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Das Klima der Vergangenheit

Geschichte des Klimas und der Klimaveränderungen

Warm, kalt, warm. In dieser Reihenfolge wechselt sich erdgeschichtlich gesehen das Klima seit Entstehen der Erde ab. Anhand von Klimaarchiven lässt sich das Klima der Vergangenheit vom Erdaltertum bis heute rekonstruieren und Vorhersagen für die Zukunft treffen.

Klimageschichte erkunden

Das Klima hat sich im Verlauf der 4,6 Milliarden Jahre der Erdgeschichte etliche Male verändert. Nach sehr warmen Phasen kamen lange Eiszeiten, die wiederum von warmen Perioden abgelöst wurden. Aufgrund der wissenschaftlichen Analysen lässt sich feststellen, dass die Temperatur der Erde sehr stark von der Treibhausgaskonzentration abhängt: die Warmzeiten wurden durch eine hohe und die kalten Perioden durch eine niedrige Konzentration der Treibhausgase gekennzeichnet. Wie kann das Klima eigentlich gemessen werden und woher kommt das Wissen, dass das Klima sich verändert?

Hier setzt die Paläoklimatologie an. Sie ist ein Teilgebiet der Klimatologie und versucht anhand von Daten aus den so genannten "Klimaarchiven", in denen die Klimadaten aus der Vergangenheit gespeichert sind, die klimatischen Verhältnisse der Vergangenheit zu rekonstruieren und daraus Rückschlüsse auf die klimatische Zukunft der Erde zu ziehen. Informationen über die bisherige Klimageschichte unserer Erde haben Klimaarchive vor allem in Form von Schichtungen im Gletschereis, Sedimenten von Meeresböden, Jahresringen von Korallen und Bäumen und Bohrkernen aus Mooren gespeichert. Die Klimaarchive beinhalten Daten u.a. bezüglich der Sonneneinstrahlung oder Temperaturen, die von der Paläoklimatologie untersucht und ausgewertet werden können.

Um diesen "Archiven" ihre Daten zu entlocken, werden vielfältige Methoden angewandt. So können an organischen Resten (von Pflanzen und Tieren) mit der Radiokohlenstoffdatierung Messungen zum Gehalt an Kohlenstoff-Isotopen durchgeführt werden, um das Alter der Reste zu bestimmen. Die Bestimmung der Sauerstoff-Isotopen-Verhältnisse an fossilen Schalentieren und an Eisbohrkernen gibt Hinweise auf den Verlauf des Klimas und den Ablauf von Eiszeiten. Darüber hinaus werden von den Paläoklimatologen auch historische Archive, wie z.B. Berichte über Naturkatastrophen aus der Vergangenheit und Kirchenchroniken genutzt. Die Forscher analysieren diese Berichte, um zusätzliche Informationen über den Verlauf der Klimaveränderungen zu erhalten.

Natürlicher Klimawandel in der Erdgeschichte: Ursachen

Die großen Klimaveränderungen wurden bis zur Industrialisierung durch natürliche Faktoren ausgelöst. Zu diesen natürlichen Ursachen der Klimaänderungen in der Erdgeschichte gehören:

• Änderungen des Anteils der Treibhausgase und des Feinstaubs in der Erdatmosphäre. Diese Stoffe beeinflussen direkt die von der Erd- und Meeresoberfläche abgehende Wärmestrahlung: Der hohe Anteil der Treibhausgase trägt zur Verstärkung des Treibhauseffekts und zu höheren Temperaturen bei, die großen Staubmengen wiederum schwächen die einfallende Sonnenstrahlung und tragen zur Abkühlung bei. Den stärksten Einfluss auf die Änderungen der Zusammensetzung der Erdatmosphäre hatten der Vulkanismus und die Verschiebung der Kontinente (plattentektonische Bewegung).
• Änderungen in der Umlaufbahn der Erde: die sich periodisch wiederholende Zyklen, die so genannten Milankovic-Zyklen. Benannt sind sie nach ihrem Entdecker, dem serbischen Astronomen Milutin Milankovic. Sie erklären die zyklischen Veränderungen des Abstandes zwischen der Erde und der Sonne und damit auch die sich im Laufe der Zeit verändernde Menge der Sonnenstrahlung.
• Änderungen in der Albedo des Planeten. Die Albedo (der Anteil der Sonnenstrahlung, der an der Erdoberfläche reflektiert wird) hängt in erster Linie von der Helligkeit der Erdoberfläche, also vor allem von der Eisbedeckung ab.

Wie genau sich das Klima im Verlauf der Erdgeschichte verändert hat, lässt sich nur zum Teil rekonstruieren. Denn die Aussagen zu dem Verlauf der Klimaänderungen haben vor der Erdneuzeit (ab 65,5 Millionen Jahre) sehr oft nur einen hypothetischen Charakter, weil aus diesem Zeitraum keine detaillierten Klimaarchive existieren, wie z.B. Tiefseesedimente, die genau datiert werden könnten.

