Die Klimafibel E-Book

Helmut Schläfer

• Herausgeber: BoD - Books on Demand
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Seitenzahl: 210

Beschreibung

Über das Klima und seine Veränderung wird viel gestritten. Die einen sehen uns untergehen, andere raten zu mehr Gelassenheit. Tatsächlich ist die Entwicklung des Klimas unserer Erde eine komplexe Sache. Viele Faktoren und lange Zeiträume bestimmen die Entwicklung von Temperaturen, Niederschlägen und Klimazonen. Autor Helmut Schläfer hat auf der Suche nach einer Antwort zahlreiche wissenschaftliche Parameter zusammengetragen – von Eiszeiten über Treibhausgase und Aerosole bis zu den großen Strömungen in den Meeren und der Atmosphäre sowie dem Einfluss unserer Sonne aufs Klima. So ist die Klimafibel entstanden. Sie soll anregen, sich offen und vorbehaltlos auseinanderzusetzen mit diesem komplexen Thema. Möglicherweise steht am Ende, dass wir doch nicht untergehen und es sogar Hoffnung gibt.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Was ist Klima?

I. KLIMAGESCHICHTE: wellenförmige Temperatur- und Treibhausgasschwankungen seit Millionen von Jahren

1. Indirekte Messungen (Proxydaten, Proxys)

2. Prinzip der Isotopenuntersuchungen

3. Altersbestimmung, Zeitdatierung

Uran-Blei-Methode

Auswertung von Eisbohrkernen und Sedimentbohrkernen

Delta-C-14 Methode (Radiokarbonmethode)

Auszählung von Baumringen und Korallenringen

Das Alter des Sonnensystems mit Erde und unserer Milchstraße

4. Temperaturbestimmung

Delta-18-Sauerstoffmethode

Instrumentelle Ermittlung der Globaltemperatur seit 1860

Temperaturen von Anfang an bis heute

Sieben Eiszeitalter

Milanković-Zyklen im letzten Eiszeitalter (Pleistozän)

Bond-Zyklen (zyklische Temperaturphasen) während der Kaltzeiten des Pleistozäns

Die Heinrich-Ereignisse (Kaltphasen)

Die Dansgaard-Oeschger-Ereignisse (Warmphasen)

Bond-Ereignisse (zyklische Temperaturperioden) im Holozän

Die letzten 2000 Jahre

Die Hockeyschlägerkurve

Die Zeit der Industrialisierung 1850 bis heute

5. Ermittlung der Sonnenaktivität

Untersuchungsergebnisse

6. Bestimmung von Treibhausgasen

Analyse von Treibhausgasen in Eisbohrkernen

Delta-C13-Methode in Fossilien

Moderne Vermessung der Atmosphäre (seit etwa 1950)

Atmosphärische Treibhausgas-Konzentrationen in der fernen Vergangenheit bis zur Gegenwart

Die atmosphärische CO

2

-Konzentration seit 1750

Die atmosphärische CO

2

-Konzentration folgt der Globaltemperatur

Die atmosphärische Methankonzentration

Die atmosphärische Lachgaskonzentration

Die atmosphärische Ozonkonzentration

Zusammenfassende Darstellung der Treibhausgase

II. KLIMAEQUIPMENT: innere Dynamik, äußere Antriebe

1. Grundlagen

2. Absorption, Reflexion, Albedo

3. Sonnenstrahlen

Sichtbares Licht (380 nm-750 nm)

Nahes Infrarotlicht (750 nm bis 1.000/1.400 nm)

Ultraviolettes Licht (40/100 nm bis 380 nm)

4. Die terrestrische Rückstrahlung der Erde (3,5 Mikrometer bis 100 Mikrometer)

5. Der natürliche Treibhauseffekt

Der Strahlungshaushalt der Erde

7. Der Strahlungsantrieb

III. LUFT- UND MEERESSTRÖMUNGEN: starke Einflüsse auf breitengradbezogene und regionale Klimate

1. Die Luftströmungen

Konvektionszellen

Der Coriolis-Effekt

2. Die globalen Meeresströmungen

Die Meeres- und Luftströmungen des Atlantischen Ozeans

Die Meeres- und Luftströmungen des Pazifischen Ozeans

Die Meeres- und Luftströmungen des Indischen Ozeans

IV. DIE DIRIGENTEN DES KLIMAS: Taktgeber für das Rückkopplungsorchester

Taktgeber des Klimas

Einteilung der Klimadirigenten

Die von den Klimadirigenten ausgesendeten Signale sind sehr unterschiedlich

1. Himmelsmechanik

Die Eigenbewegungen der Erde und ihre Fortbewegung im All

Auswirkungen dieser astronomischen Abläufe auf das Klima

Zwanzig Milanković-Zyklen im Pleistozän

Sechs Eiszeitalter in den letzten eine Milliarde Jahren

2. Sonnenzyklen oder Sonnenintensitätszyklen: bewirken wellenförmige Temperaturverläufe innerhalb der Milanković-Zyklen

Die Bond-Zyklen während der Kaltzeiten des Pleistozäns, die Bond-Ereignisse im Holozän

