FAQ

Was verursachte die Eiszeiten und andere wichtige Klimaänderungen vor dem Industriezeitalter?

Auch lange bevor menschliche Aktivitäten eine Rolle gespielt haben, hat sich das Erdklima auf allen Zeitskalen verändert. Große Fortschritte sind beim Verständnis der Ursachen und Mechanismen dieser Klimaänderungen gemacht worden. In der Vergangenheit waren Veränderungen in der Strahlungsbilanz der Erde der Hauptantrieb für Veränderungen des Klimas, aber die Ursachen dieser Veränderungen waren unterschiedlich. Für jeden Fall getrennt – seien es die Eiszeiten, das warme Klima zurzeit der Dinosaurier oder die Klimaschwankungen im letzten Jahrtausend – müssen die Ursachen jeweils spezifisch bestimmt werden. In vielen Fällen können diese gut identifiziert werden. Weiterhin können viele Klimaveränderungen der Vergangenheit mit quantitativen Modellen wiedergegeben werden.

Das Klima unserer Erde wird durch die Strahlungsbilanz bestimmt. Es gibt drei grundlegende Arten, wie sich die Strahlungsbilanz der Erde verändern und dabei einen Klimawandel verursachen kann:

(1) Änderung der ankommenden Sonneneinstrahlung (z.B. durch Änderungen in der Erdumlaufbahn oder der Sonne selbst),

(2) Änderungen der reflektierten Solarstrahlung (dieser Anteil wird Albedo genannt und wird beeinflusst z.B. durch Änderungen der Wolkenbedeckung, der Aerosole in der Atmosphäre sowie von der Helligkeit und der Beschaffenheit der Erdoberfläche)

(3) Änderungen der in den Weltraum abgegebenen Wärmestrahlung (z.B. durch Änderung der Treibhausgaskonzentrationen). Darüber hinaus hängt z.B. das örtliche Klima auch davon ab, wie die Wärme durch Winde und Ozeanströmungen verteilt wird.

All diese Faktoren haben bei den Klimaschwankungen in der Vergangenheit eine Rolle gespielt.

Abb. 1: Schematische Darstellung der die Eiszeitzyklen antreibenden Änderungen der Erdumlaufbahn (Milankovitch-Zyklen). ‘T’ kennzeichnet die Variation in der Neigung der Erdachse gegen die Erdbahnebene (Obliquität),
‘E’ kennzeichnet die Abweichung der elliptischen Erdbahn von der Kreisbahn (Exzentrizität), und ‘P’ kennzeichnet die Präzession, eine Art Pendelbewegung der Achse der Erde. (Quelle: IPCC 2007, FAQ 6.1, Fig. 1, S. 449).

Für die Eiszeiten, die in den letzten ca. 3 Millionen Jahren in regelmäßigen Zyklen auftraten und verschwanden, sind regelmäßige Schwankungen der Erdbahn um die Sonne, die sogenannten Milankovitch-Zyklen verantwortlich (Abb. 1). Diese Zyklen bewirken eine veränderte Sonneneinstrahlung, die auf jedem Breitengrad während jeder Jahreszeit ankommt (beeinflussen aber kaum den weltweiten jährlichen Durchschnitt). Sie können mit astronomischer Genauigkeit berechnet werden. Es gibt jedoch immer noch Diskussionen darüber, wie genau diese Zyklen den Start und das Ende der Eiszeiten bedingen. Die Ergebnisse vieler Studien deuten darauf hin, dass entscheidend ist, wie viel Sonnenstrahlung die Kontinente der Nordhalbkugel im Sommer erhalten: Fällt die Einstrahlung unter einen kritischen Wert, schmilzt der Schnee des letzten Winters nicht mehr ab, im nächsten Winter fällt darauf neuer Schnee, und allmählich entsteht so ein Eisschild. Klimamodellsimulationen bestätigen, dass eine Eiszeit tatsächlich auf diese Weise beginnen kann. Einfache Konzeptmodelle wurden dazu benutzt, um den Beginn früherer Vergletscherungen anhand von Änderungen der Erdumlaufbahn erfolgreich zu rekonstruieren. Die nächste große Verringerung der Sonnenstrahlung auf die Kontinente der Nordhalbkugel im Sommer, ähnlich der, die die letzten Eiszeiten hervorrief, wird in ca. 30.000 Jahren erwartet.