Die Eiszeiten der letzten 650.000 Jahre hingegen können relativ genau rekonstruiert werden. Sie wurden auch in den aktuellen Bewertungen des Weltklimarates (IPCC 2007) einbezogen. Die Analyse des Temperaturverlaufs und des Kohlendioxidgehalts in den letzten 650.000 Jahren zeigt deutlich den Zusammenhang zwischen den beiden Größen (siehe Abbildung 1).

Abb. 1 Die Temperatur (rot) und der Kohlendioxidgehalt (blau) in den letzten 650.000 Jahren zeigen eine große Schwankungsbreite. Der parallele Kurvenverlauf verdeutlich den Zusammenhang zwischen der Temperaturänderung und der Treibhausgasen-
konzentration.

Klimaveränderungen im Erdaltertum und Erdmittelalter

Unser Sonnensystem entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren. Über die Klimaveränderungen in der Frühgeschichte der Erde ist relativ wenig bekannt. Nachdem die erste Erdatmosphäre sich im Weltraum auflöste, bildete sich vor etwa vier Milliarden Jahren eine neue Atmosphäre, die vor allem aus Kohlendioxid und Methan bestand. Die Klimaveränderungen in der Frühzeit der Erde waren sehr stark von dem Niveau der CO₂-Emissionen in der Atmosphäre abhängig; die im Vergleich zu heute schwächere Sonnenstrahlung wurde von dem starken Treibhauseffekt ausgeglichen.

Im so genannten Erdaltertum, ca. 542 bis 251 Millionen Jahre vor unserer Zeit, herrschte überwiegend ein warmes Klima, das von zwei Eiszeiten unterbrochen wurde. Die Klimaschwankungen wurden u.a. durch plattentektonische Bewegungen verursacht. Vor etwa 440 Millionen Jahren kam es zur Eiszeit. Ausgelöst wurde sie durch Landpflanzen, die große Mengen des CO₂ aus der Atmosphäre banden, was den natürlichen Treibhauseffekt abschwächte und zu einem Rückgang der Temperatur führte.

Im Erdmittelalter vor 251 bis 65,5 Millionen Jahren war die Erde nicht mit Eis bedeckt, die Durchschnittstemperaturen waren etwa sechs bis acht Grad Celsius höher als heute und der Meeresspiegel lag etwa 80 Meter höher. Auf der Erde herrschte warmes, tropisches Klima, in den Wäldern lebten Dinosaurier.

Vor ca. 65 Millionen Jahren wandelte sich das Klima plötzlich. Diese Klimaveränderung ging einher mit einem deutlichen Temperaturfall sowie dem Absinken des Meeresspiegels. Durch die Veränderung der Klimaverhältnisse ist die Mehrheit der damals lebenden Arten (vor allem Dinosaurier) ausgestorben. Die Ursachen dieses raschen Klimawandels werden durch unterschiedliche Theorien belegt. Wahrscheinlich handelte es sich um einen Meteoriten-Einschlag, der eine gigantische Staubmenge auslöste, die die Sonneneinstrahlung abschwächte und zu einem deutlichen Temperaturfall führte. Durch einen starken Vulkanismus am Ende dieser Phase erhöhte sich wiederum der CO₂-Gehalt, und es wurde wieder wärmer (bis vor etwa 330 Millionen Jahren).

Klima in der Erdneuzeit (von 65 Millionen Jahren bis heute)

Das Klima in der so genannten Erdneuzeit (von 65 Millionen Jahren vor unserer Zeit bis heute) ist nach einer Warmphase insgesamt durch einen Abkühlungstrend gekennzeichnet. Bis vor etwa 52 Millionen Jahren stiegen die Temperaturen. Die Ursachen waren Freisetzung von Methan aus dem Meeresgrund sowie erhöhter Vulkanismus. In dieser heißen Phase herrschte in vielen Regionen ein tropisches Klima: In der Arktis lebten Krokodile, und in heute polaren Regionen wuchsen tropische Pflanzen. Danach begann der Prozess einer zunächst langsamen und dann schnelleren Abkühlung. Die Hauptursache war die Silikatverwitterung.

Vor ca. zwei Millionen Jahren bildeten sich die Kontinente und Ozeane, wie sie uns in ihrer heutigen Form bekannt sind. Seit dieser Zeit ist das Klima durch die zyklisch wiederkehrenden Eiszyklen charakterisiert. Der Temperaturverlauf der letzten 400.000 Jahre zeigt insgesamt einen Wechsel zwischen lang anhaltenden Eiszeiten mit darauf folgenden Warmzeiten. Als Ursache der Eiszeiten gelten die Milankovic-Zyklen und der Albedo-Effekt. Heute befinden wir uns in einer Warmzeit, nach der wahrscheinlich in 30.000 bis 50.000 Jahren wieder eine Eiszeit kommen wird.