3. Ozeanzyklen: starke Wirkung auf küstennahe Regionen,Beeinflussung der Globaltemperatur

Die Pazifische Dekaden Oszillation, PDO, im Nordpazifik

El Niño, Southern Oscillation, ENSO, La Niña im tropischen Pazifik

Die Atlantische Multidekaden Oszillation, AMO, im Nordatlantischen Becken

4. Treibhausgase:Wechselbeziehung zwischen Treibhausgasen und Sphären,Zusammenspiel von Emission und Absorption, Klimawirksamkeit

Zusammensetzung der Atmosphäre

Strahlungsantrieb der Treibhausgase

Treibhausgase und Sphären

Kohlendioxid

Quellen und Senken

Die sektorale Aufteilung der anthropogenen CO

2

-Emissionenin Deutschland

Die weltweite Verteilung der Treibhausgasemissionen in CO

2

-Äquivalenten

Das Ranking der Länder in Bezug auf ihre Treibhausgasemissionen

Kohlenstoffspeicher in den Sphären, Kohlenstoffkreislauf, Struktur der Atmosphäre

Struktur der Atmosphäre

Der CO

2

-Austausch zwischen der Atmosphäre und der Hydrosphäre

Der CO

2

-Austausch zwischen der Atmosphäre und der Biosphäre

Der CO

2

-Austausch zwischen der Atmosphäre und der Lithosphäre

Der Kohlenstoff-Austausch zwischen der Atmosphäre und der Pedosphäre

Das Methan

Quellen

Die Gegenmaßnahmen zur Methanfreisetzung

Das Lachgas

Quellen

Die Gegenmaßnahmen zur Lachgas- und Ammoniakfreisetzung

Das Ozon

Wichtige Vorläufergase

Der Einfluss der Treibhausgase auf das Klima, Modelle und Prognosen

Treibhausgase und Klimawandel

Die CO

2

-(Gleichgewichts)-Sensitivität, ECS, und die vorübergehende Klimaantwort auf CO

2

, TCR

Klimamodelle für die nahe Zukunft

5. Aerosole: Reflexion und Absorption bremsen den Treibhauseffekt, ohne Aerosole keine Wolken

Primäre und sekundäre, direkte und indirekte Aerosole

Von den Vorläufergasen zu den Wolkenkondensationskeimen (CCNs, Cloud Condensation Nuclei)

Quellen der Vorläufergase

Schwefeldioxid und Dimethylsulfid

Quellen von Stickstoffdioxid

Quellen von Ammoniak

Wirkmechanismen der Aerosole

Direkte Wirkung von Aerosolen

Indirekte Aerosolwirkung

Semidirekte Aerosolwirkung

Verweildauer der Aerosole in der Atmosphäre

Klimawirksamkeit der Aerosole

6. Veränderungen der Vegetation und des Erdbodens

7. Vulkanismus: Eruptionen in die Stratosphäre sorgen für eine vorübergehende Abkühlung

Auswirkungen auf das Wetter bzw. Klima

8. Impaktionsereignisse: schwere Asteroideneinschläge führen zu Klimakatastrophen

V RÜCKKOPPLUNGEN IM KLIMAORCHESTER: das Rückkopplungsorchester bestimmt das Klima der Erde und wirkt außerdem wie ein großer Thermostat

1. Rückkopplungsprinzip

2. Beschreibung und Funktion

3. Rückkopplungselemente als Hauptakteure der Rückkopplungen

4. Das Klimaorchester

5. Die Rückkopplungsprozesse im Einzelnen

Rückkopplung: Lufttemperatur/ Wasserdampf- Wolken

Rückkopplung: Lufttemperatur/ CO

2

-Luftgehalt- Pflanzendecke

Rückkopplung: Lufttemperatur/ Eis-Albedo

Rückkopplung: Lufttemperatur/ Landeis-Albedo

Rückkopplung: Lufttemperatur/ Meereis-Albedo-Golfstrom

Rückkopplung nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz

Rückkopplung »Svensmark-Effekt»

6. Die Rückkopplungsergebnisse

In der fernen Vergangenheit bis zum Beginn der Industrialisierung in der Mitte des 19. Jahrhunderts

Seit Beginn der Industrialisierung bis heute

VI. ANTHROPOGENE UND NATÜRLICHE STRAHLUNGSANTRIEBE:Diskussion der vorliegenden Fakten

VII. VORSTELLBARE KLIMAKRISEN

1. Die Kippelemente, Kipppunkte, Planetare Grenzen

2. Temperaturinduzierte Klimaszenarien

IPCC, Weltklimarat

Medien, Wissenschaft, Politik

Resümee

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Vorwort

Die Bedeutung des Klimas und der Umwelt für die Menschheit ist unbestritten. Schädigende Einflüsse jeglicher Art auf unsere Erde sollten so weit wie möglich reduziert bzw. komplett unterbunden werden. Doch wieviel Zeit bleibt dafür? Können neben den Klimaschutzmaßnahmen noch andere für die Menschen wichtige Aspekte berücksichtigt werden wie eine ausreichende Transformationszeit für die Wirtschaft, die Versorgungssicherheit und die soziale Sicherheit?

