Klimawandel in der aktuellen Eiszeit

Die Geschichte der Klimaveränderungen ist schon so alt wie die Geschichte der Erde selbst. Seit rund viereinhalb Milliarden Jahren schwankt das Klima zwischen Warm- und Eiszeiten hin und her. Konstant waren die Parameter in der Atmosphäre noch nie. Bedeutet das nun, dass die gegenwärtig viel umschriebene und heiss diskutierte globale Erwärmung nur ein politwissenschaftliches Konstrukt ist, oder dass an den aktuellen Klimaveränderungen nichts Aussergewöhnliches dran ist?

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Veränderung der saisonalen Durchschnittstemperaturen (DJF=Winter, MAM=Frühling, usw.) in der Nordschweiz bis 2020-2049 (blau), 2045-2074 (rot), 2070-2099 (grün) mit Unsicherheiten (Balken) verglichen mit der Referenz 1980-2009. Die grauen Balken zeigen die bisherige natürliche Variabilität. (CH2011, MeteoSwiss, ETH)

Klima ≠ Wetter
Wetter und Klima, zwei Begriffe, die immer wieder zusammen verwendet werden. Doch zwischen den beiden Ausdrücken liegen Welten. „Klima ist das, was man erwartet, Wetter ist das, was man bekommt.” Das Klima umfasst sowohl das „Durchschnittswetter” wie auch einzelne Extremereignisse. Das Wort „Klima” stammt aus dem Griechischen und lässt sich vom Wort klinein ableiten, was „neigen” bedeutet. Dabei ist die Neigung der Erdachse relativ zur Bahnebene der Erde um die Sonne gemeint. Diese Ekliptikschiefe ist dafür verantwortlich, dass im Nordsommer die Nordhalbkugel und während des Südsommers die untere Erdhalbkugel stärkere Sonneneinstrahlung erfährt. Die Sonneneinstrahlung ist also der Motor für das irdische Klima. Dieses setzt sich aus einer einfachen Energiebilanz zusammen: Die auf der Erde ankommenden Sonnenstrahlen abzüglich der Ausstrahlung und der reflektierten Strahlen, welche von der Erde ins All zurückgeschickt werden.

Klima = Energiebilanz
Wird mehr Wärme absorbiert, also von der Erde gespeichert, als ausgestrahlt, erwärmt sich das Erdklima und umgekehrt. Klimaschwankungen entstehen, wenn diese Energiebilanz verändert wird. Die Variabilität des Klimas ist ein herausragendes Charakteristikum. Kein Jahr ist wie das andere. Dabei verändert sich das Klima auf natürliche Weise. Es gibt drei Hauptgründe dafür: Erstens, Veränderungen der ankommenden Sonnenstrahlung durch die Orbitalverschiebungen (Umlaufbahn der Erde, Schiefe der Erdachse etc.) oder durch die Sonnenaktivität selber. Zweitens, Veränderungen der Reflektion der Wärmestrahlung der Erde. Eine helle Erde mit Schnee, Eis und vielen Wolken reflektiert allgemein mehr Sonnenlicht zurück ins All, als eine dunkle, eisfrei Erde. Drittens, Veränderungen der Zusammensetzung der Gase in der Atmosphäre, also Veränderungen des Treibhauseffekts. Je mehr Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan sich in der Atmosphäre befinden, desto mehr reflektierende Wärmestrahlung der Erde wird in der Atmosphäre zurückgehalten, desto wärmer wird es.

