Um die Mitte des 20. Jahrhunderts steckte die Erforschung der irdischen Klimageschichte in einer Sackgasse. Geologischen Befunden zufolge hatte es in der letzten Jahrmillion vier große Vereisungen in Europa und Nordamerika gegeben. Sie ließen sich durch die Kartierung von Moränen nachweisen – Halden aus Gesteinsschutt, den Gletscher transportiert und an ihren Rändern abgeladen haben. Doch die Ursache dieser gewaltigen Kälteeinbrüche war ein Rätsel. Zur Erklärung postulierten manche Geologen Phasen eines intensiven Vulkanismus, dessen Auswurfmaterial die Sonne verdunkelt und eine Abkühlung des Planeten verursacht habe. An­dere Forscher vermuteten einen periodischen Rückgang der Sonnenaktivität. Nur wenige glaubten an die astronomische Klimatheorie, die der serbische Geophysiker Milutin Milankovic 1941 entwickelt hatte.

Nach dieser Theorie beruhen Klimaänderungen auf periodischen Variationen der Erdumlaufbahn um die Sonne. Beispielsweise zieht sich diese Bahn unter dem Einfluss des Mondes und der anderen Planeten im Laufe der Zeit leicht in die Länge und wird dann wieder beinahe kreisförmig – ein Vorgang, der sich etwa alle 100000 Jahre wiederholt. Weil die Erde wie ein gekippter Kreisel taumelt (präzediert), ändert sich außerdem die Neigung ihrer Rotationsachse gegenüber der Umlaufebene mit einer Periode von 41000 Jahren; sie schwankt dabei um etwa 1,5 Grad um den aktuellen Wert. Schließlich variiert der Abstand zwischen Erde und Sonne zum Zeitpunkt der Sommer-Sonnenwende über einen Zeitraum von ungefähr 21000 Jahren.

Durch diese periodischen Schwankungen der Bahnparameter ändert sich der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen an der Erdoberfläche. Damit variiert – auch bei gleich bleibender Aktivität der Sonne – die pro Flächeneinheit auf­gefangene Energiemenge auf der Nordhalbkugel im Sommer. Milankovic berechnete diese Variationen und erklärte sie zur Ursache von Klimaschwankungen. Allerdings hätten sich nach seiner Hypothese im Verlauf der letzten Jahrmillion zahlreiche Gletschervorstöße ereignen müssen. Für die Geologen existierten jedoch nur jene vier Vereisungen, die sie anhand der Moränen ermittelt hatten – ein gewichtiges Argument gegen die astronomische Theorie.

Der Kalte Krieg mochte politisch ein dunkles Kapitel gewesen sein, aber der Paläontolo-gie brachte er einen unverhofften Aufschwung: Die Großmächte suchten in allen Weltmeeren Präsenz zu zeigen und bedienten sich dazu auch ozeanografischer Forschungsschiffe. Diese gewannen bei Bohrungen in den Meeresgrund mehrere Meter lange Sedimentkerne, in denen das Alter des Gesteins mit der Tiefe zunahm. Die Kerne enthielten zahlreiche mikroskopisch kleine Gehäuse von Algen oder fossilen Tieren, die Zeugnis von den einstigen Umweltbedingungen ablegten. So ließ sich die jeweilige lokale Geschichte des Ozeans über einige zehn- bis hunderttausend Jahre zurückverfolgen.

Die astronomische Theorie triumphiert Das Jahrzehnt zwischen 1970 und 1980 brachte wichtige Neuerungen. John Imbrie und Nilva Kipp, Paläontologen an der Brown-Universität in Providence (Rhode Island), entwickelten eine Methode zur statistischen Analyse der fossilen Fauna in den Bohrkernen. Schicht für Schicht registrierten sie die Häufigkeit von Arten, von denen man weiß, ob sie es lieber warm oder kalt haben. Auf diese Weise konnten sie die Oberflächentemperatur des Meeres, in dem die Tiere einst gelebt hatten, bis auf rund ein Grad genau bestimmen.

