(9) Abrupte Klimaänderungen

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1 (9) Abrupte Klimaänderungen
(c) G. Larson Klima 72

2 Der letzte Kaltzeit-Zyklus
Die Eem Warmzeit Während der Eem-Warmzeit (Sangamon in Nordamerika), benannt nach einem Fluss in den Niederlanden, herrschten letztmalig für längere Zeit Klima-bedingungen, die mit den heutigen vergleichbar sind. Das Eem dauerte nur etwa 10 ka, war aber generell etwas wärmer und feuchter als das Holozän (die aktuelle Warmzeit, in der wir uns gerade befinden). Die Südgrenze des Permafrostes lag weiter nördlich als heute, Skandinavien war wahrscheinlich eisfrei, und fast vollständig bewaldet. In England lebten, zumindest zeitweilig, Nilpferde, Löwen, Nashörner und Elefanten. Pollenfunde aus den verschiedensten Weltgegenden zeigen, dass die mittleren Temperaturen 1 bis 3°C über den „heutigen“ lagen. Die Weltmitteltemperatur lag wohl ca. 2°C über der „heutigen“. Die höheren Temperaturen haben auch zu einem Anstieg des Meeresspiegels geführt, ein Wert von ca. +6 m ist mit allen Beobachtungsergebnissen vereinbar. Südflorida lag zu einem großen Teil unter Wasser, Fennoskandien war eine Insel. Dieser Meeresspiegel-Anstieg kann nur durch das partielle Abschmelzen eines größeren Eisschildes erklärt werden, dafür kommen am ehesten der grönländische, oder der westantarktische in Betracht. Es ist sehr wahrscheinlich, dass der „Schuldige“ auch heute bei einer Erwärmung um einige °C ähnlich reagieren würde. Klima 73

3 Der letzte Kaltzeit-Zyklus
Dansgaard-Oeschger-Zyklen Am Ende der Eem-Warmzeit begannen die Temperaturen zunächst langsam zu sinken. Temperatur-rekonstruktion basierend auf dem NGRIP Eisbohr-kern aus Grönland (oben) und auf einem Sediment-bohrkern vor der spanischen Küste (Quelle: Nature): Schon bald darauf setzten im Bereich um den Nordatlantik Klimaschwankungen zwischen kalten Stadialen und deutlich wärmeren Interstadialen (insgesamt 25) ein, bei denen vor allem die Erwärmungen abrupt erfolgten. Sie prägten die gesamte letzte Kaltzeit. Nach ihren Entdeckern werden die Klimaschwankungen als Dansgaard-Oeschger-Zyklen bezeichnet. Willi Dansgaard (links), Hans Oeschger (rechts), dazwischen Chester C. Langway (nach dem nichts benannt ist). Klima 74

4 Dansgaard-Oeschger-Zyklen (1)
Die Entdeckung der Dansgaard-Oeschger-Zyklen (oder –Ereignisse bzw. –Events) war eine der ganz großen Überraschungen in der Klimaforschung. Im Verlauf dieser Zyklen sind die Temperaturen in Grönland wiederholt innerhalb weniger Jahre um 8–10 °C gestiegen, und dann erst nach Jahrhunderten zum normalen, kalten Eiszeitniveau zurückgekehrt. Ihre Ursachen zu verstehen gilt seither als eine der Kernfragen der Klimaforschung. Diese Klimaänderungen sind viel zu häufig und viel zu schnell, um durch (bekannte) Änderungen der Erdbahnparameter erklärt werden zu können. Die DOZ starten mit einer abrupten Erwärmung. Darauf folgt eine allmähliche Abkühlung über einige Jahrhunderte, die mit einem Rückfall in glaziale Verhältnisse endet. Schwankung des 18O Gehaltes in Grönland (GRIP Eisbohrkern) während der letzten 100,000 Jahre (rechts ist „heute“!). Die Inter-stadiale sind (von 1 bis 20) nummeriert. Der Temperaturverlauf ist bei den DOZ jeweils ähnlich – einer abrupten Erwärmung folgt eine eher graduelle Abkühlung (Quelle: S. Rahmstorf). Klima 75

