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Immer präziseres Bild der Klimadynamik

24.04.2012 von

Ich finde es sehr spannend zu verfolgen, welche Fortschritte die Klimawissenschaft in den Fragestellungen, in der Methodik und vor allem bei den Resultaten macht. Die aktuellen Arbeiten der Klimaforschung sind hochspezialisiert. Neue Resultate führen zu weiterführenden Fragen und inspirieren die Forscher zu Folgeprojekten. So haben zum Beispiel CO₂-Messungen an Eisbohrkernen, die über Jahre hinweg immer detaillierter wurden, neue Grundlagen geliefert und so eine Vielzahl von Klimamodellierern inspiriert.

Rekorde in der Antarktis

Spätestens seit 1999 war dank Messungen an einem Eisbohrkern aus Vostock1 (Antarktis) bekannt, dass CO₂ eine wichtige Rolle spielt in der Dynamik der letzten vier Eiszeitzyklen. Doch galt dies auch für die vielen früheren Eiszeitzyklen? Und wie spielten Temperatur und CO₂ zeitlich zusammen? Diesen Fragen ging ein weiteres Forschungsprojekt auf den Grund. Europäische Forscher bohrten im Rahmen des EPICA-Projekts (European Project for Ice Coring in Antarctica) erneut ins Eis der Antarktis – und förderten in Dome Concordia das bis heute älteste Eis zu Tage. Die Bohrung reichte schlussendlich in eine Tiefe von 3270,2 Meter; der Eisbohrkern deckt die letzten rund 900‘000 Jahre ab. «Riesige Datenmengen warten darauf, ausgewertet zu werden» schrieb Jacqueline Flückiger während ihrer Feldforschung in der Antarktis (>Feldtagebuch). Die Klimaphysikerin und heutige ETH-Klimablog-Redaktorin gehörte zum EPICA-Forschungsteam.

2004 publizierte das EPICA-Team unglaublich detaillierte Messresultate2, die erstmals zeitlich weiter zurückgingen als die Vostok-Daten. Weitere Daten folgten in den Jahren 20053 und 20084. Die Resultate zeigen, dass die Schwankungen in Temperatur und CO₂-Konzentration über acht Eiszeitzyklen parallel verlaufen: Warmphasen gehen einher mit hohen CO₂-Konzentrationen, Kaltphasen mit tiefen. Abbildung 1 zeigt den Zusammenhang über die letzten sechs Zyklen. Eine solche Figur findet sich inzwischen in jedem Klima-Lehrbuch wieder.

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Abbildung 1: CO2-Verlauf gemessen an verschiedenen Eisbohrkernen und direkte atmosphärische CO2-Messungen über die letzten 50 Jahre (violette Kurve). Rekonstruierte lokale Temperatur in der Antarktis (rote Kurve). Quelle: Stocker, Geographische Rundschau, 2007.

Abbildung 1: CO2-Verlauf gemessen an verschiedenen Eisbohrkernen und direkte atmosphärische CO2-Messungen über die letzten 50 Jahre (violette Kurve). Rekonstruierte lokale Temperatur in der Antarktis (rote Kurve). Quelle: Stocker, Geographische Rundschau, 2007.

Erkenntnis durch Modelle und Messdaten

Die neuen Messdaten des EPICA-Teams haben viele Forscher inspiriert, insbesondere auch Klimamodellierer. Ein Beispiel ist Victor Brovkin. In einer aktuellen Publikation berichten er und drei weitere Forscher über Fortschritte im Verständnis des CO₂-Verlaufs während Eiszeitzyklen5.

Basis ihrer Arbeit ist ein physikalisches Klimamodell, welches die Atmosphäre umfasst sowie die Ozeane, das Meereis, die Landoberfläche, die Vegetation und die Eisschilde. Damit modellieren die Forscher Prozesse der Ozeanbiogeochemie, sowie der Kohlenstoffspeicherung auf Land und in Ozeansedimenten. Daraus ergibt sich der CO₂-Verlauf in der Atmosphäre für den letzten Eiszeitzyklus. Diese Modellresultate verglichen die Forscher mit den CO₂-Messdaten aus den Eisbohrkernen (siehe Abbildung 2) sowie mit einer Fülle weiterer Messdaten beispielsweise aus Ozeansedimenten. Die Modell- und Messdaten stimmen erstaunlich gut überein.

