Klimawandel

Klimaänderungen im Känozoikum

Im Känozoikum oder der Erdneuzeit, die vor 65 Millionen Jahre begann, hat sich das globale Klima von einem sehr warmen Zustand mit eisfreien Polen in ein sehr kaltes Klima mit polaren Eiskappen und massiven kontinentalen Eisschilden verwandelt. Dieser Prozess mündete in das gegenwärtige Eiszeitalter. Zu Beginn des Känozoikums stieg die Temperatur zunächst deutlich an, möglicherweise als Erholung aus den Folgen eines großen Meteoriteneinschlags, denen wahrscheinlich auch die Dinosaurier der Kreidezeit zum Opfer gefallen waren. Vor etwa 50 Millionen Jahre v.h. hatte dieser Anstieg mit Temperaturen, die vielleicht 12 °C über den gegenwärtigen lagen, seinen Höhepunkt erreicht. Danach fielen die Temperaturen zunehmend, bis schließlich die Bildung des antarktischen Eisschildes vor ca. 35 Millionen Jahren den Beginn der känozoischen Vereisung der Erde markierte. Seit ungefähr 15 Millionen Jahre v.h. bewegte sich das Erdklima nahezu kontinuierlich auf die kalten Verhältnisse des Quartärs zu, und seit 7-8 Millionen Jahren v.h. begann auch die Nordhemisphäre in den nördlichen Breiten und Hochgebirgsregionen allmählich zu vereisen und das grönländische Inlandeis bildete sich heraus.¹
 

Abb. 1: Temperatur des tiefen Ozeans in den letzten 65 Millionen Jahren (Känozoikum), rekonstruiert aus Sauerstoffisotopen in Foraminiferen aus Tiefseesedimenten.^B1

Für die Klimadebatte der Gegenwart sind zwei Phasen des Känozoikums von besonderer Bedeutung:² Das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM) vor etwa 50 Millionen Jahren und die warmen Verhältnisse im mittleren Pliozän vor Beginn des gegenwärtigen Eiszeitalters. Beide Phasen werden mit einer möglichen zukünftigen Klimaänderung durch den Menschen verglichen. Während des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum kam es zu einem plötzlichen Temperaturanstieg um 5-6 °C, in höheren Breiten sogar bis zu 20 °C. Als Ursache gilt ein plötzlicher Anstieg des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre in einer Größenordnung, wie er durch menschliche Aktivitäten auch für dieses Jahrhundert erwartet wird. Als Quelle für den CO₂-Anstieg werden instabil gewordene Methanhydratvorkommen am Meeresgrund oder vulkanische CO₂-Emissionen diskutiert. Im mittleren Pliozän vor 3,3-3 Millionen Jahren lagen die Temperaturen etwa um 2-3 °C über den vorindustriellen Werten, so wie es auch für das Ende des 21. Jahrhunderts erwartet wird. Der Meeresspiegel lag um 15 bis 25 m über dem heutigen, während der CO₂-Gehalt lediglich auf Werte zwischen 360 und 400 ppm geschätzt wird. Auch wenn die Kenntnisse über das Klima in beiden Phasen des Känozoikums lückenhaft sind, wird deutlich, welches Potential möglicherweise im gegenwärtigen Anstieg der CO₂-Konzentration liegt.

Ursachen der Klimaänderungen

Worin liegen die Ursachen der Klimaschwankungen und besonders der allgemeinen Abkühlung des Erdklimas im Känozoikum? Über die gesamte Zeit des Känozoikums geht es um Klimaänderungen auf Zeitskalen von Jahrmillionen, z.B. um Abkühlungstrends über 20 Millionen Jahre und mehr. Solche Änderungstrends haben ihre Ursache im wesentlichen in plattentektonischen Verschiebungen von Kontinenten. Dadurch ändert sich die Verteilung von Land und Meer, Gebirge entstehen oder flache Meere verschwinden unter Landmassen. Im Känozoikum setzte sich die Öffnung des Atlantiks fort, die Meeresverbindungen um die Antarktis öffnete und erweiterte sich, und gegen Ende der Epoche schloss sich die mittelamerikanischen Landbrücke. Ein wichtiger Prozess war die Kollision Indiens mit Asien und die nachfolgende Aufwölbung des Himalayas und des tibetanischen Plateaus. Diese tektonischen Vorgänge haben die Meeresströmungen beeinflusst, die Eisbildung und damit die Albedo, die atmosphärische Zirkulation und den hydrologischen Zyklus. Und sie sind wesentlich verantwortlich für Ausgasungen von CO₂ durch Vulkanismus und Bindung von Kohlendioxid durch Verwitterungsprozesse.

Große tektonische Veränderungen vollzogen sich im Känozoikum allerdings nicht mehr. Die Erde besaß schon zu Beginn des Zeitraums im wesentlichen die heutige Verteilung von Land und Meer. Es gab jedoch noch wichtige Gebirgsbildungsprozesse. Der damit verbundene Vulkanismus ist vermutlich für die anfängliche deutliche Erwärmung bis 50 Millionen Jahre v.h. verantwortlich. Er ließ den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den ersten 30 Millionen Jahren von etwa 1000 ppm auf über 1500 ppm um 50 Millionen Jahre v.h. steigen.

