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Er ist einer der Verlierer des Klimawandels: der Eisbär. Er lebt vor allem auf dem Packeis im Nordpolarmeer, dessen Ausdehnung dramatisch schrumpft!

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Zukunft auf dünnem Eis

Wie Wissenschaftler*innen aus vergangenen Warmzeiten lernen


Im VeWA-Schwerpunkt haben sich Geolog*innen, Biolog*innen, Geograf*innen und Klimamodellierer*innen zusammengeschlossen, um das Paläoklima und die Paläoumwelt zu erforschen – und mit den gewonnenen Daten heutige Klimamodelle zu testen. Dahinter steht ein großes Ziel: das Rüstzeug für politische Entscheidungen zu liefern.

Ein Eisbär treibt auf einer Eisscholle im Arktischen Meer. Fotos vom Überlebenskampf des Polarbewohners wurden 2013 zum Symbol für den Klimawandel. Wenn der grönländische Eisschild mit zunehmender Erderwärmung brockenweise ins Meer zu rutschen beginnt, könnten wir das in einigen Generationen auch bei uns merken. Große Teile von Norddeutschland stünden dann unter Wasser.

Schon in früheren Zeiten der Erdgeschichte gab es Warmzeiten mit einer hohen Konzentration von CO2 in der Atmosphäre. Zehn Millionen Jahre nach dem Verschwinden der Dinosaurier, vor 56 Millionen Jahren, kam es zum „Paläozän-Eozän-Temperatur-Maximum“, kurz PETM. Damals stieg die durchschnittliche Temperatur rapide um fünf bis acht Grad, und das in einer generell viel wärmeren Welt als heute. An den Polen gab es kein Eis, in der Antarktis grünte es und der Meeresspiegel lag wesentlich höher als heute. Durch den starken Treibhauseffekt kam es im Meer zur Versauerung und zum Massensterben mariner Organismen.

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Rekonstruktion der atmosphärischen CO2-Konzentrationen der letzten 200 Millionen Jahre mit modellbasierten Szenarien für die Zukunft. Man achte auf die variierende Zeitskala und die Parallelvariation von CO2 und unabhängig bestimmter Antarktistemperatur der letzten 800 000 Jahre. Grafik verändert nach Foster et al. 2017 und Luthi et al. 2008.

Was das PETM für die heutige Klimaforschung relevant macht, ist der vergleichsweise rasche natürliche CO2-Anstieg, ähnlich wie wir ihn seit der Industrialisierung erleben. Allerdings mit dem wichtigen Unterschied, dass der Prozess heute zehnmal (!) schneller vonstatten geht. Wir können uns also die tiefe Vergangenheit der Erde zunutze machen, um zu sehen, was – ohne aktives Gegensteuern – auf uns zukommen wird.

Ein wenig Hintergrund: Vor drei Jahren trat ich meine Professur an der Goethe-Universität Frankfurt an. Bei meinem ersten Gespräch mit Volker Mosbrugger, quasi meinem Antrittsbesuch bei Senckenberg im Herbst 2017, erzählte ich ihm von meiner Idee, in einem großen Verbundprojekt zu erforschen, was wir aus vergangenen Hoch-CO2-Welten für die heutige Zeit lernen können. Er meinte salopp, ich solle dies „lieber früher als später“ machen. Die Gelegenheit dafür ergab sich schon ein paar Monate darauf im Dezember 2017 mit der Ausschreibung des LOEWE-Programms durch das Hessische Ministerium für Wissenschaft und Kunst. Und nach einem mehrstufigen Auswahlverfahren konnten wir im Sommer 2020 die Arbeit an unserem LOEWE-Schwerpunkt „Vergangene Warmzeiten als natürliche Analoge unserer ,hoch-CO2-Klimazukunft‘ – kurz VeWA“ – beginnen.

Im Rahmen des vierjährigen VeWA-Schwerpunkts untersuchen wir, Forschende der Goethe-Universität und der Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung, in elf Teilprojekten unterschiedliche Klimaparameter aus der späten Kreidezeit (der Ära der Dinosaurier) vor 95 bis 66 Millionen Jahren bis zum Ende des Eozäns vor 34 Millionen Jahren. Unser Ziel ist es, möglichst präzise Daten über vergangene Warmzeiten zu gewinnen und heutige Klimamodelle damit zu testen. Wenn diese beim Rückwärtsrechnen gut mit den paläoklimatischen Daten übereinstimmen (climate hindcasting), können wir ihnen auch zuverlässige Vorhersagen zutrauen. Zwei Teilprojekte haben durch die einzigartige Fossillagerstätte Grube Messel bei Darmstadt, UNESCO-Welterbe, auch einen wichtigen lokalen Fokus.

