkennen. Eine erste, relativ kurz anhaltende Eiszeit gab es vor 2,9 Milliarden Jahren (860) - möglicherweise wurde sie durch Methan ausgelöst, das in der Stratosphäre zu großen Kohlenwasserstoff-Molekülen reagierte, die die Sonnenstrahlung absorbierten. Eine länger andauernde Eiszeit (Huronische Eiszeit) folgte vor 2,4 - 2,2 Milliarden Jahren - diese hat vermutlich mit dem Zerbrechen des Superkontinents >> Kenorland zu tun: durch die stärkere Verwitterung von Gestein wurde Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernt; und außerdem reagierte der durch Cyanobakterien freigesetzte Sauerstoff (>> mehr) mit dem Treibhausgas Methan zu Kohlendioxid (das ebenfalls ein Treibhausgas, aber ein weitaus schwächeres als Methan, ist). Vor dem Kältetod “gerettet” wurde die Erde dann vermutlich durch Vulkanausbrüche, die zu erhöhter Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre führten.

In ihren Ausmaßen wurden diese ersten Eiszeiten aber übertroffen von einer Serie gewaltiger Eiszeiten vor 750 bis 580 Millionen Jahren, bei der das Leben auf der Erde möglicherweise nur knapp seiner Vernichtung entkommen ist. Sie wurden unter dem Namen “Schneeball Erde(861) populär: Damals sollen selbst Gebiete am Äquator vereist gewesen sein, die Erde wäre nicht blau gewesen, sondern weiß. Diese Eiszeit könnte durch das Zerbrechen des Superkontinents >> Rodinia mit verursacht worden sein: am neu entstandenen Rücken traten große Mengen Magma aus und hoben den Ozeanboden an, wodurch der Meeresspiegel stieg und große, warme Flachmeere entstanden. Die hierdurch zunehmende Verdunstung brachte erhöhte Niederschlage mit sich, die auf den kleineren Kontinenten größere Festlandflächen erreichten und so zunehmende chemische Gesteinsverwitterung mit sich brachten. Diese könnte zuerst zu einer Algenblüte geführt haben, aber schließlich über die Umwandlung in Bikarbonat (>> Der Kohlenstoffkreislauf) große Mengen des Treibhausgases Kohlendioxid gebunden haben. Die Erde wurde kühler, und mit wachsenden Eisflächen kam eine sich selbst verstärkende ("positive") Rückkoppelung des Eises dazu: Eis reflektiert das Sonnenlicht, und die Netto-Wärmeeinstrahlung geht zurück. Hat es erst einmal eine gewisse Ausdehnung erreicht, verstärkt sich der Effekt von selbst: Durch die Abkühlung bildet sich noch mehr Eis, schließlich vereist die ganze Erde.

Dass die Erde nach einer solchen Vereisung überhaupt wieder erwärmen kann, hat wieder mit Kohlendioxid zu tun: Durch Vulkane freigesetztes Kohlendioxid kann sich auf einer vereisten Atmosphäre nicht mit Kalzium zu Kalkstein verbinden, sondern sammelt sich an - bis die Konzentration dieses Treibhausgases zu einer Erwärmung führt, die die Eisdecke abschmelzen lässt. Möglicherweise wurde die Erwärmung auch noch durch größere Mengen aus den Ozeanen freigesetzten Methans beschleunigt. Der durch die Erwärmung freigelegte Gesteinsschutt gibt aber wieder soviel Kalzium frei, dass sich dicke Kalksteinablagerungen auf dem Gletscherschutt bilden - die wieder Kohlendioxid binden. Damit kühlt die Erde wieder ab, und der Zyklus wiederholte sich. In der Zeit von vor 750 bis 580 Millionen Jahren gab es mindestens drei Eiszeiten: die Sturtische Eiszeit, die ihren Höhepunkt vor etwa 720 Millionen Jahren erreichte, die Marinoische Eiszeit vor 650 Millionen Jahren und die (schon weniger ausgedehnte) Gaskiers-Eiszeit vor 580 Millionen Jahren. Der Zyklus endete erst, als die Kontinente durch die Plattentektonik in höhere Breiten gelangten, wo die Gesteinsverwitterung langsamer verlief und nicht mehr so drastische Folgen hatte.