5 Dansgaard-Oeschger-Zyklen (2)
Nicht nur in Grönland Nach der Entdeckung der DOZ wurde natürlich nach entsprechenden Temperaturschwankungen im Bereich des Nordatlantiks gesucht. Bei einer genauen Analyse von zwei Tiefseebohrkernen wurden sie schließlich auch entdeckt. In beiden Fällen sind viele abrupte Änderungen der Oberflächen-temperatur von mindestens 5°C zu beobachten, die ihm Rahmen der zeitlichen Auflösung „schlagartig“ erfolgten – sie stimmen mit den DOZ in Grönland überein. [Bei Tiefseebohrkernen kann nur relativ selten eine gute zeitliche Auflösung erreicht werden, da die obersten cm des Sediments gewöhnlich von im Meeresboden lebenden Organismen „umgegraben“ werden - Bioturbation]. Die Rekonstruktion der Oberflächentemperaturen erfolgte durch Messung des prozentuellen Anteiles der Foraminiferen-Art Neogloboquadrina pachyderma (s), die Werte schwanken zwischen fast 0 % (Temperaturen über 10°C) und nahezu 100 % (Sommertemperaturen unter 5°C). Die hohen Temperaturen entsprechen fast subtropischen, die niedrigen subpolaren Verhältnissen, man kann daher annehmen, dass sich die Standorte der Bohrkerne im ersten Fall südlich, im zweiten aber nördlich der Polarfront befunden haben. Die Daten aus dem Meeresschlamm weisen auf drei unterschiedliche Strömungszustände im Nordatlantik hin: In dem einen reichte der warme Nordatlantikstrom (der „verlängerte Arm“ des Golfstroms) bis vor die Küsten Skandinaviens, ganz so wie im heutigen Klima. Im zweiten hörte die Strömung dagegen schon südlich von Island auf, im dritten war sie offenbar ganz ausgefallen. Klima 76

6 Der Nordantlatikstrom
Die Tiefenzirkulation der Ozeane hängt in erster Linie von der Temperatur und vom Salzgehalt des Meerwassers ab (daher auch der Name „Thermohaline Zirkulation”). Sie kann auf kleine Änderungen der Ausgangsbedingungen äußerst empfindlich reagieren. Oberflächenwasser kann im sonst sehr stabil geschichteten Ozean nur absinken, wenn es sehr kalt und sehr salzig ist. Derzeit ist diese Bedingung nur in den arktischen und antarktischen Bereichen des Atlantiks erfüllt. Im Nordatlantik sinken dadurch pro Sekunde über 15 Millionen Kubikmeter Wasser in die Tiefe, sie werden durch warmes Oberflächenwasser ersetzt (Nordatlantikstrom). Schon eine geringfügige Verringerung des Salzgehaltes (durch schmelzendes Gletschereis, aber auch durch erhöhte Niederschläge bei einer generellen Erwärmung) kann dazu führen, dass der gesamte Prozess zum Erliegen kommt. Modellrechnungen legen nahe, dass die thermohaline Zirkulationszelle auf mindestens zwei verschiedene Arten arbeiten kann, wobei der Nordatlantik in einem (dem gegenwärtigen) Fall mit gewaltigen Zusatz‑Energiemengen versorgt wird, die im anderen Fall ausbleiben. Die Übergänge zwischen den einzelnen „Operationsmoden” sollten äußerst schnell, innerhalb von wenigen Jahren erfolgen. Dieses Modell könnte das beobachtete schnelle Pendeln zwischen zwei einigermaßen stabilen Klimazuständen erklären, und es gibt auch etliche Hinweise, dass die ozeanischen Zirkulationsmuster während der Kaltphasen tatsächlich anders waren als heute. Klima 77

7 Dansgaard-Oeschger-Zyklen (3)
Bond Zyklen Die DOZ treten offenbar in Gruppen auf, beginnend mit einem warmen Interstadial, dem dann zunehmend kältere folgen, bis schließlich auf ein ausgeprägtes, kaltes Stadial eine markante Erwärmung folgt. Eine solche Sequenz von DOZ wird auch Bond-Zyklus genannt (Gerard, nicht James). Bond-Zyklen haben eine Periode von 5-15 ka. (Quelle: links – Nature, rechts, G.C. Bond) Die meisten besonders kalten Stadiale am Ende eines Bond-Zyklus fallen auch noch mit einem so genannten Heinrich-Ereignis zusammen. Klima 78

