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Paläoklimatologie : Die Kapriolen des Erdklimas

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Mit dem Forschungsschiff „Joides“ (Joint Oceanographic Institutions Deep Earth Sampler) wurden die Klimaarchive der Erdneuzeit erbohrt. Bild: Adam Kurtz, NSF

Auf unserem Planeten herrschten einst immer wieder extreme warme und kalte Phasen. Die Analyse von Meeressedimenten liefern Forschern nun ein lückenloses Bild des Klimas der letzten 66 Millionen Jahre.

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          Das Klima in der Vorzeit unseres Planeten unterlag ständigen zum Teil erheblichen Veränderungen. Diese natürlichen Schwankungen verliefen zwar nicht so schnell wie die gegenwärtigen von Menschen verursachten Klimakapriolen. Sie waren aber dennoch in der Lage, die Erde von sehr heißen bis in äußerst frostige Zustände zu versetzen. Allerdings waren die Erkenntnisse über das Paläoklima bislang noch recht lückenhaft, und es gab starke Schwankungen in den Genauigkeiten der Messwerte.

          Eine internationale Forschergruppe hat nun zum ersten Mal ein auf einheitlichen Messungen und in sich konsistenten Interpretationen beruhendes Bild des Klimas der Erde der vergangenen 66 Millionen Jahre aufgezeichnet. In dieser Epoche, der Erdneuzeit, durchlief das Klima vier deutlich unterschiedliche Phasen. In der heißesten Klimaphase, welche Klimaforscher als „hothouse“ bezeichnen, waren die mittleren Temperaturen um bis zu 15 Grad höher als heute. Im Vergleich dazu ähnelt aus geologischer Sichtweise das heute vorherrschende Klima dagegen einem Gefrierschrank, auch „icehouse“ genannt.

          Die aus 24 Mitgliedern bestehende Forschergruppe um Thomas Westerhold vom Marum-Zentrum für marine Umweltwissenschaften (Marum) der Universität Bremen nutzte für ihre Untersuchungen insgesamt vierzehn Bohrkerne, die im Laufe der vergangenen zwei Jahrzehnte in den Ozeansedimenten verschiedener Weltmeere erbohrt wurden. Diese Ablagerungen umfassen die gesamte Epoche der Erdneuzeit, beginnend vor 66 Millionen Jahren mit dem Zeitalter des Paläozäns bis ins heutige Holozän. Da es keine direkten Messwerte für die Temperaturen der Vergangenheit gibt, waren die Wissenschaftler um Westerhold auf sogenannte Klimaproxies angewiesen, aus denen frühere Temperaturen abgeleitet werden können. In den Meeressedimenten finden sich mehrere solche indirekten Hinweise.

          Kalkschalen als Temperatursonden

          Um ihre umfangreichen Analysen möglichst einheitlich zu gestalten, konzentrierten sich Westerhold und seine Kollegen auf die Spuren von Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopen in den Kalkschalen mariner Kleinstlebewesen. Allerdings waren nur zwei der mehr als zehntausend Arten für die Forscher von Interesse. Es handelt sich um die auf dem Meeresgrund lebenden Foraminiferen der Gattungen Cibicidoides und Nuttalides. Weil diese beiden Arten weitgehend unverändert während der gesamten Erdneuzeit existierten, erlaubten sie eine einheitliche Analyse des Paläoklimas des gesamten Zeitraums seit 66 Millionen Jahren.

          Das Bohrkernlager des International Ocean Discovery Program (IODP) im Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (Marum) in Bremen. Hier lagern zahlreiche Bohrkerne aus dem Atlantik, dem Arktischen Ozean, dem Mittelmeer, dem Schwarzen Meer und der Ostsee. Bilderstrecke
          Paläoklimatologie : Bohrkerne spiegeln das Erdklima

