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Viele klimatische Wechselwirkungen sind noch Neuland © APA (epa)
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Klima im Wechselspiel der großen und kleinen Skalen

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31.03.2015
  • Wien (APA-Science) - Mit dem massiven Ausstoß von Treibhausgasen seit Beginn der Industrialisierung scheint der anthropogene Einfluss auf das Klima der Gegenwart und der näheren Zukunft unbestritten. Mit einem Rückblick in die Erdgeschichte können die Geowissenschaften zwar kaum unmittelbare Lösungen anbieten, sehr wohl aber bei der Einschätzung der großen Zeiträume und Einflussfaktoren helfen, denen das Klima auf verschieden langen Zeitskalen unterworfen war.

  • Die Auswirkungen der Industrialisierung sind Klimaforschern zufolge nicht zu übersehen, und das sei eindeutig messbar: In Österreich schlägt das Thermometer sogar überdurchschnittlich aus. Laut dem "Österreichischen Sachstandsbericht Klimawandel 2014" ist die Temperatur seit 1880 im globalen Mittel um fast ein Grad Celsius gestiegen, während in Österreich die Erwärmung nahezu zwei Grad betrug - etwa die Hälfte davon ist seit 1980 zu verzeichnen.

  • Die Änderungen seien überwiegend durch anthropogene Emissionen von Treibhausgasen sowie andere menschliche Aktivitäten, welche die Strahlungsbilanz der Erde beeinflussen, verursacht. Der Beitrag durch die natürliche Variabilität des Klimas beträgt demnach mit hoher Wahrscheinlichkeit weniger als die Hälfte. "Der vergleichsweise geringe globale Temperaturanstieg seit 1998 ist wahrscheinlich ein Beispiel für natürliche Klimavariabilität", heißt es in dem unter Mitwirkung von 240 Forschern mit Unterstützung des Klima- und Energiefonds entstandenen Bericht.

  • Ohne umfangreiche Zusatzmaßnahmen zur Emissionsverminderung sei verglichen mit dem ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts bis zum Jahr 2100 im globalen Mittel ein Temperaturanstieg von drei bis fünf Grad zu erwarten. Selbst verstärkende Prozesse wie die zusätzliche Freisetzung von Treibhausgasen durch das Auftauen von Permafrostböden in den arktischen Regionen oder die Eis-Albedo-Rückkopplung spielen dabei eine wichtige Rolle.

  • Szenarien im Kontext

  • Erdgeschichtlich gesehen sind große Temperaturschwankungen über lange Zeiträume nicht ungewöhnlich. So hat ein internationales Forscherteam durch Bohrungen tief unter den durch einen Meteoriteneinschlag entstandenen Kratersee El'gygytgyn im Nordosten von Sibirien herausgefunden, dass die Arktis vor 3,6 Mio. Jahren vermutlich weitgehend eisfrei und im Sommer um bis zu neun Grad wärmer war als heute.

  • Impaktforscher Christian Köberl, der bei dem Großprojekt im Rahmen des vom "International Continental Scientific Drilling Program" (ICDP) geförderten Großprojekts als einer der vier Projektleiter fungierte, nimmt daraus vor allem eine Botschaft mit, was das Klima betrifft: "Natürliche Prozesse operieren auf völlig unterschiedlichen Zeitskalen wie jene, mit denen wir jetzt konfrontiert sind, mit diesen anthropogen induzierten Klimaänderungen." Darum dürfe man jene Daten, die besagen, die Arktis sei schon einmal eisfrei gewesen, nicht fehlinterpretieren. "Das ist über viele Tausende Jahre passiert und die Natur hatte Zeit, sich anzupassen. Jetzt geschehen diese Änderungen innerhalb von 100 Jahren", so der Direktor des Naturhistorischen Museums (NHM) und Obmann der Kommission für Geowissenschaften der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Gespräch mit APA-Science.

  • Verständnis für große Zyklen

  • In der Paläoklimaforschung hat man es freilich auch mit ganz anderen Einflussfaktoren als Treibhausgasen zu tun, etwa mit solaren und astronomischen Zyklen. "Die Geologie ist ganz wichtig, um die großen Zyklen zu verstehen, weil - auch in den Medien - immer wieder verschiedene Skalen zusammengeworfen werden", mahnt Mathias Harzhauser, Leiter der Geologisch-Paläontologischen Abteilung im NHM, zur Vorsicht. Immer wenn er Laien erkläre, wir würden derzeit in einer Kaltzeit leben, stoße er auf Verblüffung. "Diese kühlen Phasen sind erdgeschichtlich gesehen eigentlich die Ausnahme und kurze Phasen. Die längste Zeit nehmen die Treibhausphasen ein", so Harzhauser.

