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9.1 – Wechselwirkung zwischen Biosphäre, Kohlenstoffkreislauf und Klima

Da Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) in der Atmosphäre als Treibhausgase wirken, stellen sie das zentrale Bindeglied zwischen dem globalen Kohlenstoffkreislauf und dem Klima dar. Eisbohrkerne sind das einzige Klimaarchiv, in dem die Zusammensetzung der Paläoatmosphäre direkt aufgezeichnet ist. Die Zusammensetzung lässt sich anhand eingeschlossener Luftblasen messen.

Bislang ist es gelungen, die Konzentration dieser beiden Treibhausgase während der letzten 800.000 Jahre zu ermitteln. Die CO2- und CH4-Variationen verlaufen etwa parallel zu den Temperatur- und Meeresspiegelschwankungen. Die Daten belegen somit, dass zwischen den Treibhausgaskonzentrationen und der Temperatur während der letzten acht Eiszeitzyklen ein enger Zusammenhang bestand. Kleine Veränderungen der Erdbahn, die so genannten Milanković-Zyklen, stoßen die regelmäßigen Wechsel zwischen Glazialen und Interglazialen an. Diese Orbitalzyklen lassen sich in Sauerstoffisotopenkurven mariner Sedimente nachweisen. Das belegt, dass das Klima auf Zeitskalen von 10.000 bis 100.000 Jahren durch Veränderungen der Erdbahnparameter gesteuert wird.

Paläoatmosphäre

Temperatur im Vergleich zu heute, atmosphärische Kohlendioxid- und Methan-Gehalte während der letzten 800.000 Jahre

Temperatur im Vergleich zu heute, atmosphärische Kohlendioxid- und Methan-Gehalte während der letzten 800.000 Jahre. Die Daten stammen aus Eisbohrkernen aus der Antarktis (Daten: Dieter Lüthi et al. (2008): High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present. Nature 453, 379. doi:10.1038/nature06949 und Laetitia Loulergue et al. (2008): Orbital and millennial-scale features of atmospheric CH4 over the past 800,000 years, Nature 453, 383. doi:10.1038/nature06950)

Die Zeitreihen zeigen einige wichtige Merkmale bei den Treib­hausgaskonzentrationen. So stieg der Gehalt von CO2 während der letzten 400.000 Jahre jeweils von 180 Volumenteilen pro Million (ppmv) während der Kaltzeiten auf 280 bis 300 ppmv in den Warmzeiten. Der Methangehalt stieg jeweils von 350 auf 750 ppbv (Volumenanteil pro Milliarde). In früheren Warmzeiten lagen die CO2- und CH4-Konzentrationen etwas niedriger. Welche Prozesse diese Schwankungen verursacht haben und welchen Grund die natürliche Spannbreite der Treibhausgaskonzentrationen hat, ist immer noch unsicher. In den vergangenen Jahren haben Geo­wissenschaftler zwar erkannt, dass Änderungen der Ozeanzirkulation, der Karbonatsedimentation im tiefen und flachen Ozean, der marinen und terrestrischen Biomasse, sowie die chemische Verwitterung hierbei eine Rolle spielen. Wie groß ihr Beitrag jeweils ist, ist aber nicht hinreichend eingegrenzt. Forscher haben auch die wichtigsten Methanquellen identifiziert, zum Beispiel die Ausdehnung tropischer und borealer Feuchtgebiete, die Biomassenverbrennung, den Zerfall mariner Methanhydrate und natürliche Methanaustritte. Die beobachteten Änderungen wurden aber noch nicht quantitativ modelliert. Ob der Mensch die Treibhausgaskonzentrationen schon in vorindustrieller Zeit beeinflusste und damit das globale Klima veränderte, ist bisher nicht allgemein akzeptiert, geschweige denn quantifiziert.

Schwankungen der Treihausgase

Atmosphärische Aerosole haben einen starken Einfluss auf die globale Strahlungsbilanz. Sie versorgen außerdem die Biosphäre über weite Distanzen mit Nährstoffen. Natürliche Klimaarchive zeigen, dass sich der Gehalt von Schwebeteilchen in der Atmosphäre zwischen Kaltzeiten und Warmzeiten, aber auch auf einer Skala von Jahren oder Jahrzehnten stark ändern kann. So zeigen die Eiskerne in Kaltzeiten zehn- bis hundertmal so viel Seesalz- und Mineralstaubaerosole an wie in Warmzeiten. Wie sich die Aerosol-Quellen und ihr Transport in der Atmosphäre mit der Zeit verändern, konnte bisher nur unzureichend modelliert werden – mit der Folge, dass die Ursachen der Schwankungen nicht hinreichend verstanden sind.