Parallel dazu zeigte Nicholas Shackleton von der Universität Cambridge, dass das Mengenverhältnis zwischen den Sauerstoffisotopen der Masse 18 und 16 (18O/16O) in Foraminiferen (einer Gruppe mariner Einzeller) vor allem davon abhängt, wie viel Wasser in Form von Eiskappen auf den Kontinenten gebunden ist. Die Isotopenanalyse der Bohrkerne gab damit Aufschluss über Zeitpunkt und Dauer von Vereisungsperioden. Auf diese Weise ließen sich vor genau 25 Jahren etwa zehn große Vereisungen und noch mehr Gletschervorstöße geringeren Ausmaßes innerhalb der letzten Jahrmillion nachweisen. Ihre Chronologie stimmte hervorragend mit den Berechnungen von Milankovic überein: Die astronomische Theorie triumphierte!

Die Schwankungen des 18O/16O-Verhältnisses zeichnen einen globalen Klimaparameter nach: das Eisvolumen auf den Kontinenten. Mit ihrer Hilfe lassen sich in Bohrkernen aus verschiedenen Ozeanen diejenigen Schichten auffinden, die den Höhepunkten einer Vereisung oder einer Warmzeit entsprechen. So kam die Idee auf, im Rahmen eines internationalen Programms, das den Namen Climap erhielt, den Zustand der Erde im Maximum der letzten Vereisung zu rekonstruieren, das etwa 21000 Jahre zurückliegt. Das überraschende Ergebnis: Zu jener Zeit erhoben sich über Kanada und Nordeuropa regelrechte Gebirge aus Eis von drei bis vier Kilometern Höhe. Die Atmosphäre war so trocken, dass es kaum reg­nete; deshalb hatten sich überall auf den Kon­tinenten Wüsten ausgebreitet. Allerdings lag die mittlere Lufttemperatur nur etwa sechs Grad Celsius unter dem heutigen Wert. Demnach hat eine Abkühlung des Planeten von wenigen Grad bereits dramatische Folgen, die von Region zu Region stark variieren.

Weitere Erkenntnisse ergab die Auswertung von Eisbohrkernen. Auf Initiative von Willi Dansgaard in Kopenhagen, Claude Lorius in Grenoble und Hans Oeschger in Bern brachten französische, dänische, schweizerische, ameri­kanische und russische Polarexpeditionen Bohrungen in die Eisdecken Grönlands und der Antarktis nieder. Anhand des 18O/16O-Verhältnisses im Eis ließen sich die Schwankungen der Lufttemperatur in den Polargebieten während der vergangenen 400000 Jahre bestimmen: Sie bestätigten die Ergebnisse der früheren Untersuchungen an marinen Sedimentbohrkernen bis ins Detail.

Doch das war noch nicht alles. Die Bohrkerne aus den polaren Eiskappen enthielten auch, eingeschlossen in mikroskopisch kleinen Bläschen, Proben der einstigen Luft. Deren Analyse sorgte für eine weitere große Überraschung. Bis dahin hatte man den Kohlenstoffkreislauf der Erde für praktisch unveränderlich gehalten. Nun aber zeigte sich, dass die Atmosphäre in den Vereisungsperioden die Treibhausgase Kohlendioxid und Methan in viel gerin­gerer Konzentration enthielt als während der Warmzeiten. Das verminderte den natür­lichen Treibhauseffekt unseres Planeten und trug so zur Abkühlung bei. Die Gründe dafür sind noch weitgehend unklar. Doch macht das Phänomen deutlich, wie anfällig die biogeochemischen Kreisläufe sind und wie empfindlich sie auf Klimaschwankungen reagieren.

Anfang der 1980er Jahre war dann die Klimageschichte der Erde während der letzten Jahrmillion in groben Zügen rekonstruiert. Im Großen und Ganzen stimmte sie mit den Vorhersagen der Milankovic-Theorie überein. Beim genauen Hinsehen jedoch zeigten sich kleine Abweichungen. Was war der Grund dafür?

Förderband im Meer

Schon 1979 wies Henry Stommel an der Woods Hole Oceanographic Institution darauf hin, dass die Ozeane genauso viel Wärme transportieren wie die Atmosphäre. Die Vermutung lag daher nahe, dass großräumige Meeresströmungen das Klima beeinflussen könnten.