Die Kernfrage des aktuellen Klimawandels ist, wie hoch der menschgemachte Anteil durch die Emissionen von Treibhausgasen und wie hoch der natürliche Anteil durch Himmelsmechanik, Sonnen- oder auch Ozeanzyklen ist. Davon hängt ab, inwieweit der Mensch überhaupt in das Klimageschehen eingreifen kann. Während der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), im deutschsprachigen Raum auch Weltklimarat genannt, den menschgemachten Anteil bei nahezu 100 % sieht, gehen viele Klimawissenschaftler von einem stattlichen natürlichen Anteil aus.

Im Rahmen des aktuellen Klimawandels ist die globale Durchschnittstemperatur der oberflächennahen Luft auf unserer Erde von 1850, dem Ende der sogenannten Kleinen Eiszeit, bis heute um gut 1°Celsius gestiegen. Währenddessen hat die atmosphärische CO2- Konzentration von 280 ppm (parts per million) auf etwa 420 ppm zugenommen.

Die Grundlage für das Thema »Klimawandel« stellen die Klima-Zustandsberichte (Assessement Reports) des Weltklimarates dar, die in mehrjährigen Abständen veröffentlicht werden. Anfangs ging ich wie 97 % der deutschen Bevölkerung davon aus, dass es sich beim Weltklimarat um ein integres, neutrales, über alle Zweifel erhabenes Wissenschaftsgremium handelt, das als Knotenpunkt für neue wissenschaftliche Erkenntnisse über Ursachen und Folgen des Klimawandels aus der ganzen Welt fungiert. Hier würden eingereichte wissenschaftliche Arbeiten geprüft und gefiltert und sich deren Erkenntnisse in den durchschnittlich etwa alle fünf Jahre veröffentlichten Reports niederschlagen, und zwar ohne jegliche externe politische Einflussnahme. Diese Annahme trifft leider nicht zu. Wesen und Funktion des Weltklimarates werden in dieser Fibel eingehend erläutert.

Auch Politik und Wissenschaft scheinen zwei Kreise, die sich in beunruhigender Weise übereinander geschoben haben: Mit der Politik meinungskonforme Klimawissenschaftler erhalten für ihre Institute lukrative Forschungsaufträge und stehen gern bei Beratungen zur Verfügung.

Inzwischen nehmen sich Politik und Medien des Themas »Klimawandel« besonders öffentlichkeitswirksam an, wobei sie sich dabei beiderseits nicht selten von der Faktenbasis entfernen. So wurden die schweren Überflutungen des Ahr- und Erfttals im Jahr 2021 als alleinige Folge des Klimawandels dargestellt, obwohl bekannt gewesen sein dürfte, dass beide Täler seit dem Mittelalter über 40x massiv überflutet wurden, ebenfalls mit verheerenden Folgen für Mensch und Tier, und das zu einer Zeit bevor der Mensch durch Treibhausgasemissionen Einfluss auf das Klima nahm.

Klimawissenschaftler, die eher zu Klimaaktivisten mutiert sind, treten als solche gern in den Medien auf. Sie widersprechen derartigen falschen Darstellungen nicht oder räumen zumindest ein, dass diese Überschwemmungen nicht monokausal auf den Klimawandel zurückzuführen sind. Die Klimawissenschaftler, die spektakuläre Klimaszenarien verbreiten, erfahren durch die Medien deutlich mehr Aufmerksamkeit als Wissenschaftler, die nüchtern mit Ergebnissen aufwarten, die nicht auf dieser Linie liegen. Inzwischen sind die Letztgenannten in den Medien, allen voran der ÖRR, nicht mehr vertreten.

Aktivistische Non Governmental Organisations (NGOs) – Fridays for Future (FFF), Ende Gelände, Letzte Generation, Greenpeace, Scientist Rebellion u.a., zum Teil mit sektenartigen Strukturen-, verbreiten bewusst wissenschaftlich nicht gesicherte angstmachende Zukunftsszenarien mit Klima-Apokalypsen und lassen sich zu haarsträubenden Aktionen hinreißen. Sie betonen: »Die Basis unserer Klimabewegung sind unbestreitbare Fakten über den menschgemachten Klimawandel- »Listen to the Science. The Science is settled«-. Klimaaktivisten der `Science Rebellion` tragen weiße Kittel, um die Wissenschaftlichkeit ihres Anliegens zu unterstreichen.

Die Klimageschichte unserer Erde ist nachweislich gekennzeichnet von einem immer wiederkehrenden natürlichen Klimawandel. Wir leben derzeit in einer Warmzeit und innerhalb dieser zusätzlich in einer Warmperiode, was zumindest einen Teil der gegenwärtigen Temperaturerhöhung erklären könnte. Dennoch sieht der Weltklimarat den anthropogenen Anteil bei nahezu 100 %.