          Die Forscher um Westerhold nutzen für ihre paläoklimatologischen Analysen unter anderem ein Messverfahren, das auf den amerikanischen Chemie-Nobelpreisträger Harold Urey (1893 bis 1981) zurückgeht. Es beruht auf der Tatsache, dass die drei natürlichen Sauerstoffisotope in drei verschiedenen Konzentrationen vorkommen. Das mit durchschnittlich 99,76 Prozent häufigste Isotop ist Sauerstoff-16 (¹⁶O) mit jeweils acht Protonen und Neutronen im Atomkern. Sauerstoff-17 (¹⁷O) mit 17 Neutronen ist dagegen mit 0,04 Prozent die seltenste Variante. Sauerstoff-18 (¹⁸O) kommt im Mittel mit 0,2 Prozent in der Natur vor. Da es über zwei Neutronen mehr verfügt als ¹⁶O, ist es auch etwas schwerer. Beim Verdampfen von Meerwasser ist Sauerstoff-18 wegen seines leicht höheren Gewichtes gegenüber ¹⁶O im Nachteil. Damit es verdampft, muss die Wassertemperatur etwas höher sein als bei der leichten Sauerstoffvariante ¹⁶O.

          Daraus hatte Urey richtig geschlossen, dass kaltes Meerwasser mehr Sauerstoff-18 enthält als warmes Wasser. Herrscht beispielsweise eine Kaltzeit, ist der Gehalt an ¹⁸O im Meeressediment und damit auch in den Kalkschalen der Foraminiferen gegenüber dem Durchschnittswert leicht erhöht. Wird das Erdklima dagegen von einer Heißzeit dominiert, verdampft mehr Sauerstoff-18, und der Anteil dieses Isotops in den Kalkschalen sinkt. Unterschiede im Verhältnis der Isotope 16O und 18O lassen sich deshalb direkt in die während einer Kalt- und Warmphase jeweils herrschende Temperatur umrechnen. Sie werden somit zum Klimaproxy. Ähnliche Schlüsse auf das Klima der Vorzeit lassen sich aus dem Verhältnis der beiden Kohlenstoffisotope ¹³C und ¹²C ziehen.

          Wie die Wissenschaftler um Westerhold in der Zeitschrift „Science“  berichten, ist es ihnen über die Verhältnisse der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope in den Sedimenten gelungen, das Klima des gesamten Zeitraums der Erdneuzeit einheitlich darzustellen. Als Maß diente dabei die globale Temperatur.

          Der heiße Planet kühlte sich ab

          Es war zwar schon seit längerem in groben Zügen bekannt, dass es beispielsweise zu Beginn des Eozäns, also vor etwa 45 bis 55 Millionen Jahren, besonders heiß auf der Erde war. Seitdem kühlte sich unser Planet kontinuierlich ab, bis es in den Eiszeiten des Quartärs im Durchschnitt um vier Grad kälter war als heute. Aus den jüngsten Analysen ziehen die Forscher den Schluss, dass die mittlere Temperatur zwischen dem Eozän und den Eiszeiten um bis zu zwanzig Grad gesunken ist.

          Insgesamt identifizierten die Wissenschaftler um Westerhold vier markante Klimaphasen. In den ersten zehn Millionen Jahren der Erdneuzeit (Paläozän) sowie im Zeitraum zwischen 50 und 35 Millionen Jahren danach (Eozän) herrschte das „Warmhouse“-Klima, in dem es zwischen vier und zwölf Grad wärmer war als heute. Die extreme Heißzeit während des Eozäns war die als „hothouse“ bezeichnete Phase. Zu Beginn des Oligozäns vor etwa 34 Millionen Jahren gab es dann eine deutliche, recht plötzliche Erdabkühlung um etwa drei Grad.

          Zu dieser Zeit begann dann auch der heute noch existierende Eispanzer in der Ostantarktis zu entstehen. Diese Phase dauerte etwa zwanzig Millionen Jahre, bis es im mittleren Miozän zu einem weiteren Temperatursturz kam. Beide Epochen nennen die Forscher „coolhouse“. Der bisher kälteste Abschnitt der Erdneuzeit, die „Icehouse“-Phase, beginnt dann mit den Eiszeiten vor etwa zwei Millionen Jahren und dauert noch heute an – ungeachtet der Erderwärmung als Folge des von Menschen verursachten Klimawandels.

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