  • "Die Eiszeit, in der wir leben, begann vor ungefähr 34 Mio. Jahren", erklärt der Experte. Das Wegdriften von Australien und Südamerika von der Antarktis öffnete zwei Meeresstraßen, wodurch sich um die Antarktis ein kaltes Strömungssystem etablierte, das schließlich zur Abkühlung und Bildung einer Eiskappe auf dem neuen Kontinent führte. Das hatte weitreichende Auswirkungen auf den Wärmetransport des Planeten. Durch die Reflexion des Sonnenlichts an der Eisoberfläche (Eis-Albedo-Rückkopplung) war eine weitere Abkühlung des Klimas die Folge. Dieser sich aufschaukelnde Effekt dauerte bis noch vor ca. 2,6 Mio. Jahren an.

  • "Ab diesem Zeitpunkt setzen dann unsere 'modernen' Eiszeitzyklen ein, mit denen die Menschen großgeworden sind, mit ihren ganz markanten Kalt- und Warmphasen", so Harzhauser. Innerhalb der Gesamteiszeit mit ihren relativ regelmäßigen, fast metronomartigen Zyklen wäre nun eigentlich der Höhepunkt einer wärmeren und der Übergang in eine kältere Phase zu erwarten. "Aber durch den menschengemachten Anteil übersteuern wir das System, das Maximum der Kurve ist bereits überschritten", so Harzhauser. Dennoch werde es irgendwann wieder zu einer Abkühlung kommen, unabhängig vom anthropogen bedingten Temperaturanstieg.

  • Astronomische Einflüsse

  • So sehr in dieser Frage halbwegs Einigkeit herrscht, so spekulativ gestaltet sich die Diskussion um andere mögliche Einflussfaktoren und deren Zusammenhänge untereinander. Inwieweit astronomische Zyklen, also etwa Schwankungen der Umlaufbahn der Erde um die Sonne und die Effekte der dadurch höheren oder geringeren Sonneneinstrahlung beispielsweise auf den Kohlenstoffzyklus des Planeten eine Rolle spielen, ist noch wenig erforscht.

  • Grob werden drei astronomische Zyklen unterschieden: Die Neigung der Erdachse, also der Winkel zur Bahnebene um die Sonne, ist alle 41.000 Jahre mit 24,5 Grad am größten. Auch die Exzentrizität der elliptischen Erdbahn um die Sonne verändert sich mit der Zeit. Die Ellipsenform ändert sich nach einer komplizierten Überlagerung von vier Zyklen, wobei eine Schwankung mit einer Periode von 100.000 Jahren und eine mit 413.000 Jahren dominieren.

  • Der Mechanismus dahinter, wie und wann sich diese Zyklen, die Präzession der Erdachse (die Richtungsänderung der Erdachse als Folge der Massenanziehung des Mondes und der Sonne in Verbindung mit der Abweichung der Erdfigur von der Kugelform) und die Gravitationskräfte der Sonne, des Mondes und der anderen Planeten gegenseitig beeinflussen oder überlagern, ist kompliziert. Noch komplizierter wird es, wenn man für Berechnungen des Klimas zum Beispiel den sogenannten DeVries-Effekt in Betracht zieht, der den Zusammenhang zwischen Sonneneinstrahlung und den Gehalt des Kohlenstoff-Isotops C14 in der Atmosphäre beschreibt. Im Grunde geht es dabei um langfristige Sonnenzyklen und Sonnenflecken-Aktivitäten, die einmal mehr, und einmal weniger Sonnenenergie freisetzen.

  • Eine Gleichzeitigkeit von hoher Exzentrizität, hoher Achsenneigung und einer Sonnennähe im Nordsommer ergibt laut dem "Informationsportal Klimawandel" der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) beispielsweise eine besonders starke sommerliche Einstrahlung in den klimaempfindlichen hohen Breiten der Nordhalbkugel. "Genau dort befinden sich die großen Landmassen Sibiriens und Kanadas. Somit kann dort die positive Eis-Albedo-Rückkopplung wirksamer werden", heißt es darin etwa über die "Summe aller astronomischen Klimaantriebe".

  • Zusammenwirken auf den Zeitskalen

  • Betrachtet man das Klimasystem Erde insgesamt mit all seinen Verkettungen, etwa zwischen Eisschilden und Ozeanen, dann bereitet der Gesamtkontext der verschiedenen Ebenen den Geo- und Klimawissenschaftern noch einiges Kopfzerbrechen: "Was wir da noch nicht wirklich verstehen ist, wie diese Komponenten des Erdsystems auf verschiedenen Zeitskalen zusammenwirken", sagt Christoph Spötl vom Institut für Geologie der Universität Innsbruck. Die Erkenntnisse der Paläoklimaforschung würden dabei die instrumentellen Beobachtungen - seit 1760 in Österreich und flächendeckend seit maximal erst 150 Jahren - auf längeren Zeitskalen ganz wesentlich erweitern.