8 Dansgaard-Oeschger-Zyklen (4)
Heinrich Events In den Sedimenten des Nordatlantik lassen sich in einem breiten Streifen zwischen ca. 40°N und 50°N, der von Neufundland über mehr als 3000 km fast bis Europa reicht, deutlich 6 Schichten identifizieren, die durch einen überraschend hohen Gehalt an fein zerriebenem Gestein gekennzeichnet sind. Da man ausschließen kann, dass Körner dieser Größe (> 150 µm) durch Oberflächenströmungen oder Winde so weit transportiert worden sind, kommen als Quelle praktisch nur schmelzende Eisberge in Frage, bei den Körnern handelt es sich somit um „dropstones“. Die nach dem Entdecker, Hartmut Heinrich, benannten Heinrich‑Schichten enthalten wiederum Schichten mit bis zu 25% Karbonat‑Gestein (Kalk und Dolomit), die offensichtlich in sehr kurzer Zeit abgelagert worden sind. Die nächsten größeren Vorkommen von Kalkstein und Dolomit liegen in Ostkanada und in Nordwestgrönland. Da außerdem die Dicke der karbonatreichen Schichten nach Westen deutlich zunimmt, besteht guter Grund zur Annahme, dass die Eisberge vom Laurentischen Eisschild stammen. Aus der Verbreitung und der Dicke der Schichten kann man schließen, dass sich bei jedem Heinrich‑Event gewaltige Mengen an Eisbergen über den Nordatlantik verteilt haben müssen, Abschätzungen gehen bis zur Hälfte des derzeitigen Gesamtvolumens des grönländischen Eisschildes (!). Die besonders kalten Stadiale, die mit den Heinrich Events zusammenfallen, waren offenbar auf der ganzen Erde deutlich zu spüren – sie fallen z.B. genau mit markanten Gletschervorstößen in den Anden zusammen. Klima 79

9 Dansgaard-Oeschger-Zyklen (5)
Mögliche Ursachen der Dansgaard-Oeschger-Zyklen Ein Anhaltspunkt für die Erklärung der DOZ ist die Regelmäßigkeit dieser Ereignisse: Sie treten meist alle ~1500 Jahre auf, manchmal aber auch nur alle ~3000 oder ~4500 Jahre. Ein geheimnisvoller Taktgeber scheint einen Zyklus von 1500 Jahren vorzugeben, doch ab und zu setzt ein Schlag aus. Physiker sind mit einem Mechanismus vertraut, der dieses Phänomen erklären könnte: die stochastische Resonanz. Sie wird erzeugt, wenn drei Voraussetzungen gleichzeitig eintreten: Ein periodischer Taktgeber (in diesem Fall von 1500 Jahren), „Rauschen“, das heißt in diesem Fall zufällige Schwankungen des Klimas, sowie ein Schwellenwert, an dem das System von einem Zustand in einen anderen springen kann. Die periodische Störung allein reicht nicht aus, um das System in den neuen Zustand springen zu lassen. Wird sie aber durch die zufälligen Störungen „im richtigen Moment“ verstärkt, so kann das System in den neuen Zustand springen. Die vertikalen Linien haben einen Abstand von 1,470 Jahren; die meisten DO-Ereignisse fallen in die Nähe einer solchen Linie (Quelle: S. Rahmstorf). Klima 80

10 Dansgaard-Oeschger-Zyklen (6)
Die Temperaturen stiegen immer dann abrupt, wenn der warme Nordatlantik-strom über Island hinaus bis ins Europäische Nordmeer vordrang. Dies ließ das Meereis schmelzen und löste eine Erwärmung der ganzen Region aus. Um das Strömungssystem in diesen Zustand zu bringen, reichten anscheinend kleine Störungen im Süßwasserhaushalt des Nordmeeres aus. Das System befand sich damals offenbar dicht an der Schwelle, an der es von seinem kalten Grundzustand in einen warmen kippen konnte - die DO-Events traten ein. Da dieser warme Strömungszustand (unter eiszeitlichen Randbedingungen) aber instabil war, gingen die Warmphasen nach einigen Jahrhunderten wieder von selbst vorüber (Unter den gegenwärtigen Randbedingungen ist, zum Glück, der Zustand mit unterdrückter thermohaliner Zirkulation instabil). Während das Modell zeigt, dass man für die DO-Ereignisse nur einen äußerst schwachen ~1,500-Jahreszyklus braucht, bleibt doch ein Rätsel übrig: Was ist der Ursprung dieses Zyklus? Aussichtsreiche Kandidaten sind Schwankungen in der Strahlungsintensität der Sonne, oder eine bis jetzt noch unbekannte Schwankung der Erdbahn-Parameter. Neben dem bekannten ~11-jährigen Zyklus der Sonnenaktivität gibt es noch zwei längerfristigere Zyklen, den Gleißberg-Zyklus (Periode ~87 Jahre) und den De-Vries-Zyklus (Periode ~210 Jahre). Beide Zyklen haben als kleinstes gemeinsames Vielfaches eine Periodendauer von ~1,500 Jahren (87 x 17 = 1479, 210 x 7 = 1470). Klima 81