Diese Strömungen waren in den 1970er Jahren kartiert worden. Demnach existiert heute ein weltumspannendes ozeanisches Zirkulationsmuster. Kaltes Oberflächenwasser sinkt im Nordatlantik ab, strömt in großer Tiefe nach Süden und gelangt an Südafrika vorbei in den Indischen und Pazifischen Ozean. Dort steigt es langsam wieder auf, erwärmt sich und fließt an der Oberfläche, gleichfalls rund um Afrika, in den Süd- und schließlich den Nordatlantik zurück, wo es sich abkühlt und erneut absinkt. In den Weltmeeren existiert also ein gigantisches Förderband. Es verfrachtet letztlich das gesamte warme Wasser in den Nordatlantik, wo es den angrenzenden Ländern als künstliche Heizung dient. Der schon länger bekannte Golfstrom ist ein Teil davon.

War dieses Förderband auch während der Vereisungsperioden aktiv? Um das festzustellen, mussten Paläoklimatologen eine Möglichkeit finden, die einstigen Meeresströmungen zu rekonstruieren. Tatsächlich konnten meine Mitarbeiter und ich am Laboratorium für Klima- und Umweltwissenschaften (LSCE) in Gif-sur-Yvette zeigen, dass die Zirkulation des Tiefenwassers mit Schwankungen im 13C/12C-Verhältnis des darin gelösten Kohlendioxids einhergeht.

An der Oberfläche stellt sich das Mengenverhältnis zwischen den beiden Kohlenstoff-Isotopen durch Gasaustausch mit der Atmosphäre auf einen bestimmten Wert ein. Während das Wasser dann nach dem Absinken im Nordatlantik in der Tiefe durch sämtliche Weltmeere zirkuliert, nimmt es organische Überreste aus abgestorbenem Plankton auf, die von oben herabrieseln. Deren Kohlenstoff ist wie bei allen Lebewesen an 13C verarmt. Bakterien verwandeln diesen Detritus in Kohlendioxid, das folglich ebenfalls relativ wenig von dem schweren Isotop enthält. Je weiter sich das Tiefenwasser von seinem Ursprungsort entfernt, desto mehr abgestorbene organische Materie nimmt es auf und desto tiefer sinkt der 13C-Gehalt des gelösten Kohlendioxids. Benthische Foraminiferen, die teils in einer Wassertiefe von einigen Kilometern auf dem Sediment am Meeresgrund leben, bauen aus diesem Gas ihre Kalkschalen auf und konservieren so dessen momentanes 13C/12C-Verhältnis. Mit ihrer Hilfe erstellten Shackleton und ich ab 1984 die ersten Rekonstruktionen der früheren weltweiten Meerwasserzirkulation. Dabei stützten wir uns auf benthische Foraminiferen aus Bohrkernen, die auf verschiedenen Breitengraden und in unterschiedlichen Wassertiefen gewonnen worden waren. Unsere Rekonstruktionen zeigten, dass in Kaltzeiten das Förderband erlahmte. Obwohl weiterhin im Nordatlantik Wasser absank, nahm seine Menge während der letzten Vereisungsperiode um etwa die Hälfte ab.

Dieser Rückgang lag an der geringeren Dichte des Oberflächenwassers, das wegen der tieferen Temperaturen weniger verdunstete, sodass der Salzgehalt relativ niedrig blieb. Bei nachlassendem Förderband versiegte auch der Wärmestrom Richtung Nordatlantik, was zu den niedrigen Temperaturen auf den Kontinenten der Nordhalbkugel beitrug. Insgesamt bestätigten unsere Befunde, dass das Klima nicht nur vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlung abhängt, sondern auch von Meeresströmungen beeinflusst wird.

Armadas von Eisbergen

Eine vor zehn Jahren gemachte Entdeckung sollte dies eindrucksvoll demonstrieren. Lange glaubte man, die Klimaschaukel bewege sich gemächlich im Rhythmus der langsam variierenden astronomischen Parameter. Doch dann zeigte eine 1993 durchgeführte Bohrung in Grönland, dass sich die über das Jahr gemittelte Lufttemperatur an einem Ort manchmal in weniger als einem Jahrhundert um zehn bis zwanzig Grad Celsius ändern kann. Diese Sprünge erfolgen in Zyklen: Auf eine schnelle, progressive Abkühlung folgt eine Phase extremer Kälte und nach höchstens einigen Jahrtausenden eine ebenso rasche Erwärmung. Mehr als ein Dutzend solcher großen Oszillationen, die nach ihren Entdeckern Dansgaard-Oeschger-Zyklen genannt wurden, traten während der letzten Vereisung auf.