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Klimaproxies. Für ihre Analysen verwenden die VeWA-Wissenschaftler*innen unter anderem die chemische und isotopische Zusammensetzung der Kalkschalen mariner Kleinstlebewesen. Damit lassen sich Klimaparameter wie beispielsweise Temperatur oder pH-Wert eines vergangenen Ozeans zu rekonstruieren. Das Bild zeigt eine aus mehreren Kammern aufgebaute Foraminifere, deren Chemismus mit einem Laser-Massenspektrometer (LA-ICPMS) analysiert wurde – hieraus resultieren die rund 50 μm großen Löcher in den Schalen.

Tiefseebohrkerne als Klimaarchiv

Das beste Langzeitklimaarchiv der Erde sind ozeanische Ablagerungen. Wenn Meeresbewohner sterben, sinken sie auf den Meeresboden und lagern sich dort Schicht für Schicht ab. Für uns Paläoklimatolog*innen sind unter anderem die stecknadelkopfgroßen Foraminiferen interessant. Diese Einzeller leben in großer Vielfalt teils auf dem Meeresboden und teils im Wasser schwebend. Ein Großteil der Foraminiferenarten bildet ein Gehäuse aus Kalk beziehungsweise Kalziumkarbonat. Dazu verwenden sie gelöstes Karbonat aus dem Meerwasser. Steigt die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre, löst sich mehr CO2 im Wasser und es kommt zu einer Versauerung mit abnehmendem pH-Wert. Infolgedessen wird die Schale der Foraminiferen weicher und im Extremfall sterben sie aus. In Proben aus Tiefseebohrungen erkennen wir dies daran, dass die durch die Kalkschaler normalerweise hellen Farben während des PETM von rötlichen Tönen abgelöst werden.

Ein weiterer Indikator für den CO2-Gehalt ist Borat, das die Foraminiferen in geringen Mengen statt Karbonat in ihre Schale einbauen. Bor besitzt verschiedene Isotope, das heißt, die Masse des Elements variiert, weil es mit unterschiedlich vielen Neutronen im Atomkern auftritt. Die Häufigkeitsverteilung der Borisotope im Meerwasser hängt vom pH-Wert ab, sodass wir auch darüber auf die CO2-Konzentration schließen können; dies untersuchen wir im Rahmen eines VeWA-Teilprojekts.

Schließlich können wir aus der Schale der Foraminiferen auch die Meerestemperaturen vergangener Erdzeitalter ableiten. Und zwar anhand geringer Mengen von Magnesium, das anstelle von Kalzium in das Skelett der Foraminiferen eingebaut wird. Das geschieht umso häufiger, je wärmer das Meer wird. In meiner Arbeitsgruppe hat Dr. David Evans dieses „Magnesium-Thermometer“ weiterentwickelt und wendet es erfolgreich auf die Umwelt des Eozäns an.

Genauere Temperaturdaten aus früheren Erdzeitaltern ermöglicht auch eine kürzlich von der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Jens Fiebig weiterentwickelte Methode. Sie basiert auf der temperaturabhängigen isotopischen Zusammensetzung der Karbonatskelette von Meeres- und Landbewohnern. Man kann die Temperatur am Grad der „Verklumpung“ der schweren Isotope ablesen. Dieser Prozess wird aber auch durch die Umstände der Mineralisation beeinflusst. Dem Team ist es gelungen, diesen Einfluss herauszurechnen und die Temperaturen exakter anzugeben. Das ist für die Paläoklimatologie und unseren VeWA-Schwerpunkt ein großer Fortschritt. 

Lernen für die Zukunft

Mit exakten Daten aus der tiefen Erdvergangenheit sollen die Klimasimulationen verbessert werden. Derzeit können sie ein entscheidendes Kennzeichen früherer Warmzeiten nicht gut genug reproduzieren, und zwar das geringere Temperaturgefälle zwischen dem Äquator und den Polen. Damals erwärmten sich die tropischen Ozeane weniger stark, dafür wurde viel Hitze von den Tropen zu den Polen transportiert. Diesen Prozess untersuchen wir in mehreren VeWA-Teilprojekten.