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Abbildung 2: Vergleich des modellierten CO2-Verlaufes (schwarze Kurve) mit den an Eisbohrkernen gemessenen CO2-Daten (rote Kurve). Quelle: Brovkin et al., Climate of the Past, 2012

Abbildung 2: Vergleich des modellierten CO2-Verlaufes (schwarze Kurve) mit den an Eisbohrkernen gemessenen CO2-Daten (rote Kurve). Quelle: Brovkin et al., Climate of the Past, 2012

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Die Arbeit von Brovkin und seinen Wissenschaftskollegen zeigt, dass das Auf und Ab der CO₂-Konzentration von einem faszinierenden Zusammenspiel verschiedener Prozesse getrieben wird. Beim Einsetzen der Eiszeit vor etwa 120‘000 Jahren spielten beispielsweise Änderungen in der Meeresoberflächentemperatur und der Austausch von nordatlantischem Tiefenwasser durch Wasser aus dem südlichen Ozean eine zentrale Rolle. Das Wasser aus dem südlichen Ozean ist kälter und weist einen höheren Anteil an gelöstem Kohlenstoff auf. Änderungen in der Karbonat-Chemie und der marinen Biologie führten zu einer weiteren CO₂-Abnahme. Zum CO₂-Anstieg am Ende der Eiszeit vor rund 20‘000 Jahren trugen die gleichen Effekte bei.

Die Forscher konnten viele verschiedene Prozesse benennen. Der Vergleich mit den Messdaten bringt aber auch neue Fragen auf. Beispielsweise zeigen die Modellresultate einen zu langsamen CO₂-Anstieg am Ende der Eiszeit. Dafür verantwortlich sein könnten die vereinfachte Darstellung der marinen Biogeochemie im Modell oder der im Modell nicht berücksichtigte Permafrost. Dessen Auftauen am Ende der Eiszeit und die damit verbundene CO₂-Freisetzung könnten ebenfalls einen Teil des Unterschiedes von Modellresultaten und Messdaten erklären.

So inspiriert auch diese Studie zu weiterer Forschung. Endziel der Klimaforscher ist ein möglichst vollständiges Verständnis des Zusammenspiels zwischen der Temperatur und dem Kohlenstoffkreislauf; dies auch im Hinblick auf mögliche Antworten des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs auf die menschgemachte Klimaerwärmung.

 

1 Petit et al., Nature, 1999 >hier

2 EPICA community members, Nature, 2004 >hier

3 Siegenthaler et al., Science, 2005 >hier

4 Lüthi et al., Nature, 2008 >hier

5 Brovkin et al., Climate of the Past, 2012 >hier

Zum Autor

Gastautor Prof. Klaus Ragaller war bis zu seiner Pensionierung Direktor bei ABB. Seither setzt er sich im Rahmen der Schweizerischen Akademie der Technischen Wissenschaften SATW für den Wissenstransfer ein.

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Bei der hier besprochenen Arbeit geht es um die Beziehung zwischen Kohlenstoffkreislaufs und Klima. Steigende Temperaturen setzen CO2 von Wasser- und Landreservoiren in die Atmosphäre frei und Temperaturabnahmen haben den gegenteiligen Effekt. Über den Treibhauseffekt verstärkt CO2 die Temperturänderung, wobei es auch als Globalisierer von Temperaturänderungen wirkt. Globalisierer bedeutet, dass z.B. eine initiale Temperaturzunahme in der Nordhemisphäre – typisch für das Ende einer Kaltzeit – über den begleitenden CO2-Anstieg in der Atmosphäre auch die mittleren Breiten und die Südhemisphäre erwärmt, denn der Treibhauseffekt wirkt überall. Aber auch Ozeanströmungen ändern sich mit dem Klima, was wiederum Sekundäreffekte auslöst.

Der RealClimate-Beitrag Unlocking the secrets to ending an Ice Age beschäftigt sich mit dem Zusammenspiel dieser Mechanismen beim Übergang von einer Kaltzeit zu einer Warmzeit und macht auch Änderungen von Ozeanströmungen für die paradoxe Beobachtung verantwortlich, dass die Erwärmung in der Nordhemisphäre beginnt, aber dennoch die Antarktis noch vor der Arktis zu schmelzen beginnt.
Noch immer unklar ist heute, wo sich die Hauptquelle des Kohlenstoffreservoirs befindet, das für den Anstieg des atmosphärischen CO2 verantwortlich ist. Im Real-Climate-Artikel wird zuerst einmal klar gemacht, dass das gleichmässig im Ozeanwasser gelöste CO2 dafür nicht ausreicht und stellt die Vermutung an, dass sich das Haupt-CO2-Reservoir in den Tiefen des südlichen Ozeans befindet, wahrscheinlich in Form von organischem Material, das in den Tiefen des Meeres treibt oder dort gelagert ist – und das nur darauf wartet, dass es wärmer wird, um dann freigesetzt zu werden.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 2

@Kommentar von Prof. Reto Knutti, ETH Zürich. 07.05.2012, 11:35
Ja, klar genau mein reden!

33% Wahrscheinlichkeit und „wir“ bzw unsere Nachkommen
gehen alle den Bach runter!

