Klimamechanismen

Wesentlich für das Erdklima ist die Energiebilanz der Erde. Verschiedene Ursachen haben in der Erdgeschichte zu » Klimaänderungen geführt. So wird die Energiebilanz der Erde sowohl durch externe als auch interne Prozesse beeinflusst. Ein wesentlicher externer Faktor, der unser Klima maßgeblich bestimmt, ist die eintreffende Solarstrahlung, die einerseits aufgrund der variierenden Intensität der Sonne und andererseits aufgrund von Schwankungen in der Umlaufbahn der Erde um die Sonne nicht konstant ist. So ist beispielsweise die Variation der Erbahnparameter nach heutigem Kenntnisstand ausschlaggebend für die Entstehung der periodischen Abfolge von Eis- und Warmzeiten. Weitere externe Faktoren, die in der Klimageschichte Einfluss auf das Erdklima genommen haben, sind Vulkanausbrüche und Meteoriten, welche die Gehalte der » Atmosphäre an » Treibhausgasen und » Aerosolen beeinflussen.

Auswirkungen auf die Energiebilanz hat ferner auch der an der Erdoberfläche reflektierte Anteil der eintreffenden Solarstrahlung, die sogenannte » „Albedo“. Veränderungen der Albedo können zu selbstverstärkenden Effekten führen, die eine starke Klimaänderung bedingen. Als Beispiel kann der so genannte » „Eis-Albedo-Effekt“ angeführt werden. So wird durch eine aufgrund verringerter Temperaturen beginnende Eisbildung die Albedo dieser nun von Eis bedeckten Fläche reduziert, da Eis einen deutlich höheren Anteil der eintreffenden Sonnenstrahlung reflektiert als nicht von Eis bedeckte Flächen. Somit verringert sich die Menge an eintreffender Wärmestrahlung, was die Temperaturen weiter senkt und die Eisbildung damit verstärkt.

Die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozeanen, Kryosphäre (Eis und Schnee) sowie Biosphäre üben ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf unser Klima aus. Hier sind allen voran die Windsysteme sowie die verschiedenen Meeresströmungen zu nennen. Kleinste Veränderungen in diesen Systemen können zu gravierenden Konsequenzen für das Erdklima führen. Als Beispiel kann hier das Ausbleiben der Wärmenachlieferung nach Mittel- und Nordeuropa durch eine Unterbrechung des Golfstroms genannt werden.

Wetteraufzeichnungen

Aufzeichnungen instrumentierter Klimamessungen liegen in größerer Dichte erst seit Mitte des 19. Jahrhunderts vor. Aus vorhergehenden Jahrhunderten sind für viele Städte außergewöhnliche Witterungsverhältnisse – oftmals in Zusammenhang mit der Ernte landwirtschaftlicher Erzeugnisse – festgehalten.

Um aber Erkenntnisse über das Klima der erdgeschichtlichen Vergangenheit zu sammeln, bedient sich die Paläoklimatologie unterschiedlicher Klimaarchive und verschiedener Methoden, in denen so genannte „Proxies“ – indirekte Anzeiger des Klimas – ausgewertet werden. Als Klimaarchive dienen dabei beispielsweise: Baumringe (Dendrochronologie), Eisbohrkerne aus Gletschern und den großen Eisschilden (Grönländischer bzw. Antarktischer Eisschild), Bohrkerne aus Sedimentablagerungen, Stalaktiten oder auch Korallen. Als Proxies, also Anzeiger des Klimas, werden dabei zumeist die Gehalte bestimmter Substanzen analysiert. So werden beispielsweise Proben aus in den Eisbohrkernen eingeschlossenen Luftblasen entnommen, um auf diese Weise die damalige Zusammensetzung der Atmosphäre zu bestimmen und Rückschlüsse auf das Klima zur Zeit der Eisbildung zu erhalten.