Ihre Ursache war zunächst ein Rätsel. Doch 1998 fanden Gerard Bond und seine Mitar­beiter am Lamont-Doherty-Observatorium der Columbia-Universität in New York und Laurent Labeyrie vom LSCE die Lösung – und zwar im Ozean. Sie stellten fest, dass die großen Gletscher, die Europa und Nordamerika bedeckten, in gewissen Zeitabständen Armadas von Eisbergen freisetzten. Diese schmolzen und ließen auf ihrer Zugbahn den mitgeführten Gesteinsschutt zurück. Er bildet heute durch­gän­gige Schichten in den Sedimenten des Nordatlantiks, so zahlreich waren die Eisberge. Der deutsche Geologe Hartmut Heinrich beschrieb die Schichten als Erster. Deshalb bezeichnet man die Invasionen der Eisberg-Geschwader als Heinrich-Ereignisse.

Die schmelzenden Eismassen hinterließen eine salzarme Wasserschicht, die im Nordatlantik, wo das Oberflächenwasser gewöhnlich absinkt, das salzigere und damit dichtere Meerwasser überdeckte und dessen Absinken behinderte. Dadurch verlangsamte sich das Förderband, ja kam sogar vorübergehend zum Stillstand. Ein dramatischer Kälteeinbruch im gesamten Nordatlantik-Raum war die Folge. Sobald sich das Schmelz- mit dem Meerwasser vermischt hatte, setzte die ozeanische Zirkulation wieder ein. Dann strömten erneut warme tropische Wassermassen in hohe Breiten und sorgten für rasch steigende Temperaturen in Europa, Grönland und Nordamerika.

Die Erkenntnisse aus den vergangenen zwei Jahrzehnten haben unsere Vorstellung davon, wie sich das Klima auf unserem Planeten entwickelt, grundlegend verändert. Computermodelle sind jetzt das elementare Werkzeug, um die Funktionsweise des Klimasystems und das Zusammenspiel seiner Komponenten zu ergründen. Am LSCE habe ich eine Methode entwickelt, anhand des 18O/16O-Verhältnisses planktonischer Foraminiferen, die in den obersten Wasserschichten leben, den Salzgehalt der marinen Oberflächenwässer in der Vergangenheit abzuschätzen. Ermittelt man durch eine statistische Analyse der fossilen Faunen nach dem Verfahren von Imbrie und Kipp zugleich die Wassertemperatur, ergibt sich die Dichte des Wassers, die darüber entscheidet, wie bereitwillig es absinkt.

Mit Hilfe eines Modells, das meine Kollegen von der Katholischen Universität Louvain (Belgien) entwickelt haben, konnten meine Mitarbeiter und ich aus den so erhaltenen Daten das Ausmaß der ozeanischen Zirkulation in der Vergangenheit erschließen. Dabei ergab sich in großen Zügen das gleiche Bild, das Shackleton und ich zehn Jahre zuvor durch Analyse des 13C-Anteils in bodenlebenden Foraminiferen rekonstruiert hatten. Die Simulationen zeigen ein aktives ozeanisches Förderband, wenn das Oberflächenwasser im Nordatlantik salzreich und kalt ist, und eine schwächere Zirkulation, wenn der Salzgehalt fällt und die Wassertemperatur steigt.

Unerklärliche Schneemengen

Mit Modellen der Luftzirkulation in der Atmosphäre gelingt es seit mehr als zwanzig Jahren, Klima-Extreme in der Vergangenheit wie das Maximum der letzten Vereisung zu simu­lieren. Dagegen schlugen noch bis vor kurzem alle Versuche fehl, auch Klimawechsel wie den Beginn einer Vereisung nachzuvollziehen. Erst vor zwei Jahren konnten Myriam Khodri und ihre Kollegen am LSCE mit einem Computermodell zeigen, dass die Abnahme der sommerlichen Sonneneinstrahlung in hohen nördlichen Breiten eine wesentliche Rolle spielt. Sie lässt die ozeanische Zirkulation erlahmen, wodurch die Nordmeere und die angrenzenden Kontinente auskühlen. Dabei sinken die Temperaturen schließlich so weit, dass der in Kanada und Skandinavien gefallene Schnee im Sommer nicht mehr schmilzt: Eine Inlandeisdecke beginnt zu wachsen.