Vor 4.5 Milliarden Jahren entstand das Sonnensystem und somit der bewohnbare Globus. In den ersten rund 3 Milliarden Jahren gab es zwei lange Warmzeiten, in denen die Temperaturen viel höher waren als heute und ein Eiszeitalter mit kalten Verhältnissen. Während der letzten Milliarde Jahre vor heute, hat sich das Erdklima immer wieder markant verändert. Es gab weitere fünf Warmzeiten mit deutlich wärmeren Verhältnissen als heute und sechs zusätzliche Eiszeitalter. Ein solches Eiszeitalter dauert meist rund 50 bis 65 Millionen Jahre und trat im letzten Jahrmilliarde rund alle 150 Millionen Jahre auf. In jedem Eiszeitalter gibt es Eiszeitepochen, die rund 2.4 Millionen Jahre dauern. Diese Eiszeitepochen sind durch Warmphasen mit rund 2 bis 3 Grad höheren Temperaturen als heute und durch Kaltphasen geprägt, in denen es rund 4 bis 6 Grad kälter ist als in jüngster Zeit. Diese kälteren Phasen in den Eiszeitepochen nennt man auch Eiszeitzyklen, welche rund 100’000 bis 125’000 Jahre anhalten. In jedem einzelnen Eiszeitzyklus findet man aber auch interglaziale Warmzeiten, welche rund 10’000 Jahre dauern. Selbst in diesen interglazialen Warmzeiten sind kältere und wärmere Phasen ersichtlich. Solange Eis an den Polen der Erde vorhanden ist, befindet sich der blaue Planet in einer Eiszeit. Heutzutage, im Jahr 2012, befindet sich der blaue Planet gemäss Klimatheorie in einer interglazialen Warmzeit des Eiszeitzyklus, der vor rund 125’000 Jahr begann. Dieser Eiszeitzyklus gehört zur 2,4 Millionen Jahre alten, sechsten Eiszeitepoche des siebten Eiszeitalters der Erdgeschichte, welches bereits 65 Millionen Jahre alt ist. Die aktuelle interglaziale Warmzeit heisst Holozän und setzte rund 11’000 vor Christus ein. Seit damals blieb das Klima relativ konstant, was die Entwicklung und Ausbreitung des Homo Sapiens begünstigte.

Rasanter Temperaturanstieg
Es gab schon immer Klimaschwankungen und es wird auch immer solche geben. Doch ist die menschliche Spezies überhaupt auf Klimaschwankungen vorbereitet? Nach mehr als zehntausend Jahren stabilen Klimas müssen sich der Mensch, die Tier- und Pflanzenwelt nun behaupten. Auch wenn sich die globale Temperatur in den nächsten Jahren aufgrund der Klimaänderung um vielleicht vier Grad nach oben bewegt, werden die Temperaturen einer ausgeprägten Warmzeit, wie vor rund 50 Millionen Jahren im Eozän, wohl nicht erreicht. Trotzdem ist die globale Erwärmung problematisch,  denn in der Vergangenheit erhöhte sich die Temperatur beispielsweise während 20’000 Jahren um neun Grad, was einem Anstieg von weniger als einem Zehntelgrad pro 100 Jahre entspricht. Zurzeit weisst der Anstieg der globalen Temperaturen aber einen Trend von knapp einem Grad pro Jahrhundert auf. In der Schweiz erwärmte sich das Klima sogar um 1,5 Grad in 100 Jahren. Die aktuelle globale Erwärmung ist geprägt von einem sehr rasanten und ca. dreissigmal Mal stärkeren Anstieg, als das sonst aus der Klimageschichte zu erwarten wäre. Ausgelöst wurde dieser Temperaturanstieg durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe und den dadurch deutlich höheren CO 2-Gehalt in der Atmosphäre. Primär ist nicht die Temperaturhöhe sondern die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs das Erstaunliche am menschgemachten Klimawandel. In den nächsten 50 bis 100 Jahren werden globale Temperaturen erreicht, die höher sind als in den letzten paar Millionen Jahren und die somit noch kein Homo Sapiens erlebte. Ob die Menschheit damit zurecht kommt, ist in der Erdgeschichte nur eine Nebensache.

Klimawandel in der aktuellen Eiszeit

Schwächelnde Sonne: Eiszeit oder Heisszeit?

Die Sonne wird in den nächsten 90 Jahren immer schwächer. Erinnerungen an die Kleine Eiszeit werden wach. Wie stark die Sonne unser Klima beeinflussen wird, zeigt eine neue Studie.