Zwischen den verschiedenen Klimaarchiven und auch Proxies bestehen Unterschiede hinsichtlich der zeitlichen Auflösung. Bei Baumringen können maximal Erkenntnisse über die letzten 1000 Jahre erhalten werden. Eisbohrkerne können hingegen Informationen von mehr als 800.000 Jahren enthalten (Eisbohrkerne Antarktis). Darüber hinaus besteht ein Unterschied, wie fein die Archive aufgelöst sind, also ob bspw. ein Jahresgang bestimmt werden kann oder lediglich Aussagen über ein Jahrtausend möglich sind. Generell gilt allerdings: Je weiter die Aufzeichnungen in die Vergangenheit zurückreichen, desto größer sind auch die Unsicherheiten.

Klima vor den letzten 10.000 Jahren

In der erdgeschichtlichen Vergangenheit reichte das Klima der Erde von einem „Treibhaus“ bis hin zu einem „Schneeball“. In den Eisbohrkernen der großen Eisschilde sind zahlreiche abrupte Klimaänderungen in erdgeschichtlich jüngster Vergangenheit dokumentiert, beispielsweise in Folge des Ausbruchs des Vulkans Toba auf Sumatra circa 75.000 Jahre vor heute. Nach dessen Ausbruch kam es zu einer regionalen Abkühlung von bis zu 15 °C; global belief sich die Abkühlung auf schätzungsweise 5 °C. Auch andere Ereignisse führten innerhalb weniger Jahre oder Jahrzehnte zu Temperaturschwankungen von bis zu 10 °C.

Aus den verschiedenen Rekonstruktionen der Zusammensetzung der Atmosphäre zeigt sich, dass der Gehalt an CO2 in erdgeschichtlicher Vergangenheit zumeist viel höher lag als dies heute der Fall ist, auch wenn diese Erkenntnisse mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Grundsätzlich gehen Zeiten hoher CO2-Konzentration in der Atmosphäre auch mit hohen globalen Durchschnittstemperaturen einher.

Seit dem Miozän (vor circa 20 Millionen Jahren) vollzog sich eine allmähliche Abkühlung der Erde. Zurückzuführen ist dies auf die Kontinentaldrift der Antarktis, die immer weiter in polare Breiten gelangte, was zu seiner Vereisung und der Ausbildung des circum-antarktischen Kaltwasserstroms führte.

Aus den Klimarekonstruktionen eines Eisbohrkerns aus der Antarktis konnte für die jüngere Vergangenheit eine periodische Abfolge von Eis- und Warmzeiten bestimmt werden, wobei die Eiszeiten mit ~ 90.000 Jahren deutlich länger andauerten als die Warmphasen (~ 10.000 Jahre). In der Warmzeit vor der letzten Eiszeit lagen die Temperaturen ungefähr auf heutigem Niveau, eventuell auch leicht darüber, wobei die CO2-Konzentration in der Atmosphäre in etwa der vorindustriellen Konzentration (~ 280 ppm CO2) entsprach.

Die letzte Eiszeit (Würm- / Weichsel-Eiszeit) war durch ein gegenüber heutigen Bedingungen instabileres Klima mit zahlreichen abrupten Klimaänderungen gekennzeichnet. Generell war es in der Eiszeit deutlich trockener als heute und die globale Durchschnittstemperatur lag ungefähr 4-5 °C unter der heutigen, was erhebliche Auswirkungen auf die verschiedenen Ökosysteme und Lebensraumgrenzen mit sich brachte. Gletscher stießen von Skandinavien aus bis weit ins Norddeutsche Tiefland und aus den Alpentälern in das gesamte Alpenvorland vor. Der Höhepunkt der letzten Eiszeit wird auf circa 20.000 Jahre vor heute datiert, von diesem Zeitpunkt an wurde das Klima im Mittel feuchter und vor allem wärmer.

Der Übergang vom Spätglazial in unser heutiges Zeitalter, das Holozän (ab 10.200 Jahre vor heute), erfolgte unstetig und auf globalem Maßstab nicht völlig synchron. Am Ende des Spätglazials kam es in der „Jüngeren Dryas“ (Beginn ca. 11.000 Jahre vor heute) zu einer knapp 1.000-jährigen Rückkehr zu eiszeitlichen Bedingungen. Der „Lake Agassiz“, ein aufgestauter Eisstausee in Nordamerika entleerte sich damals in den Nordatlantik und unterbrach kurzfristig den gerade wieder angelaufenen Golfstrom, die Wärmequelle Nordeuropas.