Wie weit die Vereisung der Erde während dieser Eiszeiten aber tatsächlich ging, insbesondere, ob die Erde selbst am Äquator vereist war, ist aber immer noch umstritten: Für die Befürworter einer solchen Hypothese sprechen insbesondere Bändereisenerze aus dieser Zeit dafür, deren Bildung mit Sauerstoffmangel im vereisten Ozean, der aus hydrodermalen Quellen austretendes zweiwertiges Eisen erhielt, bis die Meere auftauten und das Eisen oxidiert wurde, erklärt wird. Kritiker weisen aber darauf hin, dass Sedimentstrukturen aus dieser Zeit auf offene Meere hindeuten (862).

GAIA wird erwachsen
Das Leben wird zum Kohlenstoff-Speicher

Auf den “Schneeball Erde” folgten zwei weitere Eiszeiten (vor 440 und 280 Millionen Jahren). In dieser Zeit gab es bereits mehrzellige Tiere, die Skelette aus Carbonaten besaßen (>> Die Entwicklung des Lebens): Damit wurde das Leben selbst zum Kohlenstoffspeicher. Durch Sedimentation ging ein Teil dieses Kohlenstoffs in den Langfristspeicher der Gesteine ein, und als vor über 300 Millionen Jahre das Plankton entstand, verstärkte sich dieser Mechanismus noch. Auch im Karbon, als sich die ersten Wälder bildeten und viele der heutigen Kohlelagerstätten entstanden, wurden riesige Kohlenstoffmengen aus der Atmosphäre entfernt. (Dieser Kohlenstoff wird heute bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe wieder freigesetzt, >> Der Klimawandel.)

Mit der Ausbreitung moderner Korallenriffe vor 55 Millionen Jahren wurden wiederum enorme Mengen an Kohlenstoff gebunden. Seit die Wissenschaft das Thema der Klimaregulation durch das Leben untersucht, finden sich immer neue Regelkreise: Die Ausbreitung der Gräser vor sechs bis acht Millionen Jahren förderte Brände, und diese griffen auf die Wälder über: damit beschränkten Gräser die Ausbreitung von Wäldern - Wälder haben aber andere Auswirkungen auf das Klima als Grasländer. Erwärmung fördert wiederum die Entstehung von Bränden, so war ein neuer Regelmechanismus entstanden.

Klimawandel vor 55,8 Millionen Jahren
Treibhauseffekt durch Methangas?

Insgesamt wurde die Erde nach dem Ende der Eiszeit vor 280 Millionen Jahre stetig wärmer, in der Kreidezeit vor 140 bis 65 Millionen Jahren war das Erdklima tropisch warm. Danach kam es zu einer Abkühlung, die letztlich zu den Eiszeiten führte, die vor 3 Millionen Jahren begannen. Aber diese Abkühlung wurde vor 55,8 Millionen Jahren durch eine in geologischen Maßstäben sehr plötzliche Erwärmung um 5 bis 6 Grad Celsius unterbrochen, dem Paläozän-Eozän Temperaturmaximum (PETM). Aus der Analyse von Kalkschalen wurde deutlich, dass damals riesige Mengen Kohlenstoff freigesetzt wurden, die Konzentration an Kohlendioxid in der Luft hat sich nahezu verdoppelt. Hierdurch nahm der Treibhauseffekt zu, die Erde erwärmte sich, die Meere versauerten und es kam zu einem massiven Artensterben in den Ozeanen (>> mehr).