Für den Bürger unseres Landes ist es schwierig, sich in Anbetracht der geschilderten Situation ein Bild vom objektiven Wissensstand bezüglich des aktuellen Klimawandels zu verschaffen.

Die befremdlichen Entwicklungen in der Klimaszene, mein persönlicher Ehrgeiz, selbst Ordnung in die vielen und zum Teil widersprüchlichen Klimainfos zu bekommen, insbesondere aber Sie in einen Wissensstand zu versetzen, der es Ihnen ermöglicht, das Klimageschehen ebenfalls eigenständig beurteilen zu können, ist der Anlass für diese Fibel. Betrachten Sie diese bitte als Arbeitsgrundlage. Sie sollten sich nicht scheuen, neue neutrale(!) wissenschaftliche Erkenntnisse zu ergänzen und gegebenenfalls auch Überholtes zu streichen. Im Rahmen meiner Klima-Studien hat mich besonders beeindruckt, wie wenig wissenschaftlich gesichert etliche Aussagen über Klimaursachen und -prognosen sind.

Die Behauptung der Klimaaktivisten »The Science is settled« (»Die Wissenschaft ist abgeschlossen«) ist schlichtweg falsch. Vieles in der Klimawissenschaft ist noch ungeklärt.

Aber machen Sie sich selbst ein Bild!

Was ist Klima?

Wir alle reden fast täglich über Wetter und Klima, aber wie grenzt man die beiden Bezeichnungen gegeneinander ab?

Beide Begriffe beschreiben die gleichen Zustände der Atmosphäre wie heiß oder kalt, sonnig oder bewölkt, trocken oder regnerisch, windig oder windstill. Der entscheidende Unterschied besteht in der Zeit, wie lange diese Zustände bestehen. Das Wetter beschreibt den Zustand über Stunden, einige Tage bis zu Jahreszehnten, das Klima dagegen über deutlich längere Zeiträume. Die Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organisation, WMO) setzt Zeiträume von 30 Jahren bis zu Jahrhunderten oder gar Jahrtausenden an, um statistische Eigenschaften auch sicher bestimmen zu können.

Um nun die aktuellen Klimaveränderungen und deren anthropogenen Anteil abschätzen zu können, ist ein Verständnis für die natürlichen Klimaveränderungen notwendig. Das ist nur durch einen Blick in die Erdgeschichte vor dem Einwirken des Menschen auf das Klima möglich. Deshalb bedarf es zunächst eines Blickes in die Klimageschichte.

Das Kernthema dieser Fibel ist die Globaltemperatur in der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Die Globaltemperatur ist definiert als die mittlere globale Durchschnittstemperatur auf der Erde.

I. KLIMAGESCHICHTE

wellenförmige Temperatur- und Treibhausgasschwankungen seit Millionen von Jahren

Dafür ist die Paläoklimatologie zuständig, die Wissenschaft von der Klimageschichte. Die vorindustrielle Klimaentwicklung stellt einen wichtigen Kalibrierungsdatensatz für Klimamodelle dar, um möglichst sichere Zukunftsprognosen treffen zu können. Erst seit 1860 gibt es systematische, instrumentelle Messungen als direkte Messungen, um zum Beispiel die Globaltemperaturen auf unserer Erde ermitteln zu können. Historische Aufzeichnungen zur Klimageschichte in Schrift und Bild reichen dagegen einige tausend Jahre zurück. Messungen sind hier das zentrale Thema. Beginnen wir mit den indirekten Messungen (s. Abb 1a)

1. Indirekte Messungen (Proxydaten, Proxys)

Für Einblicke in die Klimate fernerer Vergangenheit werden indirekte Messungen, sogenannte Proxydaten oder Proxys, aus natürlichen Archiven wie Bäumen, Korallen, Stalagmiten, Eisbohrkernen und Tiefsee-Sediment-Rohmaterialien herangezogen.

Von besonderem Interesse sind: die Altersdatierung, die Ermittlung von Temperatur, Niederschlag, Sonnenaktivität und der Luftgehalt von Treibhausgasen. Für die Erkundung dieser Kenngrößen spielen Isotopenuntersuchungen eine zentrale Rolle.

Deshalb möchte ich zunächst das Wesen der Isotope und das Grundprinzip dieser Untersuchungsmethode erläutern. Ein Element besteht aus verschiedenen Isotopen. Die Isotope eines Elementes unterscheiden sich durch ihre Kernsorten, die als Nuklide bezeichnet werden. Die Nuklide setzen sich aus geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen zusammen. Der Unterschied zwischen den Isotopen eines Elementes besteht in der Anzahl der Neutronen und damit ihrer Massenzahl. Diese repräsentiert die Summe von Protonen und Neutronen, die Ordnungszahl nur die der Protonen.