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Der 11-jährige Solarzyklus: Zurzeit beginnt der 24. Zyklus. Das Maximum dürfte deutlich tiefer ausfallen als beim letzten Zyklus.
Grafik: NOAA

Die Strahlungsintensität der Sonne wird sich bis Ende Jahrhundert sehr wahrscheinlich verringern. Zu diesem Schluss kommen Forscher vom britischen Klima- und Wetterdienst MetOffice in einer Studie, die zusammen mit Kollegen der Universität Reading anfangs 2012 erarbeitet wurde. Doch wie stark wird die Schwächung der Sonne in den nächsten Jahren ausfallen? Und wie wirkt sich dies auf die globalen Temperaturen aus? Fakt ist, dass sich die verringerte Sonnenaktivität bereits seit einigen Jahren abzeichnet. Im Zyklus von 11 Jahren durchwandert der Zentralstern Perioden mit schwacher und starker Aktivität. Das Maximum des letzten Zyklus wurde zwischen 2000 und 2002 beobachtet, bevor sich die Solaraktivität in eine ungewöhnlich lange Ruhephase begab, die erst letztes Jahr zu Ende ging. Der 24. Solarzyklus startete mit rund einem Jahr Verzögerung und wird um 2013 ein deutlich geringeres Maximum haben, verglichen mit dem Vorgängerzyklus. Doch auch die kommenden Zyklen, damit rechnen die Forscher, werden deutlich schwächer ausfallen, als die letzten Dutzend. Längere Perioden mit schwacher Strahlungsintensität der Sonne sind aus der Geschichte bekannt. Eine ausgeprägte Phase mit reduzierter Sonnenkraft ist zwischen 1645 und 1715 dokumentiert, das so genannten Maunder Minimum.

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Der Strahlungsantrieb, welcher unser zukünftiges Klima bestimmt. Der Einfluss der Sonne wurde im letzten (4. Synthesebericht) auf nur 0,12 Watt pro Quadratmeter geschätzt. Zukünftig wird er wohl leicht negativ sein! Aber immer noch um Grössenordnungen kleiner als jener der Treibhausgase!
Grafik: IPCC

Kleine Eiszeit?
Das Zeitfenster des Maunder Minimum geht in Europa auch mit der Kleinen Eiszeit einher. Wintermonate, die in Zürich im Durchschnitt -10 Grad eisig waren sowie Jahre ohne Sommer stammen aus dieser Zeit, wie aus den Chroniken von Christian Pfister (Wetternachhersage – 500 Jahre Klimavariation und Naturkatastrophen) zu lesen ist. Wird das 21. Jahrhundert in Folge der schwächelnden Sonne entgegen aller Klimaprojektionen und der globalen Erwärmung nun erneut Eiswinter und Jahre ohne Sommer bringen?
Aktuelle Untersuchungen des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung PIK vom September 2011 zeigen auf, dass das Ausmass der verringerten Solaraktivität das Weltklima kaum ändert und die Kleine Eiszeit nicht ausgelöst haben kann. Der beobachtete Temperaturrückgang bis zur Kleinen Eiszeit, in Europa wurde es knapp ein Grad kälter, sei viel wahrscheinlicher auf grosse Vulkanausbrüche zurückzuführen, die durch Aerosole und Staub in der Luft die einkommende Strahlung verminderten. Zudem zeigt sich, dass der Golfstrom damals rund 10 Prozent weniger Warmwasser ins Nordpolarmeer vor Europa führte, als Folge davon sind Eiswinter durchaus plausibel.

Temperatur steigt!
In der Studie von MetOffice und der Universität Reading heisst es weiter, dass bei einem Strahlungsintensitätsverlust wie im Maunder Minimum von einer globalen Abkühlung von 0,13 Grad ausgegangen werden muss. Ganz so drastisch wird sich die Sonne aber nicht verdunkeln. Sehr wahrscheinlich wird sich die Solaraktivität aufs Niveau des Dalton Minimum (um 1820) reduzieren, so dass mit einer globalen Abkühlung von weniger als 0,1 Grad gerechnet werden kann. Verglichen mit den zwei bis drei Grad Erwärmung im Zuge der anthropogenen Treibhausgase (folglich IPCC AR4), ein verschwindend kleiner Anteil. Die Forscher verwendeten für ihre Aussagen nur ein einziges Klimamodell, so dass die Unsicherheiten nicht genau abgeschätzt werden können. Bereits im vierten Synthesebericht des IPCC wird jedoch der Einfluss der Sonne auf die globale Temperatur abgeschätzt. Demzufolge tragen Variationen der Solarstärke nur wenige Zehntel Watt pro Quadratmeter zum Strahlungsantrieb der Erde bei. Der Einfluss der Treibhausgase ist mit rund zweieinhalb Watt pro Quadratmeter um mehr als eine Grössenordnung gewichtiger.
Bis Ende Jahrhundert bedeutet dies für Europa, trotz schwächer werdender Sonne, eine Erwärmung von zweieinhalb bis vier Grad mit all den Auswirkungen auf Mensch und Natur. Von einer neuen Kleinen Eiszeit also keine Spur.