Welche Punkte sind noch zu klären? Wissenslücken bestehen vor allem bei den Übergangszeiten. Insbesondere ist unklar, warum zu Beginn der Vereisungen jeweils so reichlich Schnee fiel, dass sich in weniger als 10000 Jahren die gewaltigen Eismassen auf der Nordhalbkugel ansammeln konnten. Ein Schwachpunkt der Modelle ist auch, dass sie Veränderungen der Vegetation noch nicht berücksichtigen. Beispielsweise ging der Nordhalbkugel großflächig Sonnenenergie verloren, als der boreale Nadelwald einer Tundra wich, die mit ihrer höheren Albedo mehr Sonnenlicht ins All reflektiert. Und schließlich weiß man immer noch nicht, wie sich eine veränderte Sonneneinstrahlung auf der Nordhalbkugel im Sommer auf die Umverteilung der Wärme zwischen den Tropen, die den Großteil der Sonnenenergie abbekommen, und den höheren Breiten auswirkt.

Zu den wichtigsten Erkenntnissen der letzten zwanzig Jahre gehört, dass das irdische Klimasystem extrem empfindlich ist. Selbstverstärkungseffekte durch die Rückkopplung mit dem Ozean und der Vegetation bewirken, dass es heftig auf minimale Veränderungen der Energiebilanz in der Atmosphäre reagiert. Galt das auch in der ferneren Vergangenheit, als die Verteilung der Kontinente, die Höhe der Gebirgsketten und die ozeanische Zirkulation anders waren? Diese einstigen Welten müssen wir noch genauer erkunden, wenn wir die Funktionsweise der globalen Klimamaschine wirklich verstehen wollen. Wie konnte unser Planet zum Beispiel vor etwa 600 Millionen Jahren zu einem völlig zugefrorenen kosmischen "Schneeball" werden und wieder auftauen? Warum erhitzte er sich vor ungefähr 60 Millionen Jahren vorübergehend weltweit auf Saunatemperaturen? Nur durch die eingehende Analyse der ehemaligen Klimabedingungen sind wir letztlich im Stande, auch jene warme Welt im Detail vorherzusehen, die uns der massive Ausstoß von Treibhausgasen seit dem vergangenen Jahrhundert bescheren könnte.

Literaturhinweise


Grönlands eisiges Klimaarchiv. Von Richard B. Alley und Michael L. Bender in: Spektrum der Wissenschaft 4/1998, S. 50.

Ursachen der Vereisungszyklen. Von Wallace S. Broecker und George H. Denton in: Spektrum der Wissenschaft 3/1990, S. 88.

Erdbahn und Eiszeiten. Von Curt Covey in: Spektrum der Wissenschaft 4/1984, S. 84.

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Isotope und Eiskappen


Das Mengenverhältnis der Sauerstoff-Isotope mit den Massen 16 und 18 in fossilen Meerestieren kann dazu dienen, das Ausmaß früherer Vereisungen zu ermitteln. Die Wassermoleküle, die das leichte Isotop 16O enthalten, verdunsten nämlich schneller als diejenigen mit dem schweren Isotop 18O. Der Wasserdampf in der Atmosphäre ist deshalb mit 16O angereichert – und damit auch der Schnee, der auf die Eiskappen fällt. Je mächtiger diese sind, desto mehr 16O haben sie also gebunden und desto ärmer an 16O – und folglich reicher an 18O – ist das im Meer verbliebene Wasser. Die Isotopenverteilung im Meerwasser bestimmt aber – neben der Temperatur – das 18O/16O-Verhältnis der Schalen von Foraminiferen, die darin leben. Nick Shackleton analysierte diese Schalen in Bohrkernen aus Regionen, wo die Wassertemperaturen nahe am Gefrierpunkt liegen und auch in der Vergangenheit nie höher gewesen sein dürften. Die erhaltenen Isotopenkurven spiegeln die Schwankungen des 18O/16O-Verhältnisses im Ozean und damit das jeweilige Volumen der Eiskappen wider.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 2003, Seite 20
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