Klimawandel in den letzten 450.000 Jahren
Woher weiß man, wie das Klima vor Tausenden von Jahren war?
Die Natur selbst enthält ebenfalls Archive, aus denen Informationen über das frühere Klima gewonnen werden können. Mit Hilfe solcher natürlichen Datenspeicher können die klimatischen Verhältnisse bis weit in die erdgeschichtliche Vergangenheit rekonstruiert werden. Als Klimaarchive können u. a. Bäume, Eis, Sedimente, Korallen, Tropfsteine oder Pollen dienen. In ihnen sind die Umweltbedingungen der Vergangenheit gespeichert bzw. lassen sich nährungsweise die damaligen Verhältnisse rekonstruieren. Weil hier die Klimadaten in indirekter Form vorliegen, werden sie als Proxydaten bezeichnet.
Die Disziplin, die sich mit dem Klima in der Vergangenheit beschäftigt, wird Paläoklimatologie genannt. Es handelt sich dabei um ein Forschungsgebiet, in dem verschiedene wissenschaftliche Disziplinen wie Geologie, Meteorologie, Biologie, Geographie oder Ökologie beteiligt sind.
Welche Klimaarchive und Methoden der Klimarekonstruktion existieren?
Bäume als Klimaarchiv:
© Stefan Kühn/Wikipedia
Einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung eines Baumes oder Strauches üben die Temperatur, die Feuchte am Standort und die Tageslänge aus. Diese Faktoren spiegeln sich im Wechsel vom großporigen Frühholz zum engporigen Spätholz wieder. Die Jahreszeiten führen so zu schnellen Phasen des Wachstums bis hin zur Winterruhe. Anhand der Dicke, Holzdichte und Ausprägung der Jahresringe können Rückschlüsse auf die klimatischen Bedingungen im entsprechenden Jahr gezogen werden und damit der allgemeine Klimaverlauf rekonstruiert werden.
Die Jahrringbreiten werden in Kurven übertragen und chronologisch eingeordnet. Durch Synchronisierung mit älteren Bäumen aus dem Gebiet kann die gemittelte Kurve rückläufig in die Vergangenheit verlängert werden. Zusammenhängende, miteinander synchronisierte Aufzeichnungen, so genannte Dendrochronologien, existieren bis in das Holozän. Sie umfassen also in etwa die letzten 12.000 Jahre. Solche Chronologien repräsentieren eine bestimmte geographische Region mit spezifischen klimatischen Bedingungen. Neben der Einschränkung der räumlichen Übertragbarkeit können darüber hinaus fast ausschließlich Bäume aus Regionen mit ausgeprägtem Jahreszeitenklima als Klimaarchiv genutzt werden, weil diese die markant ausgebildeten Jahresringe bilden.
Unabhängig von den Jahresringen kann das Alter von Bäumen und anderen Organismen, die Kohlenstoff einlagern, über die Radiocarbon-Datierung bzw. 14C Methode bestimmt werden. Dieses Verfahren nutzt den radioaktiven Zerfall des 14C Isotops des Kohlenstoffs, um über dessen Halbwertszeit das Alter der Probe zu bestimmen. Eine „sichere Datierung“ (± 200 Jahre) mittels der 14C Methode kann beispielsweise an Bäumen oder Mollusken (Weichtiere wie Schnecken oder Muscheln) für die letzten 50.000 Jahre durchgeführt werden. Durch die Alterbestimmung wird bekannt, zu welcher Zeit bestimmte Arten von Bäumen oder Mollusken am entsprechenden (Fund-)Ort aufgetreten sind. Spezifische Arten existieren nur unter spezifischen Umweltbedingungen. Sie benötigen beispielsweise eine bestimmte mittlere Luft-/Wassertemperatur für ihr Überleben. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die damalige Temperatur bzw. das damalige Klima ableiten.
Eis als Klimaarchiv:
© NOAA - 19 cm langer Eisbohrkern aus einer Eistiefe von 1855 Metern mit Jahresschichtung aus dem grönländischen Eisschild. Erkennbar sind 11 Sommerschichten (Pfeile) und dunklere Winterschichten
Die im Eis enthaltenen Lufteinschlüsse ermöglichen Aussagen über die Zusammensetzung und Veränderung der Spurgaskonzentrationen in der Atmosphäre früherer Zeiten. Methodisch wird das Verhältnis der stabilen Sauerstoff-Isotope 18O/ 16O im Eis genutzt, um beispielsweise die Temperatur zur Einlagerungszeit zu rekonstruieren. Das Wasserstoff-Isotop 2H (Deuterium) wird unter anderem herangezogen, um die Niederschlagsverteilung, Windrichtung und Feuchtigkeitsquellen zu rekonstruieren. Niedrige Konzentrationen von 18O und 2H im Eis weisen auf niedrige Temperaturen bzw. eine Kaltphase hin.