2. Prinzip der Isotopenuntersuchungen

Bei den Isotopenuntersuchungen wird das Verhältnis der Massen zweier Isotopenpartner zueinander ermittelt. Nur ein Isotop oder sehr wenige Isotope eines Elements sind stabil, die übrigen sind instabil, das bedeutet, sie zerfallen radioaktiv. Die stabilen Isotope haben -ohne jedweden äußeren Einfluss- ein festes Verhältnis zueinander.

Per Massenspektrometrie können die Massen der unterschiedlichen Isotope eines Elementes gemessen werden. So kann das Massenverhältnis der Isotopen zueinander, das sogenannte Isotopenverhältnis, direkt ermittelt werden. Das Isotopenverhältnis wird meist mit dem vorangestellten »Delta« kenntlichgemacht.

Zur Bestimmung von Temperaturen, Sonnenintensitäten, Niederschlägen etc. wird ein Isotopenpaar mit zwei stabilen Partnern als Indikator ausgewählt. Das Massenverhältnis der Partner zueinander verändert sich, weil ein Partner seine Masse unter dem Einfluss der Klimaparameter verändert.

Abb. 1: Isotopenpaare (eigene Darstellung)

Zur Altersbestimmung werden zwei Methoden von Isotopenuntersuchungen genutzt: Bei der Radiokarbonmethode (siehe später) ist der eine Partner des Kohlenstoff- Paares stabil, der andere zerfällt radioaktiv (s. Abb. 1b)

Bei der Uran-Blei-Methode (siehe später) hingegen sind beide Blei Isotopen-Partner stabil. Das instabile Isotop eines anderen(!) Elements, hier des Urans, zerfällt radioaktiv zum Abbauprodukt eines der beiden Bleiisotopen Partner. Dadurch verändert sich das Massenverhältnis der zwei Bleiisotope zueinander (s. Abb. 1c)

Zur Altersbestimmung einer Substanz werden dann folgende Kenntnisse herangezogen: der aktuelle Bestand des zerfallenden Isotops, der Anfangsbestand des zerfallenden Isotops, die Zerfallsrate des zerfallenden Isotops (Halbwertszeit bzw. Zerfallskurve), und das in der Regel feste Verhältnis eines Isotopenpaares mit zwei stabilen Partnern.

3. Altersbestimmung, Zeitdatierung

Um Einblicke in längst vergangene Klimate zu gewinnen, ist die Datierung der Zeit eine unabdingbare Voraussetzung. Mit den nachfolgenden verschiedenen Bestimmungsmethoden sind unterschiedlich weite Einblicke in die Vergangenheit möglich:

bis zu Milliarden von Jahren mit der Uran-Blei-Methode

bis zu einer Million Jahren durch das Zählen von Schichten in Eisbohrkernen oder Sedimententnahmen

bis zu 60 000 Jahren mit der Radiokarbondatierung= Delta-C14-Methode

bis zu 10 000 Jahren durch das Zählen von Baumringen (Dendrochronologie)

Uran-Blei-Methode

Mit dieser Methode können wir das Alter von Gesteinen, die durch das Erstarren von Magma entstanden sind, feststellen.

Im magmatischen Erstarrungsgestein, wie zum Beispiel Granit und Basalt, liegen die Bleiisotope PB 206 und PB 204 in einem festen Verhältnis vor. Das bedeutet: Kennen wir zum Beispiel die Menge eines Bleiisotopen Partners, lässt sich die Menge des anderen leicht ermitteln. Während die beiden Bleiisotope Pb 206 und Pb 204 absolut stabil sind, zerfällt das ebenfalls in magmatischem Gestein vorhandene Uran Isotop U 238 ab dem Erstarrungsprozess (!) mit einer Halbwertszeit von 4,47 Milliarden Jahren und wird über verschiedene Zwischenstufen zum stabilen Bleiisotop PB 206 (s. Abb. 1c). Die im Gestein gemessene Gesamtmenge von PB 206, bestehend aus dem ursprünglichen PB 206 und dem neu hinzugekommenen, steigt dadurch permanent. Ziehen wir von der PB 206-Gesamtmenge die ursprüngliche PB 206-Menge ab, erhalten wir die durch den radioaktiven Zerfall von Uran 238 entstandene Menge an Blei 206. Nun können wir anhand der bekannten Halbwertszeit von Uran 238 – 4,47 Milliarden Jahre – berechnen, welche Zeit hierfür benötigt wurde. Diese Zeit stellt das Alter des Gesteins dar.

Diese Methode lässt Einblicke in die Vergangenheit für Milliarden von Jahren zu. So kann damit auch das Alter der Erde bestimmt werden. Das Gestein an der Erdoberfläche ist allerdings bedingt durch geologische Prozesse jünger als die Erde insgesamt. Da Mond und Erde gleich alt sind, bedient sich die Wissenschaft deshalb der Mondgesteine, weil auf der Mondoberfläche keine zwischenzeitlichen Veränderungen eingetreten sind.