Prima .. deshalb sagt man als verantwortungsvoller Wissenschaftler
Stop .. und 350 ppm und weniger muss das Ziel sein.
http://www.flickr.com/photos/350org/6995431610/in/set-72157629967355005

Schade, bei der naechsten Aktion sind einige von der ETH
hoffentlich dabei!

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 3

@ Michael Dittmar:

UNEP ist nicht mehr oder weniger politisch korrekt als IPCC oder sonst etwas, es ist einfach eine von vielen Studien. Die Unsicherheitsbalken der höchsten IPCC Szenarien gehen über 6°C (http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-spm-5.html), und werden als „likely“ bezeichnet (>66% Wahrscheinlichkeit). Die Wahrscheinlichkeit über dem Unsicherheitband zu liegen ist also nicht unbedingt klein. Aber natürlich hängt dies kritisch von den Annahmen in den Szenarien ab. Dies ist keine Frage der Klimaforschung, sondern eine ökonomische und gesellschaftliche Entscheidung.

Beachten Sie aber, dass hier und in UNEP vom Jahr 2100 die Rede ist, und dass die höchsten Szenarien zu diesem Zeitpunkt eine Zunahme von bis zu 0.5°C/Dekade haben. Die Temperaturen in diesen Szenarien werden nach 2100 also weiter steigen.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 1 Daumen runter 3

Ab jetzt gibt es offensichtlich die neuen politisch korrekten Modellierungen: plus 2.5-5 Grad.
mit 1 sigma vermutlich(?). Was Herr Knutti et al ist jetzt
wohl die Wahrscheinlichkeit von +6 Grad und mehr?

http://unfccc.int/files/press/news_room/articles_and_announcements/application/pdf/120504_prestentation_alcamo.pdf

und dazu der Kommentar in BBC news:
http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-17972206

„United Nations Environment Programme chief scientist Joseph Alcamo outline a few key issues.“

But he also said that without much faster uptake of such measures, the best estimate for the year 2100 would be a world that is on average 2.5-5C warmer than in pre-industrial times.“

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

Ich möchte hier noch auf zwei weitere Arbeiten von Victor Brovkin hinweisen:
The millennial atmospheric lifetime
of anthropogenic CO2
mit der Hauptaussage, dass der Grossteil des atmosphärischen CO2 für hunderte von Jahren in der Atmosphäre verbleibt und ein nicht unbedeutender Teil (je nach Modell 20-60%) sogar tausende von Jahren.

Positive feedback between global warming and atmospheric CO2 concentration inferred from past climate change kommt zum Schluss, dass die globale Erwärmung zusätzliches CO2 aus Wasser und Land freisetzen wird und über ein Jahrhundert zu einer zusätzlichen Erwärmung von 15-78% führen wird.

Ferner möchte ich noch auf einen weit verbreiteten Trugschluss aufmerksam machen: Viele denken, der Mensch ändere das Klima hauptsächlich über die Treibhausgaserhöhung (CO2) und allenfalls etwas über die Landnutzungsänderung. Diese beiden Änderungen dominieren zwar langfristig, kurzfristig spielt aber auch die anthropogene Aerosolproduktion – Feinstaub etc – eine grosse Rolle. Die Arbeit von Huber&Knutti besprochen hier unter Der Fussabdruck des Klimawandels schätzt, dass ohne die menschlichen Aerosole der Temperaturanstieg in den lezten 50 Jahren 0.85°C betragen hätte, beobachtet wurden aber nur 0.56°C. Auch die Arbeit Air pollution control and decreasing new particle formation lead to strong climate warming folgert, dass Luftreinhaltungsmassnahmen den Aerosoleffekt in der Zukunft deutlich verringern werden, was eine schnellen zusätzlichen Erwärmung bewirken kann.

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@Ben Palmer
Ausgelöst werden die Eiszeit Zyklen von den Schwankungen der Erdumlaufbahn. Die dadurch verursachten Änderungen der Sonneneinstrahlung sind jedoch viel zu gering, um die folgenden grossen Temperaturunterschiede zu erklären. Es braucht also einen grossen Verstärkungseffekt. Dafür gibt es grundsätzlich nur vier Möglichkeiten: Änderungen der Intensität der Sonnenstrahlung, des Albedo der Erde, der Vulkanasche oder des CO2. Schon einfache Grössenordnungsabschätzungen anhand der Messdaten zeigen, dass nur letzteres in Frage kommt. Die Bestätigung der CO2 Variation durch die Eisbohrkerne war deshalb zwar erwartet aber als experimenteller Beweis und vor allem auch als quantitative Bestätigung sehr wichtig.
Die Brovkin Arbeit (und viele weitere zu diesem Thema) klärt jetzt darüberhinaus die Detail-Mechanismen des gegenseitigen Hochschaukelns von Temperatur und CO2. Eine Hauptrolle spielt dabei selbstverständlich der Temperaturanstieg, den das CO2 verursacht. Natürlich gelten die Zusammenhänge auch heute noch. Die verglichen mit der Eiszeit-Geschichte extrem hohen und schnellen CO2 Emissionen führen uns jedoch weit über diesen Erfahrungsbereich hinaus. Bis jetzt wird etwa die Hälfte des emittierten CO2 noch von den Ozeanen und der Erde aufgenommen, ob und wann sich das ändern könnte, soll durch die genannten Arbeiten geklärt werden.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 6 Daumen runter 5