Wodurch wurde dieser prähistorische Klimawandel ausgelöst? Als wahrscheinlichste Ursache gelten die am Meeresboden reichlich vorkommenden Methaneisvorkommen: Vor Norwegen könnte vor etwa 56 Millionen Jahren Magma mit diesen Methaneisvorkommen in Kontakt gekommen sein, wodurch sich das Methaneis erwärmt und Methangas freigesetzt hat. Dieses reagierte mit Sauerstoff im Meerwasser zu Kohlendioxid - das hat den Klimawandel ausgelöst. Die Folgen werden heute als der geologische Übergang vom Paläozän zum Eozän beschrieben. Und doch dürften sie im Vergleich zum menschengemachten Klimawandel heute milde sein: Zum einen zog sich der Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre wohl über einige Tausend Jahre hin, zum anderen traf die Erwärmung damals auf eine an Wärme angepasste Biosphäre, während die heutige Biosphäre in einer Kältephase geformt wurde. Nach etwa 50.000 Jahren begann die Kohlendioxid-Konzentration wieder zu sinken, um nach weiteren 100.000 Jahren etwa wieder den vorherigen Wert zu erreichen - es waren wohl die geologischen Vorgänge der Verwitterung (der durch gelöstes Kohlendioxid saure Regen löst Kalzium aus Gesteinen, das in den Meeren Kalziumkarbonat bildet, das als Sediment ausfällt und langfristig zu Kalkstein wird, >> hier), mit denen der Kohlendioxid in Gestein gebunden wurde, der die alten Verhältnisse wieder herstellten.

Die Verwitterung des sich hebenden Himalaya könnte auch die Ursache für die Abkühlung der Erde sein, die vor 40 Millionen Jahren einsetzte und schließlich in den Eiszeiten des Pleistozän mündeten.

Die Eiszeiten

Die letzten zwei bis drei Millionen Jahre sind erneut ein Eiszeitalter - das Pleistozän der >> Erdgeschichte. Die Geschichte dieser Eiszeiten ist wohl das am besten untersuchte Beispiel für das Verhalten der Erde als komplexes System. Ausgelöst wurde dieses Eiszeitalter durch den >> Zusammenstoß Nord- und Südamerikas; dadurch wurde der Golfstrom verstärkt, der warmes Wasser aus der Karibik in den Nordatlantik bringt. Warmes Wasser bedeutete mehr Verdunstung, und dieses Wasser fiel im Norden als Schnee: Die so entstehenden großen weißen Oberflächen reflektierten das Sonnenlicht, und so führte die geänderte Wärmeverteilung zu einer Abkühlung und der Entstehung dauerhafter Eisflächen auf der Nordhalbkugel. Dazu kam vor drei Millionen Jahren eine besonders “kalte” Stellung der Erde, die auf ein Phänomen zurückgeht, das auch erklärt, warum zumindest in diesem Eiszeitalter regelmäßig 90.000 bis 100.000 Jahre andauernde Kaltzeiten von kürzeren Warmzeiten unterbrochen werden. Das Rätsel dieser Zyklen löste der serbische Astronom Milutin Milanković (880): Er beschäftigte sich mit der Bahn der Sonne um die Erde. Diese kreist nicht einfach um die Erde, sondern die Bewegung ist wesentlich komplizierter. Immer noch vereinfacht, bewegen sich sowohl die Sonne als auch die Erde auf einer Ellipsenbahn um einen gemeinsamen Schwerpunkt, und für das Klima der Erde sind, wie Milanković zeigte, drei Parameter der Erdbahn entscheidend: Erstens schwankt die Abweichung der Ellipsenbahn von der Kreisform (ihre Exzentrizität) schwankt in Perioden von ca. 413.000 und ca. 100.000 Jahren; zweitens schwankt die Neigung der Erdachse in Perioden von ca.  41.000 Jahren; und drittens taumelt die Erdachse in Perioden von ca. 26.000 Jahren.

Milankovitch-Zyklen

Schema der Milankovitch-Zyklen: a) Die Umlaufbahn ist mal mehr, mal weniger exzentrisch, b) die Neigung der Erdachse schwankt zwischen 21,5° und 24,5°, c) die Erdachse taumelt, daher ist mal die Nordhalbkugel, mal die Südhalbkugel der Sonne zugewendet.