Das in der Atmosphäre vorkommende CO2 spielt, auch wenn es nicht die Hauptursache ist, ebenfalls eine wichtige Rolle für die Eiszeiten. Daten aus antarktischen Eisbohrkernen zeigen, dass die CO2-Konzentration in den Eiszeiten gering (~190 ppm) und in Warmzeiten hoch (~280 ppm) ist. Atmosphärische CO2-Konzentrationen folgen den Temperaturänderungen in der Antarktis mit einer Zeitverschiebung von einigen hundert Jahren. Da die Klimaveränderungen am Anfang und Ende von Eiszeiten mehrere tausend Jahre brauchen, werden die meisten dieser Änderungen durch eine positive CO2-Rückkopplung beeinflusst, d.h. eine kleine anfängliche Abkühlung aufgrund der Milankovitch-Zyklen wird anschließend verstärkt, wenn die CO2-Konzentration sinkt. Modellsimulationen des Klimas während der Eiszeiten erzeugen nur realistische Ergebnisse, wenn die Rolle des CO2 berücksichtigt wird.

Im Verlauf der letzten Eiszeit fanden über zwanzigmal plötzliche, drastische Klimawechsel statt, die besonders markant in Klimaarchiven rund um den Nordatlantik hervortreten. Diese unterscheiden sich von den Eiszeit-Warmzeit-Zyklen insofern, dass sie wahrscheinlich zu keinen großen Änderungen der globalen Durchschnittstemperatur führten: Die Schwankungen treten in Grönland und in der Antarktis nicht gleichzeitig auf, und im Süd- und Nordatlantik fanden sie in entgegengesetzter Richtung statt. Dies bedeutet, dass eine Veränderung der weltweiten Strahlungsbilanz nicht nötig gewesen wäre, um diese Verschiebungen zu verursachen. Eine Umverteilung der Wärme innerhalb des Klimasystems wäre ausreichend gewesen. Nach heutigen Erkenntnissen bewirkten Änderungen der Meeresströmungen im Nordatlantik, die einen Transport großer Wärmemengen weit nach Norden hervorriefen, diese Ereignisse. Sedimentdaten und Modellsimulationen zeigen, dass einige dieser Änderungen durch Instabilitäten der damals den Atlantik umgebenden Eisschilde und der damit verbundenen Schmelzwasserabgabe ins Meer ausgelöst worden sein könnten.

In der Klimageschichte gab es auch viel wärmere Zeiten – während eines Großteils der vergangenen 500 Millionen Jahre könnte die Erde völlig frei von Eisschilden gewesen sein (Geologen erkennen dies aus den Spuren, die das Eis an Felsen hinterlässt), im Gegensatz zu heute, wo Grönland und die Antarktis eisbedeckt sind. Daten über das Vorhandensein von Treibhausgasen reichen mehr als eine Million Jahre zurück, also viel weiter als die Daten aus den Eisbohrkernen der Antarktis. Diese Daten sind zwar ungenau, aber die Analyse geologischer Proben zeigt, dass die warmen, eisfreien Zeiträume mit hohen atmosphärischen CO2-Konzentrationen zusammenfallen. Auf Skalen von Millionen von Jahren schwanken die CO2-Konzentrationen aufgrund tektonischer Aktivität. Tektonische Prozesse können das Klima auf unterschiedliche Weise beeinflussen: Sie können Strömungen in Ozean und Atmosphäre nachhaltig stören sowie die Verteilung von Land und Meer, die Topographie der Erdoberfläche und den globalen Kohlenstoffkreislauf verändern.

Eine weitere wahrscheinliche Ursache vergangener Klimaänderungen sind die Veränderungen der Strahlungsintensität der Sonne. Messungen über die letzten Jahrzehnte zeigen, dass die Sonnenaktivität in einem markanten 11-jährigen Zyklus variiert, der mit einer Zunahme der Strahlungsintensität von etwa 0,1% verbunden ist. Langzeitänderungen der Sonnenaktivität können untersucht werden durch Beobachtungen von Sonnenflecken (bis ins 17. Jahrhundert zurückreichend) sowie anhand der Auswertung von Isotopen, die durch kosmische Strahlung generiert werden. Die Kombination verschiedener Daten und Modellsimulationen deuten darauf hin, dass die Änderungen der Strahlungsintensität der Sonne und vulkanische Aktivitäten wahrscheinlich die maßgeblichen Gründe für Klimaschwankungen während des letzten Jahrtausends, also vor dem Beginn des Industriezeitalters waren.

Diese Beispiele verdeutlichen, dass verschiedene Klimaänderungen in der Vergangenheit verschiedene Ursachen hatten. Die Tatsache, dass in der Vergangenheit natürliche Faktoren Klimaänderungen verursacht haben, bedeutet nicht, dass der aktuelle Klimawandel natürlich ist. Die Tatsache, dass Waldbrände lange Zeit auf natürliche Weise durch Blitzschlag verursacht wurden, bedeutet ja auch nicht, dass Waldbrände nicht auch durch unvorsichtige Wanderer verursacht werden können.

Quelle (falls nicht anders gekennzeichnet):
>IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, S. 449-450, FAQ 6.1.

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