Klima im Holozän (letzte 10.000 Jahre)

Nach diesem drastischen Rückfall zu eiszeitlichen Bedingungen beginnt ab 10.200 Jahre vor heute das Interglazial des Holozän, in dem wir aktuell leben. Wie bereits erwähnt, gilt das Klima des Holozäns als ausgenommen stabil, wenn auch einige Klimaänderungen wie beispielsweise die „Kleine Eiszeit“ (1350-1850) oder das „Mittelalterliche Wärmeoptimum“ (800-1300) auftraten. Zurückzuführen sind diese auf die schwankende Sonnenaktivität.

Betrachtet man die Klimaentwicklung allerdings in hoher zeitlicher Auflösung und achtet auch auf schwächere Schwankungen, so sind weitere „signifikante Instabilitäten“ ausfindig zu machen. Dokumentiert wurden diese auch durch die Gletscher der Arktis, beispielsweise auf Spitzbergen. Entgegen der Erwartung einer stabilen Situation haben sich in den letzten 3.600 Jahren mindestens sieben kräftige Vorstöße und entsprechende Rückzugsphasen ereignet. Auch Eisbohrkerne und Sedimentablagerungen zeugen davon, dass es zu abrupt einsetzenden Dürreereignissen im Holozän kam.

Circa 8.200 Jahre vor heute kam es erneut zu einer Entleerung des Eisstausees Lake Agassiz in den Nordatlantik, was zu einer zeitweiligen Störung der warmen Golfstromströmung in die hohen nördlichen Breiten führte. Es schloss sich das „Postglaziale Wärmeoptimum“ an, das die beiden Klimastufen des Boreal und des Atlantikum umfasst (circa 9.000 bis 5.500 Jahre vor heute). In dieser Phase erhöhter Feuchte lag die globale Durchschnittstemperatur 2 bis 2.5 °C über der heutigen, was auf die Konstellation der Erdbahnparameter in dieser Zeit der Erdgeschichte zurückzuführen ist. Die Sahara war eine begrünte Savannenlandschaft, die Namib in ihrer Größe bedeutend kleiner als heute. Der Eishaushalt der Erde erreichte in der Klimastufe des Atlantikums sein Minimum und nach heutiger Erkenntnis waren die Alpen zu dieser Zeit weitestgehend eisfrei. In diese Phase klimatischer Gunst fällt auch die „neolithische Revolution“, das Sesshaftwerden der Menschen. 

Der Tod des „Ötzi“ (~ 5.300 Jahre vor heute) dokumentiert und bestätigt einen sprunghaften Klimawechsel, der das „Postglaziale Wärmeoptimum“ schlagartig beendete. „Ötzi“ starb auf einem eisfreien Joch und wurde anschließend von einer Schneedecke konserviert und von einem sich in den folgenden Jahrtausenden bildenden Gletscher bedeckt, der ihn erst Ende des 20. Jahrhunderts wieder freigab. Der angesprochene sprunghafte Klimawechsel führte auch zur Austrocknung der Sahara und ihrer Verwandlung von einer damals besiedelten grünen Savanne mit offenen Wasserflächen in eine Wüste. Bedingt war dieser Wandel aller Voraussicht nach durch die veränderte Monsunzirkulation und -intensität.

Nach der Bronzezeit vollzog die Temperaturentwicklung in Europa ein zyklisches Auf und Ab im Abstand von einigen Hundert Jahren. Weltweit ist in vielen Fällen der Aufstieg und Fall von Hochkulturen in Verbindung mit Klimaänderungen zu sehen, so z. B. die mykenische Kultur in Griechenland, die 1200 v. Chr. unterging. Im Römerzeitlichen Klimaoptimum (ca. 300 v. Chr. bis 400 n. Chr.) war es schätzungsweise 1 bis 1.5 °C wärmer als heutzutage. So war zu dieser Zeit Weinbau in England möglich und die Gletscher zogen sich zurück. Auf das Römische Klimaoptimum folgte ein Klimapessimum, das bis ins 8. Jahrhundert andauerte. Ab 300 n. Chr. setzen eine allmähliche Abkühlung und zunehmende Trockenheit ein; die Temperaturen lagen 1 bis 1.5 °C unter den heutigen Durchschnittstemperaturen, die Menschen waren häufigen Kälteeinbrüchen, Überschwemmungen und Missernten ausgesetzt. Umgekehrt entwickelte sich die Mayakultur in Mittelamerika ab 300 n. Chr. zur Hochkultur und florierte zur Zeit des europäischen Klimapessimums. Hinsichtlich der Frage nach dem Auslöser der großen europäischen Völkerwanderung zu dieser Zeit ist sich die Forschung uneinig, ob der beschriebene Klimawandel in Europa als primäre Ursache der Völkerwanderung anzusehen ist. 