Die dargestellte Uran-Blei-Methode ist nicht an Sedimentgesteinen anwendbar, die aber zwei Drittel der Erdoberfläche bedecken und in denen die meisten Fossilien gefunden werden. Hier kann der annähernd genaue Zeitraum nur über das Alter des darüber und darunter vorgefundenes magmatisches Gestein eingegrenzt werden.

Auswertung von Eisbohrkernen und Sedimentbohrkernen

Die Altersbestimmung über Eisbohrkerne ist möglich, weil die Schnee-/Eisschichten optisch erkennbar in Jahreszeiträume getrennt werden können. Jedes Jahr kommt es nämlich zu Staubablagerungen in der schneearmen Jahreszeit. Das Auszählen der Schichten ermöglicht Einblicke in die Vergangenheit von etwa 1 Million Jahren. So können zum Beispiel in das Eis eingeschlossene Gasbläschen datiert werden. In ähnlicher Weise funktioniert das auch bei Sedimentbohrkernen.

Delta-C-14 Methode (Radiokarbonmethode)

Grundlage dieses Verfahrens ist, dass in der Atmosphäre neben dem normalen und stabilen C12 auch C14 (Radiokarbon) in sehr niedrigen Konzentrationen vorkommt. Im Gegensatz zum stabilen Kohlenstoff 12 ist das Radiokarbon instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren (s. Abb. 1b).

Jeder lebende Organismus auf Erden nimmt ständig neuen Kohlenstoff auf. In seinem Körper findet sich das gleiche Verhältnis C12 zu C14 wie in der Atmosphäre. Sobald ein Lebewesen stirbt, nimmt es keinen Kohlenstoff mehr auf. Das führt dazu, dass der C12-Gehalt unverändert bleibt, das C14 entsprechend seiner bekannten Halbwertszeit von 5.730 Jahren dagegen zerfällt und der C14-Gehalt permanent sinkt. Über das zeitgebundene Verhältnis C12 zu C14 lässt sich somit das Alter des verstorbenen Lebewesens bestimmen.

Dabei müssen Schwankungen des C12 zu C14-Verhältnisses, die über Jahrtausende vorkommen, über eine entsprechende Kalibrierung berücksichtigt werden.

Wegen der kurzen Halbwertszeit kann das Alter von Fossilien mit der Radiokarbonmethode nur bis maximal 60.000 Jahre ermittelt werden, da nach etwa 10 Halbwertszeiten die Menge an radioaktivem Radiokarbon-Material nur noch verschwindend gering ist

Auszählung von Baumringen und Korallenringen

Anhand von Jahresringen ist es möglich, das Alter von Bäumen und Korallen zu ermitteln. Mit der Altersanalyse von Bäumen (Dendrochronologie) gelingt es, bis etwa 10.000 Jahre in die Vergangenheit zurückzuschauen. Eine gute Überprüfung der Ergebnisse innerhalb dieses Zeitrahmens ist mit der Delta-C14-Methode möglich.

Das Alter des Sonnensystems mit Erde und unserer Milchstraße

Neben der Altersdatierung von organischen Substanzen und Gesteinen ist es gelungen, das Entstehungsalter der Erde und unseres Sonnensystems sowie unserer Milchstraße (Galaxie) zu ermitteln. Unser Sonnensystem mit der Erde ist 4,6 Milliarden, unsere Milchstraße circa 13,6 Milliarden Jahre alt.

4. Temperaturbestimmung

Die mittleren globalen Temperaturen in der fernen Klimageschichte werden immer indirekt mit Isotopenuntersuchungen bestimmt. Erst seit einigen Jahrzehnten ist es gelungen, anhand von direkten Messungen die Globaltemperatur über definierte Referenzzeiträume zu ermitteln. Hier die Methoden:

Delta-18-Sauerstoffmethode

Die Temperaturen in den vergangenen Zeiten lassen sich mithilfe zweier stabiler Sauerstoffisotope bestimmen: dem Isotop O18 und dem Isotop O16. Diese Sauerstoffisotope fungieren bei der Delta-O-18-Methode als sogenannte Temperatur-Proxys. Die Temperaturermittlung erfolgt aus dem eingeschlossenen Sauerstoff in Eisbohrkernen und Sedimentbohrkernen.

Wie können wir uns nun den Zusammenhang zwischen der seinerzeitigen atmosphärischen Temperatur und dem Sauerstoff in der betreffenden Eis- oder Sedimentschicht erklären?

Das mittlere Massenverhältnis zwischen den stabilen Sauerstoffisotopen O18 zu O16 hängt von der mittleren Globaltemperatur ab. Es liegt bei einer mittleren Globaltemperatur von circa 14°C bei 0,2 % zu 9,98 %.

Das Atomgewicht von O18 ist höher als das von O16, O18 ist also schwerer.

Der atmosphärische Sauerstoff, um den es bei der Temperaturermittlung geht, war und ist in Form von Wassermolekülen gebunden, und zwar entweder in flüssiger Form als Wasser (Regentröpfchen, Wolken) oder in gasförmiger Form als Wasserdampf.