Nur die Schwankung der Exzentrizität ändert die Menge der eingestrahlten Energie, die beiden anderen Zyklen ändern die geographische Verteilung der Einstrahlung im Verlauf des Jahres, und auch dieses kann Auswirkungen auf das Klima haben. Fällt etwa im Sommer mehr Sonnenlicht auf die Nordhalbkugel mit ihren großen Landmassen, reagiert die Erde mit stärkerer Temperaturerhöhung. Sie sich mit Eisbohrkernen der Temperaturverlauf der letzten 740.000 Jahre relativ genau erschließen lässt, wurde die Bedeutung der Milanković-Zyklen für die Erdtemperatur eindrucksvoll bestätigt. Die folgende Abbildung zeigt eine Rekonstruktion der Klimadaten der letzten 400.000 Jahre aus dem russischen Wostok-Eisbohrkern:

Klimadaten aus dem Wostok-Eisbohrkern

Klimadaten aus dem Wostok-Eisbohrkern: Temperaturverlauf (rot) und Kohlendioxid-Gehalt (gelb) der Atmosphäre in den letzten 400.000 Jahren. Weiß dargestellt: Veränderungen der Exzentrizität der Erdumlaufbahn. Quelle der Wostok-Daten: http://www.ncdc.noaa.gov/paleo/icecore/ antarctica/vostok/vostok.html

Mittlerweile wurde mittels der Untersuchung von Tiefseesedimenten sogar gezeigt, dass das Klima der letzten zwei Millionen Jahre von den Milanković-Zyklen beeinflusst war (884). Dabei zeigte sich aber, dass es beim Eisvolumen der Erde einen Übergang gab: bis vor ca. 1 Mio. Jahre hat der 100.000-Jahres-Zyklus einen deutlichen Einfluss, seither der 41.000-Jahre-Zyklus. Insofern ist die Orbitalbahn der Erde zwar der Taktgeber, aber nicht der einzige Faktor, der das Erdklima bestimmt. Das zeigt sich auch bei der genauen Betrachtung der letzten Eiszeit: Vor drei Millionen Jahren kamen alle Zyklen so zusammen, dass die kühlsten möglichen Sommer folgten. Allerdings kann die Änderung der Sonneneinstrahlung selbst bei Berücksichtigung der Auswirkungen der Veränderung des Golfstroms die beobachteten Temperaturabweichungen nicht alleine erklären – auch dies spricht dafür, dass es weitere Faktoren geben muss, die diese verstärken.

Dies sind die oben schon erwähnte Veränderung des Albedo (der Reflektion der Sonnenstrahlung) der Erde durch mehr Schnee und Eis sowie ein Einfluss dieses Eises auf den Wasserdampfgehalt der Luft: Je mehr Wasser im Eis gebunden ist, desto weiter sinkt der Meeresspiegel und die Ausdehnung der Meere über dem Kontinentalsockel. Damit sinkt aber auch die Verdunstung über dem Meer und die Menge an Wasserdampf in der Luft - Wasserdampf ist aber ein Treibhausgas (>> mehr), und sinkende Konzentration bedeuten sinkende Temperaturen. Der wichtigste Faktor ist aber ein anderer, und auch diesen zeigt die Abbildung oben: Erkennbar wird der enge Zusammenhang zwischen Temperatur und Kohlendioxidgehalt der Luft. Offenbar lösen die geringen Änderungen der ankommenden Sonnenstrahlung, die mit den Milanković-Zyklen beschrieben werden, eine Änderung der Temperatur und diese eine Änderung des Kohlendioxid-Gehalts der Luft aus, der mit seinem Treibhauseffekt diese Temperaturänderung wiederum verstärkt. Schmilzt bei einer Erwärmung dann das arktische Meereis, wird zudem weniger Sonnenlicht reflektiert; und dieses verstärkt wiederum den Temperatureffekt. Wenn die Temperatur sinkt, fällt auch der Kohlendioxid-Gehalt wieder.