Schwächelnde Sonne: Eiszeit oder Heisszeit?

Der Golfstrom im Klimawandel

Spätestens nach dem Hollywood-Streifen „The Day after Tomorrow“ im Jahr 2004 und der daraus folgenden Medienhysterie über die Risiken eines abrupten Klimawandels ist die Gefahr von Änderungen der Meeresströmungen im öffentlichen Bewusstsein verankert. Der Film basiert auf einem 13’000 Jahre alten Ereignis. Damals flossen in kürzester Zeit enorme Mengen Süsswasser in den Nordatlantik und brachten so das Golfstrom-System zum Erliegen oder schwächten es beträchtlich ab. Dies führte zu einer starken Abkühlung im Nordatlantikraum innert weniger Jahre. Nun stellt sich die Frage, ob etwas Ähnliches in naher Zukunft möglich wäre? Wie reagiert der Golfstrom auf den Klimawandel?

Die Nordatlantikdrift …
Beim berühmten Golfstrom, in der Wissenschaft Nordatlantikdrift genannt, handelt es sich um eine warme, ziemlich rasch fliessende Meeresströmung. Durch den Warmwassertransport wirkt der Nordatlantikstrom wie eine riesige Heizung für ganz Nord- und Mitteuropa. Pro Sekunde transportiert er 150 Millionen Kubikmeter Wasser, etwa das hundertfache aller Flüsse der Welt in Richtung Norden und erlangt somit eine Leistung, welche etwa 5 Millionen Kraftwerkleistungen entspricht. Das Golfstrom-System ist eine „gewöhnliche“ Ozeanströmung und entsteht durch die Kombination mehrerer Kräfte. Natürlich spielt die atmosphärische Zirkulation eine grosse Rolle, denn die Nordatlantikdrift, der bis nach Spitzbergen (Norwegen) reicht, wird von den Westwinden des Nordatlantiks vorangetrieben. Er hat seinen Ursprung im Golf von Mexiko, dort speichert er viel Wärme und wird durch die Meeresenge zwischen Florida und Kuba gepresst und in den Atlantik beschleunigt. Der junge Nordatlantikstrom fliesst entlang der Nordamerikanischen Ostküste nach Norden. Auf der Höhe von North Carolina trifft er auf den kalten Labradorstrom, der vom Polarmeer nach Süden strömt. Der Zusammenstoss bewirkt eine Ablenkung des Stroms in den Atlantik hinaus. Auf dem Weg nach Europa spaltet sich die Nordatlantikdrift in viele Zweige auf und wird vom Absinken kalter und schwerer Wassermassen im Polarmeer angetrieben. Das warme Wasser des Atlantikstroms verdunstet teilweise und der Salzgehalt des Meerwassers steigt. Das warme und salzreiche Wasser fliesst nun bis zum Polarmeer, dort kühlt es sich ab. Durch den grossen Salzgehalt des Meerwassers liegt das Dichtemaximum weit unter demjenigen von reinem Wasser (ca. +4 °C). Durch das Abkühlen wird das Wasser immer dichter und schwerer und sinkt schliesslich schlagartig auf den Meeresgrund ab. Die beiden grössten Absinkgebiete liegen im europäischen Nordmeer und in der Labradorsee bei Grönland. Der Abstieg dieser gewaltigen Wassermassen zieht automatisch neues Wasser auf der Oberfläche von Süden her nach. Warmes Wasser kommt also in den oberen Wasserschichten nach Norden und kaltes Wasser fliesst in tiefen Meeresschichten nach Süden zurück. Durch diesen Vorgang bleiben die Fjorde von Norwegen den ganzen Winter hindurch eisfrei und ganz Mittel- und Westeuropa profitiert von einem deutlich wärmeren Winterklima, als beispielsweise Orte in Kanada, welche auf gleicher geographischer Breite liegen. Das Schwungrad des Nordatlantikdrifts sind also der Salzgehalt und die Temperatur des Meerwassers in den beiden erwähnten Absinkgebieten. Je salzhaltiger und kälter das Meerwasser ist, desto besser und schneller sinkt es in den erwähnten Gebieten ab und lässt neues, warmes Oberflächenwasser nach Norden strömen. Gleichzeitig reagieren diese beiden Faktoren aber auch sehr sensibel auf Veränderungen wie die Klimaänderung und können so die Nordatlantikdrift beeinflussen. Kälteres und salzreiches Meerwasser ist viel schwerer (dichter) und verstärkt die Strömung nach Norden, während wärmeres und salzarmes Meerwasser leichter (weniger dicht) ist und somit die Zirkulation verlangsamt.