Der Aggregatzustand (fest, flüssig oder gasförmig) ist maßgeblich von der Temperatur abhängig. Exakt darüber wird das Isotopenverhältnis O18 zu O16 beeinflusst (s. Abb. 1a).

Bei hohen Temperaturen verdunstet das Wasser der Ozeane und wird zu Wasserdampf. Beim Verdunstungsvorgang entweichen schwerere Moleküle langsamer als leichte. In der Luft nahe über dem Wasser verändert sich dementsprechend das Sauerstoffisotopenverhältnis zugunsten des leichteren O16. Im Wasser ist es umgekehrt.

Bei niedrigen Temperaturen kondensieren (Wasserdampf wird zu Wasser) in der Luft die schwereren Moleküle des Wasserdampfes leichter. Wenn die Wassertröpfchen abregnen, nehmen die O18 Moleküle mengenmäßig in der Luft ab. Dementsprechend ändert sich das Isotopenverhältnis in der Luft weiter zugunsten des leichten O16.

Über die gesamte Erdoberfläche gesehen sieht das folgendermaßen aus:

In den Tropen verdunstet das Oberflächenwasser der Ozeane in großen Mengen zu Wasserdampf. Die mit Wasserdampf stark angereicherte Luft strömt nun über etliche Wege gen Süden oder Norden zu den Polen. Sie überströmt dabei viele Klimazonen und praktisch alle Orte unserer Erde. In der Summe nimmt die Temperatur von den Tropen zu den Polen permanent ab. Es kommt deshalb durch den Vorgang Kondensation und Abregnen mit zunehmenden Breitengraden zu einer Verringerung des O18-Gehaltes der Luft, dies besonders in den Wintern, weil die Kondensationstemperatur eine maßgebliche Rolle spielt. In den Wintern eines jeden Jahres sind dementsprechend die O18-Werte besonders niedrig. An den Polen fällt der kondensierte Wasserdampf mit seinem nun niedrigen O18- Gehalt als Schnee. Folglich werden in den Kaltzeiten besonders niedrige O18- Werte gemessen, in den Warmzeiten dagegen hohe O18- Werte.

Weil es empirisch eine lineare Beziehung zwischen den O18-Werten und den mittleren Jahrestemperaturen (Globaltemperaturen) gibt, können aus den gemessenen O18-Werten die Globaltemperaturen eines jeden Jahres ziemlich genau ermittelt werden. Dank der Untersuchung von Eisbohrkernen kann so die mittlere Jahrestemperatur über circa 600 Millionen Jahre zurückverfolgt werden.

Eine Alternative zur Delta-18-Sauerstoffmethode ist die Delta-Deuterium-Wasserstoffmethode.

Instrumentelle Ermittlung der Globaltemperatur seit 1860

Seit die Temperatur instrumentell gemessen werden konnte war es das Ziel, die mittlere globale Durchschnittstemperatur der oberflächennahen Luft auf der Erde zu ermitteln. Seit etwa 1860 werden an so vielen Orten der Erde die Temperaturen instrumentell gemessen, dass diese Ermittlung annähernd möglich war. Zur exakten Bestimmung der Globaltemperatur müssten eigentlich die durchschnittlichen Lufttemperaturen in der bodennahen Atmosphäre an nahezu unendlich vielen Stellen gemessen werden. Dazu wären Billionen von Messstationen erforderlich. Das ist aber in der Praxis nicht umsetzbar, so dass eine reale globale Durchschnittstemperatur über eine begrenzte Anzahl von Messstellen nur annähernd bestimmt werden kann. Die Messorte selbst müssen folgende Forderungen erfüllen: circa zwei Meter über der Erdoberfläche liegen, unbeeinflusst von Sonnenstrahlen, Bodenwärme und Wärmeleitung sein. Die Messpunkte befinden sich an Land oder über Wasser (Bojen oder Schiffe). Es wird also die mittlere globale Durchschnittstemperatur der oberflächennahen Luft ermittelt.

Klimaforschungseinrichtungen wie der NASA (National Aeronautics and Space Administration), der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Adminstration), dem Met Office Hadley Center,UK und der JMA (Japan Meteorological Agency) ist es gelungen, über festgelegte Referenzzeiträume eine globale Durchschnittstemperatur zu bestimmen. So wurde über den Referenzzeitraum von 1951 bis 1980 eine globale Durchschnittstemperatur von 14°C ermittelt.

Instrumentell gemessene Temperaturen dürfen nicht einfach an Proxydaten angehängt werden. Seit 1860 sind überlappende Temperaturerhebungen mit beiden Untersuchungsmethoden möglich. Dadurch kann und muss ein Abgleich der Werte über Kalibrierungstabellen oder -kurven vorgenommen werden. Dennoch bleibt eine gemischte Darstellung in einem einzigen Diagramm problematisch, weil die Zeitabstände der Untersuchungen sehr unterschiedlich sind: Untersuchungen zur fernen Vergangenheit haben sehr viel größere Zeitabstände als Untersuchungen der nahen Vergangenheit und Gegenwart. Zum seriösen Vergleich ist die Anwendung sogenannter zeitbezogener Glättungsfilter erforderlich.