  • Die Paläoklimaforschung nutzt verschiedene "Klimaarchive", etwa Sedimente von Seen, Baumringe, Proben aus Bohrungen in polaren Eisschilden oder in der Tiefsee, denen sie mit unterschiedlichen Laboranalysen Informationen entlockt. Spötl und sein Team an der Uni Innsbruck haben das erst vor kurzem wieder mit der Analyse von Tropfsteinen aus der Schweiz aufgezeigt. Die Stalagmiten wachsen über Tausenden von Jahren in Höhlen und speichern dabei auch Informationen über klimatische Veränderungen. Aufgrund des Verhältnisses von leichten und schweren Sauerstoffisotopen konnten die Forscher um Erstautor Marc Luetscher nachweisen, dass eiszeitlicher Niederschlag in den Alpen vorwiegend aus dem Süden kam und nicht wie heute von Nordwesten an die Gebirgskette geführt wird.

  • Die Analysen der Tropfsteine ermöglichten aber auch die bisher genaueste Datierung jenes Zeitraums, in dem die Maximalvereisung in den Alpen stattgefunden hat. Die Messung der Verhältnisse der Uran- und Thorium-Isotope erlaubte es, die Zehntausende Jahre alten Proben auf rund 100 Jahre genau zu datieren. So habe der Höhepunkt der letzten Eiszeit in den Alpen ca. 3.000 Jahre früher als bisher angenommen stattgefunden - also vor etwa 25.000 Jahren. Dabei, so Spötl, sei die Lehrmeinung gewesen, dass in den kalten Gebirgshöhlen während der Eiszeit keinerlei Wachstum von Tropfsteinen denkbar sei. "Tatsächlich verfügen wir nun dank dieser Proben von Marc Luetscher über die ersten, sehr gut datierten, und vor allem kontinuierlichen Klimaaufzeichnungen zur Zeit des Höhepunkts der letzten Eiszeit in Europa."

  • Klimamodelle: "Daten-Leute" und Numeriker

  • Aktuelle Forschungsdaten wie diese finden oft Eingang in groß angelegte Klimamodelle, aber noch nicht so systematisch, wie es sein könnte. Zwischen den "Datenleuten" - wozu sich Spötl und sein Team zählt - und den "Numerikern", die Klimamodellierung als ihre Hauptaufgabe betrachten, gebe es in puncto Koordination und Kooperation durchaus noch Luft nach oben: "Es existieren zwei Communities, aber auch Anstrengungen, beide näher zusammenzubringen", so der Experte. Die von Paläoklimaforschern erhobenen Daten fließen weltweit im Wesentlichen in zwei große Datenbanken. Eine ist an der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) angesiedelt, die andere (Pangaea) wird von Deutschland aus betrieben.

  • "Die Herausforderung besteht darin, neben dem gut verstandenen Treibhauseffekt und seinen Folgen für den Energiehaushalt der Atmosphäre die Vielzahl der damit direkt und indirekt zusammenhängenden Änderungen im Erdsystem zu erfassen, und dies nicht nur auf großen räumlichen Skalen, sondern auch regional aufgelöst. So sind etwa Niederschlagsabschätzungen gängiger Klimarechenmodelle noch mit sehr großen Unsicherheiten behaftet. Präzise Paläoklima-Daten stellen dabei wichtige Fixpunkte in der Klimavergangenheit dar, mit denen man die Performance eines Rechenmodells vergleichen kann." Dennoch, so Spötl, sollte man auch auf Überraschungen im Erdklima gefasst sein und nennt als Vergleich eine Beethoven-Sinfonie: Hört man in die ersten Takte hinein, so glaubt man das Motiv erfasst zu haben. Dabei seien gerade Beethovens Sinfonien voll von ungeahnten Überraschungen: "Alles eine Frage der Zeitskala, wie beim Klima der Erde."

  • Aufgrund der immanent hohen Komplexität des Erdsystems und seiner Vielfalt an nichtlinearen Koppelungen seien Aussagen über die Klimazukunft mit nicht unbeträchtlichen Unsicherheiten behaftet, die auch im "Österreichischen Sachstandsbericht Klimawandel 2014" detailliert aufgeführt werden. "Es ist eine der größten Herausforderungen, diese Unsicherheiten Nicht-Fachleuten und insbesondere politischen Entscheidungsträgern als etwas Wertvolles und Informatives zu vermitteln", so Spötl.

  • Von Mario Wasserfaller / APA-Science

  • Service: Der österreichische Sachstandsbericht Klimawandel im Internet: http://www.ccca.ac.at/de/apcc/aar14/

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