11 Dansgaard-Oeschger-Zyklen (7)
Mögliche Ursachen der Bond-Zyklen und Heinrich Events Nach einem Eisschild‑Modell von Douglas MacAyeal könnte man sich den ganzen Prozess etwa folgendermaßen vorstellen: In Nordamerika bildet sich ein Eisschild, der zunächst als kalter Gletscher am Boden festgefroren ist. Dadurch ist die horizontale Bewegung vergleichsweise gering, der Eisschild wird rasch dicker, und entwickelt steile Flanken, ohne sich seitlich sehr weit ausbreiten zu müssen. Laut Modellrechnungen muss die Existenz eines derartigen Eisschildes zu einer Verstärkung und einer, im Zuge des Eisschild‑Wachstums zunehmenden Abkühlung der Westwinde führen. Dadurch könnte man den langfristigen Abkühlungstrend während der einzelnen Bond‑Zyklen erklären. Inzwischen erhöht sich aber durch den geothermischen Wärmestrom ganz langsam die Temperatur an der Unterseite des Eisschildes, und überschreitet stellenweise den Druckschmelzpunkt, irgendwann beginnt das basale Gleiten, der Eisschild kann sein, unter diesen Bedingungen zu steiles, Profil nicht mehr aufrechterhalten, und kollabiert teilweise. Ab einer kritischen Dicke von einigen Metern kann auch verformbares Grundmoränenmaterial als Gleitmittel dienen. Das Eis strömt radial nach außen und erreicht stellenweise die Küste, wo daraufhin Unmengen von Eisbergen ins Meer kalben. Inzwischen ist der ausgedünnte Eisschild wieder festgefroren, und das ganze Spiel beginnt von neuem. Nach dem Kollaps muss man mit einem Rückzug der Eisströme, und einem verringerten Eisberg‑Fluss rechnen, dadurch kann sich die Thermohaline Zirkulation wieder erholen, und Wärme in den Nordatlantik transportieren. Das Modell von MacAyeal liefert ca. alle 7000 Jahre einen Eisschild‑Kollaps. Klima 82

12 Die Jüngere Dryas (1) Vor ca. 15 ka, am Ende der Ältesten Dryas (bzw. Tundrenzeit) begannen die Temperaturen weltweit drastisch zu steigen, und das Abschmelzen der großen Eisschilde setzte ein. Zu dieser Zeit verstärkte sich die Sommer-Sonneneinstrahlung auf der Nordhalbkugel deutlich. Die folgende Bølling‑Allerød‑Warmphase ist durch raschen Rückgang des Eises, Anstieg des Meeresspiegels, Erhöhung der Temperaturen, und die Rückkehr der Wälder in mittlere Breiten gekennzeichnet. Sie wurde vor ca. 14 ka durch eine kurze Kaltphase, die Ältere Dryas unterbrochen. Vor ca. 13 ka herrschten fast warmzeitliche Bedingungen, im Alpenraum hatten sich die Gletscher bis in die Gebirgstäler zurückgezogen (Bølling‑Allerød werden üblicherweise zusammen-gefasst als letztes Interstadial der Kaltzeit betrachtet, da die Ältere Dryas im allgemeinen nicht sehr deutlich ausgeprägt ist). Der Meeresspiegel, der am Höhepunkt der letzten Kaltzeit ~ 120 m unter dem heutigen Niveau lag, stieg innerhalb von weniger als 1000 Jahren um 24 m (rekonstruiert mit Acropora palmata Daten). Auf die rasche Erwärmung folgte vor ca ka zumindest in Europa und im Nordatlantik trotz steigender Sonneneinstrahlung eine abrupte Rückkehr zu fast kaltzeitlichen Bedingungen: die Jüngere Dryas. Die Jüngere Dryas oder „Jüngere Tundrenzeit“ In Mitteleuropa verschwanden die Wälder größtenteils wieder, und wurden durch Kälte-Steppen‑, bzw. Tundren‑Floren ersetzt, die unter anderem auch aus der namensgebenden Dryas octopetala bestanden. Periglazial‑Erscheinungen, die sich erst bei Jahresmitteltemperaturen unter -2°C ausbilden, deuten generell auf eine starke Abkühlung hin. Klima 83