… im Klimawandel

Durch die globale Erwärmung kann die Strömung auf zweifache Weise geschwächt werden: Mit der Atmosphäre erwärmt sich auch das Meerwasser und verringert so dessen Dichte. Zudem schmelzen mit der globalen Erwärmung die Polkappen und die Gletscher, so dass viel Süsswasser ins Meer gelangt. Süsswasser ist weniger schwer (dicht) als Salzwasser, so dass der Eintrag von Süsswasser ins Meer die Dichte verringert. Deshalb könnte die Klimaänderung die Nordatlantikdrift abschwächen. Ein abgeschwächtes Golfstrom-System bringt dann deutlich weniger Warmwasser nach Europa, die Heizfunktion des Nordatlantikdrifts bliebe aus und Europa würde sich in den Wintermonaten deutlich abkühlen. Nach aktuellem Wissensstand deutet jedoch nichts auf eine kurz bevorstehende markante Strömungsänderung des Nordatlantikdrifts hin. Jedoch kann sich bei ausgeprägter Klimaänderung die Nordatlantikdrift in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts durch den Süsswassereintrag abschwächen. Forschungen (Broecker und Wefer) haben gezeigt, dass es in der Vergangenheit mehrmals Phasen mit einer abgeschalteten, abgeschwächten, aber auch mit einer verstärkten Meeresströmung im Nordatlantik gab. Die Phasen mit einer starken Nordatlantikdrift, wie heute, werden als Modus A „warm“ bezeichnet. Dabei sinkt das Meerwasser nördlich der Island-Schwelle in die Tiefe und wärmt somit Nordeuropa. Der Modus B „kalt“ beschreibt ein abgeschwächtes Golfstrom-System, welches seine Absinkgebiete südlich von Island hat. Nordeuropa wird also nicht mehr von warmem Meerwasser aufgeheizt und erlebt wieder deutlich kältere Zeiten. Der dritte, sehr seltene Modus C „abgeschaltet“ bezeichnet die unterbrochene Zirkulation. Die Strömung kehrt sich dann um, das kalte Tiefenwasser von der Antarktis steigt südlich von Island auf und bringt in ganz Europa deutlich kältere Verhältnisse, vor allem im Winter. In der Vergangenheit war der Modus B der normale Modus, wobei dieser von Zeit zu Zeit in den Modus A (heutige Verhältnisse) wechselte. Diese Veränderungen sehen Forscher in der Änderung des Süsswassereintrags in den Nordatlantik. Sobald über längere Zeit mehr Eis schmolz und mehr Süsswasser in den Nordatlantik floss, wechselte die Strömung in den Modus B. Sobald wieder weniger Süsswasser ins Meer floss, erfolgte der Wechsel in den Modus A. Den Modus C gab es nur höchst selten, wenn in kürzester Zeit enorme Mengen Süsswasser ins Nordmeer oder die Labradorsee gelangten und die Absinkbewegung komplett stoppten. Dies geschieht, wenn riesige Gletscher ins Meer abrutschen oder gigantische Gletscherstauseen auf einmal ins Meer entleert werden. Solche Szenarien sind auch in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts nicht wahrscheinlich. Jedoch birgt der grosse Eispanzer von Grönland ein kleines Risiko. Das IPCC rechnet zwar mit einer Abschwächung des Golfstrom-Systems in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts, spricht aber keineswegs von einer Unterbrechung. Selbst in den Wintermonaten rechnen alle IPCC-Temperaturszenarien mit einer stetigen Erwärmung. Der anthropogene Treibhauseffekt würde also den Energieverlust des Nordatlantikdrifts übertrumpfen.

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Der Golfstrom im Klimawandel