Aus den eingeschlossenen Luftblasen im Eis kann die Konzentration der Spurengase in der früheren Atmosphäre rekonstruiert werden. Die beiden wichtigsten Spurengase, welche zur Ermittlung paläoklimatischer Verhältnisse untersucht werden, sind Kohlendioxid (CO2) sowie Methan (CH4). Das relativ lange Zeit in der Atmosphäre verweilende CO2 stellt einen hervorragenden Indikator für langfristige Klimaschwankungen dar. Methan dient als Marker für die Bioaktivität auf der Erde, da Methan vorwiegend in Feuchtgebieten oder Mooren produziert wird. Zwischen Spurengasen und der Temperatur besteht ein Zusammenhang: Hohe Konzentration an CO2 und CH4 gehen mit warmen Phasen (Warmzeit) und niedrige Konzentrationen mit kalten Phasen (Kaltzeit) einher. Die Analysen der Eisproben erfolgt u.a. durch Laser-Infrarot-Spektrometer oder Laserablation induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS).
Eisbohrkerne aus der Arktis und Antarktis wurden in verschiedenen Projekten an verschiedenen Orten gewonnen. Zu den bekanntesten zählen der Vostock-Eisbohrkern (Bohrtiefe: 3.623 m) und der Dome C-Eisbohrkern (Bohrtiefe: 3.270 m) aus der Antarktis sowie der GRIP-Eisbohrkern (Bohrtiefe: 3.029 m) und North GRIP-Eisbohrkern (Bohrtiefe: 3.085 m) aus dem grönländischen Eisschild. Mit dem Vostock-Eisbohrkern konnte das Klima der Südhalbkugel der letzten 420.000 Jahre rekonstruiert werden. Das älteste Klimaarchiv, welches durch Eisbohrkerne gewonnen wurde, ist der Eisbohrkern von Dome C. Er ermöglicht einen Rückblick in das Klima der letzten 890.000 Jahre. Das Alfred-Wegener-Institut ist in Deutschland das führende Institut für Polar- & Meeresforschung und unterhält in der Antarktis unter anderem die Forschungsstation Kohnen, an der bis zum Jahr 2006 im Rahmen eines EU Gemeinschaftsprojektes ebenfalls Eisbohrkerne gezogen wurden.
Sedimente als Klimaarchiv:
© USGS - Foraminiferen unter dem Elektronenmikroskop
Tiefseesedimente bestehen aus einem hohen Anteil an Überresten (z.B. Schalen, Gehäuse) von Lebewesen. Für die paläoklimatische Rekonstruktion sind vor allem die Kalkgehäuse von Foraminiferen nützlich. Diese durchschnittlich zwischen 200 und 500 Mikrometer großen aquatischen Einzeller reagieren sehr sensibel auf Umweltveränderungen und erlauben Rückschlüsse auf Umweltparameter wie Salzgehalt, Temperatur oder Strömungsgeschwindigkeit von bestimmten Meeresregionen. Aus der chemischen und isotopischen Zusammensetzung ihrer Kalkgehäuse ist ein Abbild der Umweltbedingungen zu Lebzeiten der Lebewesen. Das Vorkommen der einzelnen Arten ist teilweise auf bestimmte Wassertiefen beschränkt, woraus Rückschlüsse auf Meeresspiegelschwankungen oder Meereisbedeckung gezogen werden können.
Im Sediment können in den verschiedenen Schichten Kalküberreste mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung vorkommen. Die chemische Zusammensetzung von Kalk(schalen) (CaCO3) beinhaltet u. a. Kohlenstoff und Sauerstoff. Durch die Analyse des Isotopenverhältnises 18O/ 16O bzw. 13C/ 12C werden Rückschlüsse auf die klimatischen Bedingungen gezogen. Kalt- und Warmzeiten können mittels Tiefseesedimentbohrkernen über viele Millionen Jahre zurück datiert werden. Erste Tiefseebohrungen starteten 1968. Es folgten Projekte wie das Deep Sea Drilling Project (DSDP) sowie das Ocean Drilling Program (ODP). Aktuell laufen bis zum Jahr 2013 Bohrungen im Rahmen des Integrated Ocean Drilling Program (IODP).
© Haneburger / Wikipedia - Bänderton
Eine besondere Form des Klimaarchivs Sediment sind Warven, die hauptsächlich in Seen vorkommen. Warven sind jährliche Ablagerungsschichten, deren Zusammensetzung aufgrund von jahreszeitlichen Einflüssen variiert. Durch die Schwankungen der Temperatur und des Niederschlags im Verlauf eines Jahres, verändert sich auch der Sedimenteintrag durch die Zuflüsse in die Seen. Wenn Warven vorhanden sind, wird ein Jahr durch zwei Schichten im Sediment repräsentiert, wobei sich die Schichten eines Jahres in ihrer Mächtigkeit, Korngrößenzusammensetzung, Farbe, und der Menge organischer Anteile voneinander unterscheiden. Je nach Zusammensetzung lassen sich Rückschlüsse auf die Temperatur, den Niederschlag oder auch die solare Strahlungsschwankung ziehen. Ebenso können in Warven klimarelevante Ereignisse wie Vulkanausbrüche wiedergefunden werden und bilden so Chronologien der Klimaschwankungen der letzten 40.000 Jahre.