Was genau die Änderungen des Kohlendioxid-Gehalts in der Luft verursacht, war lange nicht gekannt. In den letzten Jahren konnte man mit Klimasystemmodellen, die zur Aufklärung des >> Klimawandels entwickelt wurden (890), auch zeigen, wie diese Schwankungen des Kohlendioxid-Gehalts entstehen könnten. Zu Beginn einer Kältezeit spielen demnach vor allem physikalische Faktoren eine Rolle: Die sinkende Temperatur führt zu einer Abkühlung des oberflächennahen Meerwassers, und kühles Wasser kann mehr Kohlendioxid aufnehmen, wodurch die Konzentration in der Luft sinkt. Außerdem führt die Abkühlung dazu, dass die obere Schicht des >> globalen Förderbandes dünner wird, und dadurch kann mehr (kühleres und salzigeres) Wasser aus dem südlichen Ozean in den Nordatlantik gelangen. In diesem ist mehr anorganischer Kohlenstoff enthalten, so dass hierdurch ein größerer Anteil von Kohlenstoff in die Tiefsee transportiert wird. Im weiteren Verlauf der Kaltzeit spielen dann biogeochemische Faktoren eine zentrale Rolle. So führt dann unter anderem ein sinkender Meeresspiegel dazu, dass von freigelegten Landflächen mehr eisenhaltiger Staub ins Meer geweht wird, der als Dünger für das Phytoplankton wirkt, das wiederum durch gesteigerte Photosynthese mehr Kohlendioxid verbraucht und so die Kohlendioxid-Konzentration weiter senkt. Geht dann die Kaltzeit zu Ende, kehren sich diese Prozesse um: So führt reduzierter Düngereintrag zu einer zurückgehenden Produktivität der Meeresorganismen, wodurch die Kohlendioxid-Konzentration in der Luft ansteigt; und auch der Kohlendioxid-Transport in die Tiefsee verlangsamt sich wieder.

Im Laufe der Eiszeiten folgte die Kohlendioxid-Konzentration in der Luft also zumeist den steigenden Temperaturen und verstärkte damit den Einfluss der geänderten Einstrahlung. Diese Rückkoppelung ist für uns heute besonders relevant: Während der vergangenen 740.000 Jahre bewegte sich der Kohlendioxid-Gehalt immer zwischen 180 und 280 ppm; erst in der Folge der Verbrennung fossiler Brennstoffe seit der >> Industriellen Revolution stieg er auf mittlerweile über 400 ppm – der wichtigste Grund für den gegenwärtigen >> Klimawandel. Die Reaktion des Klimasystems auf Änderungen des Strahlungshaushaltes, die anhand der Daten aus der Untersuchung der Eiszeiten möglich ist, erlaubt es auch, die Empfindlichkeit des Klimasystems für die Erhöhung des Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphäre abzuschätzen (die sogenannte “Klimasensitivität”) – und ist damit eine wichtige Datengrundlage zur Abschätzung der Folgen des Klimawandels (mehr dazu >> hier).