Das Pendeln zwischen Kalt- und Warmphasen unseres Eiszeitalters wird ja durch Erdbahnparameter-Aenderungen, auch bekannt als Milankovich-Zyklen verursacht. Aenderungen der Exzentrizität, Obliquität und Präzession der Erdbahn ändern aber die Einstrahlungsintensität höchst asymmetrisch, so dass beispielsweise die Nordhalbkugel plötzlich viel mehr Sonnenstrahlung erhält. Dementsprechend werden sich in diesem Fall vor allem die nördlichen Zonen erwärmen. Der mit der Erwärmung verbundene CO2-Anstieg in der Atmosphäre wirkt sich aber global aus, so dass sich die Südhalbkugel miterwärmt.

Aenderungen der atmosphärischen CO2-Konzentration haben also immer globale Auswirkungen. Und offensichtlich erhöht nicht nur CO2 die globale Durchschnittstemperatur, sondern eine Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur erhöht auch die atmosphärischen CO2-Konzentrationen indem CO2 aus dem Meer oder vom Land vermehrt in die Atmosphäre wechselt.
Falls dieser Mechanismus nicht nur für den Wechsel von Kalt-zu Warmphase gilt sondern auch heute müsste man eigentlich erwarten, dass der anthropogene CO2-Ausstoss noch verstärkt wird, indem die dadurch bedingten höheren Temperaturen gelagertes CO2 in die Atmosphäre freisetzen. Bis jetzt – das heisst in den letzten 50 Jahren – war dies allerdings noch nicht zu beobachten. Ich empfehle hier noch den Abschnitt Verstärkungseffekte des Wikipedia-Artikels Erdbahnparameter, welches das Zusammenspiel von Erdbahnparameteränderungen und Verschiebungen von CO2 zwischen den verschiedenen Reservoirs erklärt.

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„Die Arbeit von Brovkin und seinen Wissenschaftskollegen zeigt, dass das Auf und Ab der CO₂-Konzentration von einem faszinierenden Zusammenspiel verschiedener Prozesse getrieben wird.“
Im Klartext: Die CO2-Konzentration wird von natürlichen Prozessen getrieben.

„… dass das Auf und Ab der CO₂-Konzentration von einem faszinierenden Zusammenspiel verschiedener Prozesse getrieben wird. Beim Einsetzen der Eiszeit vor etwa 120‘000 Jahren spielten beispielsweise Änderungen in der Meeresoberflächentemperatur und der Austausch von nordatlantischem Tiefenwasser durch Wasser aus dem südlichen Ozean eine zentrale Rolle. Das Wasser aus dem südlichen Ozean ist kälter und weist einen höheren Anteil an gelöstem Kohlenstoff auf.“

Im Klartext: die CO2-Konzentration wird von (natürlichen) Prozessen getrieben, wie z. B. der (Meeres-)Temperatur.

Das passt auch mit den Messungen an der Vostock-Serie zusammen, die zeigen, dass CO2-Konzentrationen dem Verlauf der Temperatur mit einer Verzögerung von mehreren hundert Jahren folgen.

Damit wird eigentlich deutlich, dass die Variation der CO2-Konzentration nicht die Ursache sondern die Folge von verschiedenen Prozessen ist.

Es stellt sich also die Frage nach der tatsächlichen Ursache der Klimavariabilität. Und daraus abgeleitet muss man sich die Frage stellen, ob die der Klimavariabilität zugrunde liegenden Prozesse seit der letzten Eiszeit zum Stillstand gekommen sind (wer hat sie gestoppt?) oder ob sie auch heute noch irgendwo stattfinden. Um das herauszufinden, müsste man diese Prozesse zuerst identifizieren. Dass das anthropogene CO2 die (alleinige) Ursache ist, wird mit diesen Studien immer unwahrscheinlicher. QED

„Spätestens seit 1999 war dank Messungen an einem Eisbohrkern aus Vostock1 (Antarktis) bekannt, dass CO₂ eine wichtige Rolle spielt in der Dynamik der letzten vier Eiszeitzyklen“.
Aber wohl nicht als Treiber ….

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 4 Daumen runter 6

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