Auf das „Pessimum der Völkerwanderungszeit“ in Europa folgte eine Phase klimatischer Gunst, das „Mittelalterlich Klimaoptimum“, mit Temperaturen von geschätzt 1.5 bis 2 °C über den heutigen in Europa. Hierbei ist jedoch zu betonen, dass das Klima in einigen anderen Erdregionen zu dieser Zeit deutlich kälter war. Gemittelt über die gesamte Nordhemisphäre war es zu keiner Zeit in den letzten gut 1.000 Jahren wärmer als in der Gegenwart (siehe Artikel „Hockey-Schläger-Kurve“). Die Hochphase des Optimums lag im Zeitraum 1.000 bis 1.300 n. Chr. So wurde zu dieser Zeit in England und Norwegen gar Weinbau betrieben, Island war bewaldet und es wurde dort Getreide angebaut. Seit dieser Zeit werden auch die Zeugnisse der klimatischen Begebenheiten häufiger und vor allem präziser. Die guten klimatischen Bedingungen schlugen sich auch in den Siedlungstätigkeiten nieder: Die Wikinger besiedelten im Hochmittelalter beispielsweise die Shetlandinseln und die Hebriden. Im Jahre 865 n. Chr. wurde erstmals versucht Island zu besiedeln, neun Jahre später hatten die Wikinger schließlich Erfolg. Im Jahre 982 fand die Landnahme Grönlands statt.

In der hochmittelalterlichen Warmperiode erlebte Island seine „Blütezeit“, es folgte aus Sicht der Isländer ein „Jahrtausend des Elends“. So schlossen sich an das mittelalterliche Wärmeoptimum in Europa mehrere Jahrhunderte mit Wellen der Abkühlung an, die „Kleine Eiszeit“. Beginnend im 13. und bis ins 19. Jahrhundert stießen Europas Gletscher vor, die Waldgrenze sank deutlich. Im 14. Jahrhundert wurden die Wikingersiedlungen auf Grönland aufgegeben. Auf Spitzbergen waren die Häfen lediglich für 3 Monate im Jahr eisfrei, heute und während des mittelalterlichen Wärmeoptimums sind/waren es 9 Monate. Generell waren die Länder der höheren nördlichen Breiten in Europa am stärksten von der Abkühlung betroffen, so war ein Getreideanbau nicht mehr möglich. Die schwierigen klimatischen Bedingungen führten in diesen Gegenden zu zahlreichen Wüstungen. Das kalte, wechselhafte Klima hatte generell negative Auswirkungen auf den Menschen. Im Jahre 1342 kam es in Folge einer Hochwasserkatastrophe in Europa, der „Jahrtausendflut“, zu Bodenerosion riesigen Ausmaßes. Das Hochwasser bedingte weiterhin auch mehrere Pestepidemien, die in Kombination mit Hungersnöten zu einem Bevölkerungsschwund Europas von circa 40% führten. Mitte des 17. Jahrhunderts führten häufige Missernten auch zu zahlreichen Wüstungen in den Mittelgebirgen. Das Jahr 1815 ging als „Jahr ohne Sommer“ in die Geschichtsbücher ein. Dieses extrem kalte Jahr wurde durch den Ausbruch des Vulkans Tambora auf der Insel Sumbawa (Indonesien) verursacht. Die sehr große bei der Eruption ausgestoßene Aschemenge verteilte sich über den gesamten Globus und verminderte die Einstrahlung der Sonne. Es kam zu starken Hungersnöten in Folge der ausgefallenen Ernten.