13 Die Jüngere Dryas (2) In Westeuropa und Skandinavien sanken die mittleren Jahrestemperaturen innerhalb von weniger als 200 Jahren um 6 °C, die gesamte Temperaturabnahme betrug über 8°C. In Grönland sanken die Temperaturen um über 10°C. Untersuchungen der Coleoptera‑Fauna (Käfer) in Großbritannien ergeben sogar eine Reduktion der Jahresmitteltemperatur um 15°C. Hier waren vor allem die Wintertemperaturen extrem niedrig, da der Atlantik von Eis bedeckt war. Auch vor der norwegischen Küste waren die Übergänge offenbar abrupt (unten rechts). Während der Jüngeren Dryas kam der weltweite Anstieg des Meeresspiegels fast völlig zum Erliegen. Der Methan-Gehalt der Atmosphäre, der sich von einem Tiefstand (350 ppb) am Höhepunkt der letzten Kaltzeit bis zur Allerød-Warmphase verdoppelt hatte, sank in der JD wieder auf 450 ppb ab. Es waren also offenbar auch die niederen Breiten massiv von dem Kälteeinbruch (und Trockenheit) betroffen. Klima 84

14 Die Jüngere Dryas (3) Vor etwa 11,500 Jahren – am Ende der Jüngeren Dryas (Übergang zum Präboreal) – stiegen die Temperaturen in Grönland um fast 10°C – in nur einem Jahrzehnt. Auf die heutige Situation übertragen hieße das, dass es in Moskau ähnlich heiß würde wie derzeit in Madrid. Die Dicke der Jahresschichten in den Eiskernen zeigt zugleich, dass parallel zum Temperaturanstieg der Niederschlag zunahm. So verdoppelte sich der Schneefall in Grönland innerhalb von nur 3 Jahren. Aber auch andere Gebiete wurden damals feuchter. Der Methan-Gehalt der Atmosphäre stieg wieder deutlich an, weil durch Überschwemmungen in den Tropen neue Feuchtgebiete entstanden und im Norden zugefrorene Sümpfe auftauten. Die Abnahme des Methan-Gehaltes während der JD ist auch in antarktischen Eisbohrkernen nachgewiesen (dort war allerdings die Temperaturänderung wesentlich geringer). Sämtliche späteren Klimaänderungen nehmen sich im Vergleich dazu (noch) bescheiden aus (Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft). Klima 85

15 Die Jüngere Dryas (4) Quelle: IPCC Klima 86

16 Die Jüngere Dryas (5) Mit dem Ende der Jüngeren Dryas stieg der Meeresspiegel wieder deutlich an, und zwar um 28 m innerhalb von etwas mehr als 1500 Jahren (Acropora palmata Daten) Das Ende der Jüngeren Dryas fällt in vielen Regionen (insbesondere Nordamerika und Eurasien) mit dem Aussterben der Pleistozänen Megafauna zusammen. Seither gibt es große Säugetier-Arten in großer Zahl fast nur noch in Afrika. Noch vor 12,000 Jahren gab es in Europa Mammuts, Wollnashörner und Riesenelche. Dieses Aussterbeereignis ist bemerkenswert, da fast ausschließlich große Säugetiere davon betroffen waren, die außerdem ähnliche Klima-schwankungen (z.B. DOZ) ohne größere Probleme überlebt hatten. Im Gegensatz zu den früheren Klimaschwankungen gab es für die Megafauna diesmal ein zusätzliches Problem – jagende Menschen (in größerer Zahl als zuvor). Mögliche Ursachen der Jüngeren Dryas Die Jüngere Dryas ähnelt in ihrer Struktur einem kalten Stadial bzw. einem Heinrich Event. Auch hier kam es zu einer abrupten Unterbrechung der Thermohalinen Zirkulation. Während der Jüngeren Dryas ereignete sich ein katastrophaler Ausbruch des baltischen Eisstausees durch die Billinger-Pforte in Südschweden. Anscheinend gelangten hier die Schmelzwasser-Mengen genau am „richtigen“ Ort in das System. Klima 87