Abb. 2: Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den letzten 60 Millionen Jahren. ^B2

Für einzelne Effekte haben wahrscheinlich auch lokale plattentektonische Veränderungen eine Rolle gespielt. So ist die antarktische Eisbildung wahrscheinlich auch durch die Öffnung der ozeanischen Passage zwischen Antarktis und Südamerika mit verursacht worden, durch die die Antarktis thermisch isoliert wurde. Und der Beginn des gegenwärtigen Eiszeitalters steht wohl auch mit der Schließung der mittelamerikanischen Landbrücke in Beziehung, durch die Meeresströmungen so weit bis in den Nordatlantik umgelenkt wurden, dass genügend Feuchtigkeit für die Bildung von großen Eismassen zur Verfügung stand.

Abb. 3: Klimaantrieb im Känozoikum durch Sonne, Albedo und Treibhausgase.^B1

Andere Faktoren wie die Solarstrahlung oder die Albedo spielten entweder keine oder für das gesamte Känozoikum nur eine untergeordnete Rolle. Die Intensität der Sonnenstrahlung hat mit der allgemeinen Abkühlung im Känozoikum gar nichts zu tun. Sie nahm in den letzten 65 Millionen Jahren sogar geringfügig zu. Auch die Albedo der Erdoberfläche veränderte sich über lange Zeiträume kaum, hatte dann aber ab ca. 15 Millionen Jahre v.h. etwa den gleichen Anteil an der weiteren Abkühlung der Erde wie die Treibhausgase.

Das Pliozän

Das Erdneuzeitalter endete mit dem Pliozän, das vor ca. 5 Millionen Jahren begann und vor 2,6 Millionen Jahren in das Eiszeitalter überging. Das Pliozän hatte ungefähr ein Klima, wie es für das Ende des 21. Jahrhunderts durch den anthropogenen Klimawandel bei einem mittleren Szenario erwartet wird. Die globale Mitteltemperatur lag etwa 3 °C über den vorindustriellen Werten.³ Die Niederschläge lagen in den hohen Breiten deutlich über den heutigen Werten, in den Subtropen darunter.⁴ Die Eisschilde Grönlands und der Antarktis waren deutlich kleiner als heute und der Meeresspiegel lag als Folge davon um 22 m höher.⁵

Abb. 4: Waldanteil in vorindustrieller Zeit (oben) und im mittleren Pliozän (unten) nach Modellberechnungen^B3

Auf beiden Hemisphären war die Ausdehnung des Meereises nach Modellberechnungen deutlich geringer, im Norden um 23 %, im Süden um ca. 30 %. Auch die Eisdicke war z.B. in der Arktis um 2 m geringer als in der vorindustrieller Zeit.⁵ Der Ozean zeichnete sich durch eine höhere Meeresoberflächentemperatur von 1,1-2,2 ° aus, bes. in den hohen Breiten und in den Auftriebsgebieten. Die Tropen besaßen eine größere und die Wüsten der Subtropen eine geringere Ausdehnung. Die ausgedehnten Tundragebiete des heutigen Nordamerikas und Sibiriens waren weitgehend von Wäldern bedeckt.⁷

Anmerkungen:
1. Hansen, J. et al. (2008): Target Atmospheric CO₂: Where Should Humanity Aim?  
2. vgl. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 6.3
3. Rosenbloom,N.A., B. L. Otto-Bliesner, E. C. Brady, and P. J. Lawrence (2013): Simulating the mid-Pliocene Warm Period with the CCSM4 model, Geoscientific Model Development 6, 549–561, 2013  
4. Stepanek, C., and G. Lohmann (2012): Modelling mid-Pliocene climate with COSMOS, Geoscientific Model Development, 5, 1221–1243, Lizenz: CC BY
5. Haywood, A.M., et al. (2013): Large-scale features of Pliocene climate: results from the Pliocene Model Intercomparison Project, Climate of the Past, 9, 191–209 

Bildquellen:
B1. Abb. neu gezeichnet nach Hansen, J. et al. (2008): Target Atmospheric CO₂: Where Should Humanity Aim?
B2. Eigene Darstellung angelehnt an IPCC: (2021): Climate Change 2021, Working Group I: Technical Summary, TS, Figure 1 (CO₂-Kurve); Hansen, J., M. Sato, G. Russell, and P. Kharecha (2013): Climate sensitivity, sea level and atmospheric carbon dioxide, Philosophical Transactions of the Royal Society A 371: 20120294. http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2012.0294 (Eisschilde); Rae, J.W.B., Y.G. Zhang, X. Liu et al. (2021): Atmospheric CO2 over the Past 66 Million Years from Marine Archives. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 49(1), 609–641, doi:10.1146/annurev-earth-082420-063026 (CO₂-Kurve)
B3. Stepanek, C., and G. Lohmann (2012): Modelling mid-Pliocene climate with COSMOS, Geoscientific Model Development, 5, 1221–1243, Lizenz: CC BY