Aerosole

Rekonstruktion des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre (oben) und der Temperatur des tiefen Ozeans (unten) während der letzten 65 Millionen Jahre

Rekonstruktion des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre (oben) und der Temperatur des tiefen Ozeans (unten) während der letzten 65 Millionen Jahre (Quelle: aus: James C. Zachos et al. (2008): An early Cenozoic perspective on greenhouse warming and carbon-cycle dynamics. Nature, 451, 279. doi:10.1038/nature06588)

Über längere Zeiträume kann der CO2-Gehalt anhand geochemischer Proxies (Stellvertreterdaten) rekonstruiert werden. Im Verlauf der letzten 65 Millionen Jahre, des so genannten Känozoikums, verlaufen CO2-Gehalt und Temperatur in erster Näherung parallel. Allerdings zeigen sich auch deutliche Abweichungen: So schwankte das Klima im Miozän (vor 23 bis vor 5 Millionen Jahren) erheblich, während der CO2-Gehalt nahezu unverändert blieb. Warum die CO2-Konzentration im Verlauf des Känozoikums langsam abnahm, ist bisher nur unzureichend verstanden. Vermutlich spielten tektonische Prozesse eine Rolle sowie das Entweichen von Treibhausgasen aus großen Sedimentbecken. Neben CO2 könnte über diese langen Zeiträume auch der Methanbeitrag in die Atmosphäre das Klima beeinflusst haben. Methan bildet sich zum Beispiel aus organischem Material, das sich in Sedimentbecken gesammelt hat und durch hohe Temperaturen oder Mikroben zersetzt wird. Wie groß diese Methanquelle über geologische Zeiträume war, ist noch unklar.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Wie sich erhöhte CO2-Mengen in der Atmosphäre physikalisch auswirken, ist gut verstanden. Allerdings wissen wir noch relativ wenig darüber, wie sich der CO2- und CH4-Gehalt der Atmosphäre und die Oberflächentemperatur der Erde gegenseitig beeinflussen. Folglich ist es bisher nur unzureichend verstanden, welche Ursachen veränderte Treibhausgaskonzentrationen in der Erdgeschichte hatten und wie sich diese Veränderungen wiederum auf das Klima auswirkten. Es ist eine große Herausforderung für die Geowissenschaften, die Trends und Schwankungen des CO2-Gehaltes im Verlauf von Warm- und Kaltzeiten sowie über das gesamte Känozoikum quantitativ zu verstehen. Um den globalen Wandel zu verstehen, ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen dem CO2-Gehalt und der mittleren Oberflächentemperatur der Erde genauer zu berechnen. Bessere Proxies können dazu beitragen, die Quellen und Senken von CO2 im Verlauf der Erdgeschichte zu verstehen und den CO2-Gehalt zu rekonstruieren.

Um das Klimasystem besser zu erfassen, müssen die Wechselwirkungen zwischen dem Klima und den marinen und terrestrischen Ökosystemen inklusive der Böden untersucht werden. Chemische Verwitterungsprozesse spielen ebenfalls eine Rolle, wirken sich aber eher über längere Zeiträume aus. Wie das Klima und diese biogeochemischen Kreisläufe gekoppelt sind, können Klimasystemmodelle dank umfangreicher Fortschritte bei Analysemethoden und Modellentwicklungen sowie verbesserter Rechnerleistungen inzwischen besser berechnen. Neu entwickelte, gekoppelte Klimasystemmodelle bilden erstmals alle wichtigen biogeochemischen Prozesse und Stoffkreisläufe explizit ab. Sie enthalten zum Beispiel die Vegetation, den marinen Kohlenstoffkreislauf, Aerosole und Verwitterung. Solche Modelle und neue Zeitreihen aus Klimaarchiven werden es ermöglichen, die zugrunde liegenden Prozesse quantitativ zu erfassen.

Wechselwirkungen

Zukünftige Forschungsaktivitäten sollten auch den Einfluss der „tiefen Biosphäre“ auf den globalen Kohlenstoffkreislauf berücksichtigen. Diese erst vor kurzem entdeckte Lebensgemeinschaft könnte das Klimasystem auf Zeitskalen von mehr als hunderttausend Jahren beeinflussen. Schließlich besteht Forschungsbedarf, um herauszufinden, wie viel Methan auf geologischen Zeitskalen aus Sedimentbecken entweicht.

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:05 durch Jana Stone | Impressum