Temperaturen von Anfang an bis heute

Die Messungen ergeben einen ineinander verschachtelten Temperaturverlauf seit Millionen von Jahren bis in die Gegenwart.

Anfangs, also bei der Entstehung unserer Erde vor 4,6 Milliarden Jahren, lagen die Temperaturen bei circa 180°C. Erst langsam kühlte es dann ab. Vor circa vier Milliarden Jahren wurde erstmals die 100°C Marke unterschritten.

Seit dieser Zeit wird auch die Existenz von Wasser vermutet. Wasser ist die Voraussetzung für jegliches Leben auf unserem Planeten. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Kometen aus dem Rand unseres Sonnensystems, bestehend aus Eis und Staub, das Wasser auf unsere Erde gebracht haben. Die Zeitspanne zwischen 4,6 und 2,5 Milliarden Jahren bezeichnen wir als Erdurzeit (Archaikum).

Sieben Eiszeitalter

Seit ihrem Bestehen hat die Erde sechs oder sieben Eiszeitalter erlebt. Definitionsgemäß sind während eines Eiszeitalters die Pole oder mindestens ein Pol der Erde vereist. Während des größten Teils ihrer Klimageschichte jedoch war unsere Welt, abgesehen von den Hochgebirgen, eisfrei. Die wärmeren Zeiträume, auch gegenüber den heutigen Temperaturen, machten insgesamt 80-90 % der Erdgeschichte aus.

Das erste Eiszeitalter gab es erst zur bisherigen Halbzeit unserer Erde, also vor ca. 2,3 Milliarden Jahren (s. Abb. 2) Das erste Eiszeitalter wurde vermutlich durch eine sogenannte Sauerstoffkatastrophe hervorgerufen. Durch mangelnde Oxidationsmöglichkeiten war der freie Sauerstoffgehalt derartig hoch, dass die anaeroben CO2 bildenden Organismen abstarben. Es kam dadurch zu einem massiven Mangel an Treibhausgasen, so dass die globale Erdtemperatur sank.

Abb. 2: Rekonstruktion des mittleren Temperaturverlaufes der Erde (nach Schoenwiese,1992)

Die sechs nachfolgenden Eiszeitalter (E) entstanden erst nach einer Latenz von über 1 Milliarde Jahren. Sie waren durch Warmzeitalter (W) voneinander getrennt, in denen die mittleren globalen Oberflächentemperaturen um 5 bis 10°C Grad höher waren als heute. Sie lagen bei 20 bis 25°C. Während des letzten Warmzeitalters betrug die mittlere globale Temperatur sogar 30°C. Wissenschaftler vermuten, dass diese sechs Eiszeitalter mit dem Durchgang unseres Sonnensystems durch die Spiralarme unserer Galaxie (Milchstraße) zu tun haben könnten. Näheres s. S. 90ff »Himmelsmechanik«.

Milanković-Zyklen im letzten Eiszeitalter (Pleistozän)

Das letzte Eiszeitalter begann vor 2,6 Millionen Jahren. Sein Ende wird unterschiedlich festgelegt. Für die einen Klimawissenschaftler leben wir heute noch im Pleistozän, für die anderen endete das Pleistozän mit dem Beginn des Holozäns vor etwa 11.000 Jahren. Ob das Holozän der Beginn eines neuen Warmzeitalters oder eine Warmzeit in diesem Eiszeitalter ist, bleibt offen und kann nicht eindeutig vorausgesagt werden. Bei der zweiten Variante soll es keine Kaltzeit in einigen tausend Jahren geben und die Erderwärmung unaufhaltsam voranschreiten.

Vor 2,6 Millionen Jahren -nach neueren Erkenntnissen sogar etwas früherwar die Verbindung zwischen Nord- und Südamerika endgültig geschlossen. Seither sieht unsere Erde etwa so aus wie heute und die Meeresströmungen (s. S. 79ff) sind mit den derzeitigen vergleichbar. Abb. 3 zeigt das Klimadiagramm der letzten fünf Millionen Jahre.

Die Milanković-Zyklen: Unser derzeitiges Eiszeitalter, das Pleistozän, ist geprägt von einem Wechsel von kalten Zeitabschnitten (Synonyme: Kaltzeiten, Eiszeiten, Glazialzeiten, Glaziale) und warmen Zeitabschnitten (Synonyme: Warmzeiten, Interglazialzeiten, Interglaziale). (s. Abb. 3 undAbb. 4). Es gab etwa zwanzig solcher Zyklen. Jeder Zyklus bestand aus einer längeren Kaltzeit (Eiszeit) und einer kürzeren Warmzeit. Die Eiszeiten dürfen auf keinen Fall mit den vorbeschriebenen Eiszeitaltern verwechselt werden!