Sedimente kommen jedoch nicht nur im Meer oder in Seen vor sondern können Bestandteil ganzer Regionen, Landstriche oder Landschaften sein. Eine Möglichkeit der Altersbestimmung von Sedimentschichten ist das optisch stimulierte Lumineszenzverfahren (OSL). Durch die Bestrahlung der Sedimentprobe mit Licht erfolgt eine Elektronenumverteilung, die eine Lichtemission verursacht, wobei deren Intensität gemessen wird. Darüber lässt sich dann das Alter bestimmen, wobei eine Datierung von Sedimenten der letzten 150.000 Jahre möglich ist.
Eine weitere Methode der Alterbestimmung, vor allem von Sedimenten die Quarz enthalten, ist das Verfahren der Elektronenspinresonanz (ESR). Mit einem ESR Spektrometer wird der durch die Bestrahlung veränderte Energiezustand von einigen Elektronen der Probe gemessen. Dadurch kann die letzte Erhitzung (z.B. durch einen Vulkanausbruch) oder der letzte Kontakt mit Sonnenlicht (z.B. vor der Überlagerung mit „neuem“ Sediment) zeitlich bestimmt werden. Die Bestimmungsgrenze dieser Methode liegt bei 200.000 bis 300.000 Jahren. Neben der Altersbestimmung von quarzhaltigen Sedimenten findet dieses Verfahren auch bei der Altersbestimmung von Dünen, Korallenbänken, Kalkschalen oder Mammutstoßzähnen Anwendung.
In Sedimenten sind häufig pflanzliche oder tierische Fossilien eingeschlossen, die mit dem bloßen Auge erkennbar sind. Das können beispielsweise Gräser, Früchte, Blätter, Holzreste oder Überreste von Tieren sein. Die Auswertung dieser, mit dem bloßen Auge sichtbaren Einschlüsse, wird als Großrestanalyse bezeichnet. Die Großrestanalyse ist hilfreich bei der Altersbestimmung der Sedimentschicht und ermöglicht Rückschlüsse auf die klimatischen Bedingungen und das Ökosystem am Fundort. Die Großrestanalyse ergänzt sich sehr gut mit der Pollenanalyse.
Weitere Möglichkeiten der Klimarekonstruktion:
© Dartmouth Electron Microscope Facility - Verschiedene Pollen unter dem Elektronenmikroskop
Die Analyse der Pollen ermöglicht Rückschlüsse auf die Vegetationsverhältnisse. Nicht nur das Vorkommen bestimmter Arten, sondern auch die relative Häufigkeit von Pflanzensippen, also die Zusammensetzung der Pflanzengesellschaften, lassen sich so rekonstruieren, Der prozentuale Anteil von Pollen einer Probe wird in ein Pollendiagramm übertragen, wobei auf der y-Achse das Alter des Sediments und auf der x-Achse die relative Häufigkeit der verschiedenen Pollenkörner aufgetragen ist. Auf diese Weise lässt sich bestimmen, zu welcher Zeit welche Pollen in welcher Häufigkeit aufgetreten sind. Das Diagramm ist damit ein Abbild der Vegetationsgeschichte.
Die Schwankungen einzelner Klimafaktoren lassen sich mit der Pollenanalyse nicht nachvollziehen, wohl aber der allgemeine Wandel des Klimas. Beispielsweise konnte die Waldentwicklung in Mitteleuropa nach der letzten Eiszeit anhand der jeweils vorherrschenden Baumarten rekonstruiert werden. Durch den Vergleich mit heutigen Pflanzengesellschaften und deren Anforderungen an die Umweltbedingungen, ließ sich das Paläoklima der letzten Millionen Jahre (Quartär und Tertiär) rekonstruieren.
Korallen bestehen aus Kalk und bilden analog zu Bäumen Jahresringe aus. Mit Hilfe von Isotopenuntersuchungen des Kohlenstoffs kann das Alter der Jahresringe bestimmt werden. Ähnlich wie bei den Bäumen lässt sich von der Charakteristik der einzelnen Jahresringe auf die Umweltbedingung schließen. Korallen existieren nur in bestimmten Wassertiefen und bei spezifischen Wassertemperaturen. Daher können sie genutzt werden, um Erkenntnisse über die Veränderungen der Wassertemperatur und des Meeresspiegelstands zu erlangen.
Tropfsteine in Höhlen (Stalagmiten, Stalaktiten) schließen bei ihrer Entstehung u. a. Uran, Kohlenstoff und Sauerstoff ein. Für die Altersbestimmung kann die Uran-Thorium-Datierung verwendet werden, bei der Uranisotope zu Thorium (Th230) zerfallen. Diese Methode ermöglicht eine Alterbestimmung von Proben auf über 500.000 Jahren. Die Analyse der Isotopenverhältnisse von 18O/ 16O gibt Auskunft über die Temperatur und Niederschlagsverhältnisse während der Bildungszeit der Tropfsteine.
Fazit:
Ansprechpartner