Schon jetzt ist sicher: Wir können nicht darauf warten, dass die Treibhausgase auf natürlichem Weg über die Gesteinsverwitterung zurückgehen. Wenn wir den CO2-Ausstoß nicht drosseln, steuern wir auf eine ähnliche Situation wie im eozänen „hothouse“ zu, die wir ebenfalls im VeWA-Schwerpunkt untersuchen. Damals lag die CO2-Konzentration in der Atmosphäre bei 1000 ppm (parts per million). Heute sind wir „erst“ bei fast 415 ppm, was allerdings schon sehr deutlich über dem vorindustriellen Wert von 280 ppm liegt. Und bei einer jährlichen Steigerungsrate von zwei bis drei ppm nähern wir uns aktuell bedenklich schnell einem Kipppunkt, in dessen Folge die Erderwärmung in einem nicht mehr umkehrbaren selbstverstärkenden Effekt voranschreiten könnte.

Noch haben wir es alle selbst in der Hand, ob es so weit kommt. Wichtig ist, dass sich das Wissen um die Zusammenhänge des Klimawandels sehr rasch stärker in der Bevölkerung verbreitet und politischer Druck aufgebaut wird. Deshalb werden wir Grundlagen und Ergebnisse des VeWA-Schwerpunkts über ein eigenes Teilprojekt zur Wissensvermittlung in einer Reihe von Ausstellungen und interaktiven Projekten mit den Bürger*innen teilen; und zwar nicht nur im Senckenberg Naturmuseum, sondern auch an anderen öffentlichen Orten wie dem Frankfurter Flughafen. 

Literatur

Abram, N.J., McGregor, H.V., Tierney, J.E., Evans, M.N., McKay, N.P., Kaufman, D.S., Thirumalai, K., Martrat, B., Goosse, H. & Phipps, S.J. (2016): Early onset of industrial-era warming across the oceans and continents. – Nature 536: 411.

Bajnai, D., Guo, W., Spötl, C., Coplen, T.B., Methner, K., Löffler, N., Krsnik, E., Gischler, E., Hansen, M., Henkel, D., Price, G.D., Raddatz, J., Scholz, D. & Fiebig, J. (2020): Dual clumped isotope thermometry resolves kinetic biases in carbonate formation temperatures. – Nature communications 11: 1–9.

Broecker, W. (2018): CO2 : Earth’s Climate Driver. – Geochem Perspectives 7: 117– 196. • Evans, D., Sagoo, N., Renema, W., Cotton, L.J., Müller, W., Todd, J.A., Saraswati, P.K., Stassen, P., Ziegler, M. & Pearson, P.N. (2018): Eocene greenhouse climate revealed by coupled clumped isotope-Mg/Ca thermometry. – Proceedings of the National Academy of Sciences: 201714744.

Foster, G.L., Royer, D.L. & Lunt, D.J. (2017): Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years. – Nature Communications 8: 14845.

IPCC (2018): Global warming of 1.5°C: An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C. – Masson-Delmotte V. et al. (Hrsg.). http://www.ipcc.ch/ report/sr15.

Liakka, J., Colleoni, F., Ahrens, B. & Hickler T. (2014): The impact of climate‐vegetation In-teractions on the onset of the Antarctic ice sheet. – Geophys. Res. Lett. 41: 1269– 1276.

Luthi, D., Le Floch, M., Bereiter, B., Blunier, T., Barnola, J.M., Siegenthaler, U., Raynaud, D., Jouzel, J., Fischer, H., Kawamura, K. & Stocker, T.F. (2008): High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000–800,000 years before present. – Nature 453: 379–382.

Steffen, W., Rockström, J., Richardson, K., Lenton, T.M., Folke, C., Liverman, D., Summerhayes, C.P., Barnosky, A.D., Cornell, S.E., Crucifix, M., Donges, J.F., Fetzer, I., Lade, S.J., Scheffer, M., Winkelmann, R. & Schellnhuber, H.J. (2018): Trajectories of the Earth System in the Anthropocene. – Proc. Nat. Acad. Sci.: 201810141.

Zeebe, R.E., Ridgwell, A. & Zachos, J.C. (2016): Anthropogenic carbon release rate unprecedented during the past 66 million years. – Nature Geosci. 9: 325–329.

Der Autor

Prof. Dr. Wolfgang Müller ist seit August 2017 Professor für Geologie und Paläoumweltforschung mit Schwerpunkt Isotopengeochemie an der Goethe-Universität. Er studierte Geologie an der Universität Wien, promovierte 1998 an der ETH Zürich und war Postdoc vor allem in Australien. 2004–2017 war er an der Royal Holloway University London, zuletzt als Prof. für Isotopengeochemie. Er ist Initiator und Sprecher des im Sommer 2020 begonnenen LOEWE-Schwerpunkts VeWA.

Kontakt

Prof. Dr. Wolfgang Müller
Goethe-Universität Frankfurt, Institut für Geowissenschaften
Altenhöferallee 1
D-60438 Frankfurt a.M
w.muller@em.uni-frankfurt.de