In den letzten Jahrzehnten wurde noch eine weitere Abweichung vom alleinigen Einfluss der Sonnenstrahlung erkannt: Vor allem in Nordeuropa kam es während der Eiszeiten mehrfach zu teils abrupten Klimawechseln: In nur einem Jahrzehnt stieg die Temperatur in Grönland um bis zu 10 °C an. Ursache war offenbar die Änderung der Meeresströmungen, die Wärme in den Nordatlantik bringen (>> Der Ozean und das Erdklima). Auch dieses muss in Zusammenhang mit dem Klimawandel beunruhigen: Die Auslöser für diese Änderungen waren offenbar minimal; und eine erneute, diesmal vom Menschen ausgelöste Änderung scheint durchaus möglich (>> Die Folgen des Klimawandels). Vor 15.000 Jahren begannen die Temperaturen zu steigen (die Allerödzeit der Archäologen), Auslöser war eine durch die damaligen Parameter der Erdbahn verstärkte Sommersonne im hohen Norden. Vor etwa 13.000 Jahren gab es noch einmal einen Rückschlag (ein weiteres Beispiel für einen abrupten Klimawechsel): Vermutlich verursacht von abbrechenden Teilen des Nordamerikanischen Kontinentaleises, das ins Meer rutschte und das globale Förderband unterbrach, kam zu einer letzten Kaltzeit, der Jüngeren Dryas. Als vor 12.000 Jahren das Förderband wieder einsetzte und das Eis sich zurückzog, begann eine ausgedehnte Warmzeit, die bis heute anhält: Der lange Sommer, in dem die menschliche Geschichte sich entfalten sollte. Der Mensch ist historisch gesehen ein Kind der Eiszeiten; die Gattung Homo ist vor zwei Millionen Jahren entstanden, hat also ihre biologische Evolution während der Eiszeiten durchlaufen (>> Die Entwicklung des Menschen) - erst nach den Eiszeiten aber wurde sie zur beherrschenden Art auf der Erde.

Der lange Sommer

Seit 10.000 Jahren leben wir in einer Zeit mit warmem, relativ stabilem Klima (dem Holozän). Klimatisch ist dieses wohl “nur” eine Warmzeit zwischen den Kaltzeiten des immer noch andauernden Eiszeitalters; aber eine Warmzeit, die in den 400.000jährigen Milankovitch-Zyklus fällt und daher noch lange andauern sollte: Die entsprechende Warmzeit vor 400.000 Jahren hat jedenfalls 26.000 Jahre angedauert. Auch in dieser Warmzeit schwankte das Klima, aber wesentlich weniger als zuvor. Die erste Hälfte war sogar wärmer als heute (diese Phase wird “holozänes Optimum” genannt, unterbrochen wurde diese jedoch durch eine kleinere Abkühlung vor 8.200 Jahren, das “8k-Event”: Offenbar hat sich die Eisdecke über Nordamerika so weit zurückgezogen, dass ein riesiger Schmelzwasser-See, der Agassizsee, in den Nordatlantik strömte und das globale Förderband unterbrach. Diese Abkühlung dauerte nur etwa 200 Jahre, danach kehrte das warme Klima zurück. Auf die warme Phase folgte zumindest auf der Nordhalbkugel eine Abkühlung, die vor 6.000 Jahren in südlichen Gebieten zur Austrocknung der Sahara führte und in Mesopotamien zur Ausweitung der Bewässerung zwang. Auf diese bronzezeitliche Abkühlung folgte eine “römische Warmzeit” von etwa 400 vor Christus bis 200 nach Christus, und von 300 bis 600 eine nächste Kältephase, die als einer Auslöser der Völkerwanderung gilt. Auf diese folgte die  “mittelalterliche Warmzeit”, eine im 8. Jahrhundert beginnende und bis ins 13. Jahrhundert andauernde Wärmeperiode. Diese wurde dann von der von 1500 bis 1850 dauernden “kleinen Eiszeit” abgelöst (auch diese beiden Ereignisse scheinen auf die Nordhalbkugel beschränkt gewesen zu sein).

Die Warmzeit (für die der Archäologe Brian Fagan den Begriff “langer Sommer” prägte) ermöglichte zwei grundlegende Entwicklungen, die die menschliche Geschichte prägen sollten: Es entstanden die Ökosysteme, wie wir sie heute kennen (>> Die Lebensräume der Erde), und sie trug dazu bei, dass der Mensch die Landwirtschaft erfand (>> Das Zeitalter der Landwirtschaft) - wobei möglicherweise die Landwirtschaft selbst das Erdklima beeinflusste (>> Klimafaktor Landwirtschaft?). Die Landwirtschaft schuf die Voraussetzungen für die Industrielle Revolution, deren Ergebnisse heute unser Leben - und unsere Umwelt! - prägen (>> Das Zeitalter der Industrie).