Bei der „Kleinen Eiszeit“ in Europa handelte es sich nicht um eine konstante Abkühlung, es waren auch einige Hitzewellen und günstige Phasen (z. B. 1530-1560) zu verzeichnen. Das Klima war durch eine sehr große Variabilität gekennzeichnet.

Klima jüngste Vergangenheit

Auf die „Kleine Eiszeit“ folgte ein weiteres neuzeitliches Wärmeoptimum, in dem wir aktuell auch leben. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts steigen die Temperaturen an, was die Gletscher weltweit zurückweichen lässt. Im 20. Jahrhundert setzte sich der generelle Erwärmungstrend, kurzzeitig unterbrochen durch eine Abkühlungsphase von 1940 bis 1970, fort. Ab 1970 ist eine besonders starke Erwärmung zu beobachten, was in einer Gesamterwärmung von 0.6 °C im 20. Jahrhundert resultiert. Der aktuelle Klimawandel ist somit anhand von Messdaten eindeutig zu belegen. Die beobachtete Erwärmung ist dabei über dem Land stärker ausgeprägt als über den Meeren und in den hohen stärker als in den niedrigen Breiten. Hervorzuheben ist dabei, dass die aktuelle Erwärmung global ausgeprägt und eine solche simultane Erwärmung der Erdoberfläche seit Tausenden von Jahren unbekannt ist. Es gibt zahlreiche direkte Anzeiger dieser Erwärmung, so hat sich beispielsweise die mittlere Vegetationsperiode um circa 2 Wochen verlängert.

Das Klima der vergangenen 2000 Jahre kann sehr gut anhand der Änderungen im Strahlungsantrieb der Erde erklärt werden. Zur Reproduktion des Klimas der letzten Dekaden wird jedoch zusätzlich der anthropogene Einfluss benötigt. Die aktuelle Klimaentwicklung ist somit nicht durch natürliche Gegebenheiten, sondern vor allem durch den Menschen bedingt. 

Entsprechend stellt sich das Klima der letzten Dekaden als das wärmste des letzten Jahrtausends dar. Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre ist – bedingt durch die Emissionen des Menschen – höher als zu irgendeinem anderen Zeitpunkt in den letzten 500.000 Jahren und liegt deutlich außerhalb des natürlichen Schwankungsbereichs. Die längste Messreihe der atmosphärischen CO2-Konzentration der Station auf dem Mauna Loa auf Hawaii zeigt seit Ende der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts einen weiterhin stetig ansteigenden CO2-Gehalt der Atmosphäre.

Ausblick in die Zukunft

Die Erderwärmung wird sich fortsetzen und erhebliche Auswirkungen haben. Gravierend ist dabei, dass die Erwärmung in extrem kurzer Zeit von statten geht. Wir bewegen uns aktuell in Richtung einer globalen Durchschnittstemperatur von 20 °C statt der bisherigen 15 °C, was einmalig in der Geschichte der Menschheit wäre. Auch wenn man viele Millionen Jahre zurückgeht, findet man hierfür keinen Vergleich. In Zukunft werden sich Klimaextreme häufen: Beispielsweise werden die Sommer wärmer, extrem hohe Temperaturen häufiger und es wird vermehrt lang anhaltende Trockenperioden geben. Des Weiteren werden heftigere Gewitter auftreten und Starkniederschlagsereignisse häufiger, strenge Winter hingegen seltener.

Quellen

Rahmstorf, S. & Schellnhuber, H.J. (2007): Der Klimawandel - Diagnose, Prognose, Therapie. Verlag C.H. Beck oHG, München.

Archer, D. & Rahmstrof, S. (2010): The Climate Crisis - An Introductory Guide to Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK. 

Latif, M. (2007): Herausforderung Klimawandel - Was wir jetzt tun müssen. Wilhelm Heyne Verlag, München.

Blümel, W.D. (2002): 20.000 Jahr Klimawandel und Kulturgeschichte - von der Eiszeit in die Gegenwart. http://www.uni-stuttgart.de/wechselwirkungen/ww2002/bluemel.pdf (Zugriff: 28.06.2011).

Behringer, W. (2007): Kulturgeschichte des Klimas - Von der Eiszeit zur globalen Erwärmung. Verlag C.H. Beck oH, München.