In neuerer Zeit beginnt man auch damit, den Einfluss von Klima- und Umweltveränderungen auf die menschliche Geschichte zu untersuchen - denn das Klima der Warmzeit war zwar im erdgeschichtlichen Vergleich relativ stabil, aber die vergleichsweise geringen Schwankungen hatten offenbar einen tief greifenden Einfluss auf die menschliche Geschichte. So wird etwa die Völkerwanderung mit einer Kältephase, die in den zentralasiatischen Steppen zu Trockenheiten führte, in Verbindung gebracht. Während der mittelalterlichen Warmzeit, die bessere Ernten und zunehmende Bevölkerungszahlen ermöglichten, fanden die Ausbreitung des Islam, die Kreuzzüge und die Eroberungen der Türken und der Mongolen statt. Andererseits wird das Verschwinden alter Kulturen in Amerika, etwa der Anasazi, der Nasca und der Maya, mit trockenen Zeiten in Verbindung gebracht. In Mitteleuropa ließ sich zeigen, dass im frühen 17. Jahrhundert Hexenprozesse und -hinrichtungen immer dann zunahmen, wenn klimatische Besonderheiten wie kalte Sommer auftraten: Offenbar erklärten sich die Menschen das Wettergeschehen mit dem Einfluss der Hexen. Missernten führten auch zu Auswanderungsschüben nach Amerika, dessen Besiedlung so beschleunigt wurde.

Trockenheit im amerikanischen Westen
und was die Klimageschichte dazu sagt

In den letzten Jahren wurde der amerikanische Westen von einer Reihe “außergewöhnlich” trockener Jahre getroffen, die unter anderem zu katastrophalen Waldbränden in Kalifornien führten. Allerdings wurde die Besiedelung des amerikanischen Westens erst durch die Umgestaltung des Colorado River möglich: Wasser aus dem Colorado liefert versorgt heute 30 Millionen Menschen mit Trinkwasser und bewässert 4 Millionen Hektar Ackerland.

Die Trockenheit der letzten Jahre hat dazu geführt, dass die Klimageschichte der Region bis ins frühe Mittelalter untersucht wurde, vor allem mit Hilfe der Analyse der Jahresringe von Bäumen: In trockenen Jahren wachsen die Bäume schlechter und bilden schmalere Jahresringe. Die Auswertung zeigt, dass in den letzten 1.200 Jahren trockenere und feuchtere Abschnitte abwechselten; das 20. Jahrhundert gehörte zu den vergleichsweise feuchten Zeiträumen.

Darstellung des Klimas im Westen der USA in den letzten 1200 Jahren

Trockene und feuchte Jahre im Westen der USA. Die Abbildung zeigt den Anteil der von Trockenheit betroffenen Fläche in Prozent der Gesamtfläche, der Durchschnitt der letzten 1.200 Jahre liegt bei 35 Prozent. Das 20. Jahrhundert gehört zu den feuchten Abschnitten, von 1900 bis 2006 (grauer Kasten) stieg die Bevölkerung von 4,1 auf 69,4 Millionen Menschen an. Abbildung nach National Geographic February 2008, Seite 100.

Die “außergewöhnlich” trockenen letzten Jahre sind also bei langfristiger Betrachtung  keinesfalls außergewöhnlich, sondern in der Vergangenheit regelmäßig aufgetreten. Die Trockenheiten scheinen mit dem Auftreten von La Niña zusammenzuhängen (La Niña ist eine Abkühlung des Wassers im tropischen Pazifik, gewissermaßen das Gegenstück zu El Niño, >> mehr). Die Berechnungen für die Infrastruktur gingen also von falschen Grundlagen aus, nämlich von Daten aus dem feuchten 20. Jahrhundert. Noch immer aber ziehen jedes Jahr viele Menschen in den Westen; inzwischen kaufen die Städte den Farmern ihre Wasserrechte ab, versuchen aber auch, ihre Einwohner zum sparsameren Umgang mit Wasser zu bewegen - in Las Vegas gibt es inzwischen Prämien dafür, die Rasenflächen im Garten durch Wüstenpflanzen zu ersetzen (siehe auch >> hier).

Unklar sind noch die regionalen Auswirkungen des vom Menschen verursachten Klimawandels auf den amerikanischen Westen: Einerseits nimmt durch steigende Temperaturen die Trockenheit noch weiter zu, andererseits könnten durch die erwartete Zunahmen von El Niño-Jahren die Sommer feuchter werden. Welcher Effekt überwiegt, bleibt abzuwarten.

“Das Klima hat sich schon immer geändert” -
Spricht dies gegen einen vom Menschen ausgelösten Klimawandel?

Der Überblick oben zeigt es: Das Klima der Erde war einerseits seit Milliarden von Jahren stabil genug, um Leben auf der Erde zu erhalten; andererseits gab es aber Klimaschwankungen, durch die das Leben wohl mehr als einmal auf der Kippe stand. Warum dann also heute die Aufregung um einen Temperaturanstieg von 0,8 Grad? Zum ersten, weil diesmal die natürlichen Gründe wie Erdumlaufbahn, Neigung der Erdachse, Sonnenaktivität oder auch Naturkatastrophen diesen Temperaturanstieg nicht erklären können; der heutige Klimawandel wird vom Menschen verursacht (siehe >> Der Klimawandel). Das bedeutet aber auch: Er ist kein Schicksalsschlag, er wäre vermeidbar.

Denn zum zweiten zeigt die Klimageschichte, dass es nicht nur wärmer wird, sondern höhere Temperaturen Folgen haben: Zum Beispiel steigt der Meeresspiegel. Und die abrupten Klimawechsel in Grönland während der letzten Eiszeiten etwa machen klar, dass das Klima auch sehr empfindlich reagieren kann: Es gibt “Schalter” im Klimasystem (wie die Änderung von Meeresströmungen), deren Umlegen zur in der Vergangenheit das Gesicht der Erde mehrfach verändert hat. Zwei Beispiele nur aus der Klimageschichte: Das Paläozän-Eozän Temperaturmaximum vor 56 Millionen Jahren führte zum Aussterben von zwei Dritteln aller Arten in den Meeren und auf dem Festland zum Aufstieg der Säugetiere; im Pliozän, vor den Eiszeiten, war es zwei bis drei Grad wärmer als heute und der Meeresspiegel lag 15 bis 25 Meter höher. Damals gab es aber noch keine menschliche Zivilisation mit Landwirtschaft und Millionenstädten an der Küste. Das Leben an sich würde zweifellos - wenn auch verändert - einen menschengemachten Klimawandel überstehen; ob dies aber auch für komplexe menschliche Zivilisationen gilt, ist eine andere Frage. Mit den Worten von Leibniz-Preisträger Gerald Haug vom Geoforschungszentrum Potsdam: “Wir sind auf dem Weg zurück ins Pliozän... Die Frage ist: Wollen wir wirklich dorthin?”

Manche “Klimaskeptiker” (Menschen, die an einen vom Menschen verursachten Klimawandel nicht glauben oder seine Folgen für nicht so schlimm halten) nennen die wechselvolle Klimageschichte als Grund, den Klimawandel nicht als Problem zu sehen. Bei genauem Hinsehen lehrt die Klimageschichte aber das genaue Gegenteil: Klimaänderungen können sich mit großer Geschwindigkeit vollziehen, die heute für die Menschheit katastrophale Folgen hätten. Eigentlich ein gutes Argument dafür, etwas gegen diesen vermeidbaren Klimawandel zu tun...

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siehe auch:
>> Der Klimawandel

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© Jürgen Paeger 2006 - 2015

Wann kommt die nächste Eiszeit?
Gegenwärtig bewegt sich die Sonne fast auf einer Kreisbahn – aufgrund der niedrigen Exzentrizität der Erdbahn wäre ohne menschliche Eingriffe noch mindestens 50.000 Jahre mit stabilem Klima zu rechnen.