Die Klimageschichte der Erde

Inhaltsverzeichnis

I Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen

II Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

1.Einleitung

2. Klimabeeinflussende Faktoren auf verschiedenen Zeitskalen 5 2.1 Faktoren mit langfristigen Auswirkungen
2.2 Faktoren mit mittelfristigen Auswirkungen
2.3 Faktoren mit kurzfristigen Auswirkungen

3. Das Klima im Präkambrium
3.1 Archaikum
3.2 Proterozoikum

4. Das paläozoische Klima
4.1 Kambrium und Ordovizium
4.2 Silur und Devon
4.3 Perm und Karbon

5. Das warme Klima des Mesozoikums
5.1 Das Klima Pangäas
5.2 Treibhausklima während der Kreide
5.3 Der Meteoritenimpakt an der Kreide/Tertiär-Grenze und die klimatischen Folgen

6.Tertiär- Der Weg in ein neues Eiszeitalter
6.1 Belege für die Abkühlung
6.2 Ursachen der Abkühlung

7. Das quartäre Eiszeitalter - Wechsel von Glazialen und Interglazialen
7.1 Steuermechanismen des quartären Klimas
7.2 Das Klima seit dem Abschmelzen der Inlandeismassen

8. Schlussbetrachtung

9. Schriftenverzeichnis

I Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen

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II Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

IIa Abbildungen

Abb.1: Abhängigkeit der globalen Temperatur vom CO2-Gehalt

Abb.2: Einfluss explosiver Vulkanausbrüche auf Temperatur der Stratosphäre und bodennaher Atmosphäre

Abb.3: Von Cyanobakterien aufgebaute Stromatolithen

Abb.4: Dropstone in Nordwest-Namibia

Abb.5: Verbreitung von Gletscherablagerungen im Neoproterozoikum

Abb.6: Übersicht über Klimaänderungen seit dem Proterozoikum

Abb.7: Paläogeographische Verhältnisse im Unterkarbon

Abb.8: Ergebnisse einer Modellsimulation für das Klima Pangäas

Abb.9: Entwicklung der 13C-Verhältnisse seit Beginn des Mesozoikums

Abb.10: Vergleich der Temperaturunterschiede zwischen Pol und Äquator in der mittleren Kreide und heute

Abb.11: Schwerefeldanomalien auf der Halbinsel Yucatan (Mexiko)

Abb.12: Foraminifere mit einem Durchmesser von etwa 600 μm

Abb.13: Plattentektonische Bewegungen und Gebirgsbildungen während des Tertiärs

Abb.14: Öffnung der Drake-Passage

Abb.15: Schließung der Meerenge in Mittelamerika lässt den Golfstrom entstehen

Abb.16: Sauerstoffisotopenverhältnisse in Tiefseesedimenten des Nordatlantiks während des Quartärs

Abb.17: Schematische Darstellung der 3 klimarelevanten Erdbahnparameter Exzentrizität, Obliquität und Präzession

Abb.18: Freilegung der nährstoffreichen Sedimente der Schelfgebiete durch Meeresspiegelabsenkung während der Glaziale

Abb.19: Übersicht über die Entwicklung des Klimas im Holozän

Abb.20: Anomalien der globalen Durchschnittstemperatur der Jahre 1861 bis 2000, bezogen auf die Durchschnittstemperatur von 1961 bis 1990

II b Tabellen

Tab.1: Geologische Zeittafel

1. Einleitung

Das Thema Klimawandel genießt spätestens seit dem diesjährigen UN-Klimabericht in den Medien Omnipräsenz. Leser und Zuschauer werden mit Fragen nur so überhäuft. Wodurch kann man den Klimawandel aufhalten? Welche ökologischen und ökonomischen Folgen hat eine globale Erwärmung? Was passiert, wenn die Polkappen schmelzen? Kommt gar der Golfstrom ins Stocken und die Menschheit steht am Rande einer neuen Eiszeit?

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Fragen, die nur mit Hilfe der Paläoklimaforschung beantwortet werden können. Eine genaue Kenntnis der klimatischen Entwicklung auf der Erde ist Voraussetzung um aktuelle und zukünftige Klimaänderungen richtig beurteilen zu können. Dabei lautet das Motto: aus der Vergangenheit für die Zukunft lernen.

Die heutige weltweite Durchschnitts-temperatur liegt bei etwa 15°C. Diese unterliegt jedoch Schwankungen, die von 11°C Durchschnittstemperatur in den Glazialen (Kalt- bzw. Eiszeiten) bis zu 24°C in den großen Warmzeiten (z.B. älteres Tertiär) reichen können (Junge & Eissmann 2003: 346). Es muss geklärt werden, welches die determinierenden Faktoren sind, die diese Veränderungen verursachen. Eine detaillierte Kenntnis der Funktionsweise des Klimasystems ist elementar um Ursachen und Folgen von Klimaveränderungen verstehen zu können. Welche Vorgänge im System Erde, verändern auf welche Art und Weise die globale und regionale Verteilung von Temperatur und Niederschlägen. In welchem Maße haben etwa plattentektonische Prozesse Einfluss auf das Klimasystem? Was sind natürliche Steuermechanismen für den Anteil von Treibhausgasen wie Kohlendioxid oder Methan in der Atmosphäre? Wodurch werden Eiszeiten hervorgerufen?

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Ziel dieser Arbeit ist es, diese und andere Fragen näher zu beleuchten um das Klima, als Ergebnis vielfältiger innersystemarer Wechselwirkungen, besser zu verstehen. Dabei soll zunächst ein Überblick über Faktoren gegeben werden, die das Klima auf verschiedenen Zeitskalen entscheidend bestimmen. Anschließend soll die Klimageschichte vom Archaikum bis ins Holozän (siehe Tab. 1) beschrieben werden. Aufgrund des immensen thematischen Umfangs und des begrenzten Rahmens, kann diese Arbeit viele Aspekte nur streifen sowie einige Klimahypothesen exemplarisch aufgreifen.

2. Klimabeeinflussende Faktoren auf verschiedenen Zeitskalen

Dauer und Geschwindigkeit mit der das System Erde und damit das Klima auf Umweltveränderungen reagieren sind höchst unterschiedlich. Die Spannweite reicht von Einflüssen, die sich langsam vollziehen und über Jahrmillionen (z.B. Kontinentaldrift) wirken über Faktoren, die das Klima über viele Jahrtausende (z.B. Änderung der Erdbahnparameter) steuern bis zu solchen, die nur eine Wirkung von Tagen bis Monaten (z.B. Vulkanausbrüche) erzielen. Im folgenden Kapitel sollen einführend einige dieser Steuermechanismen des Klimas vorgestellt werden. Die Bezeichnungen kurz-, mittel- und langfristig sind jeweils in geologischen Zeiträumen zu verstehen.

2.1 Faktoren mit langfristigen Auswirkungen

Die grundlegenden Voraussetzungen für das Klima einer Region bildet die Lage im Gradnetz der Erde, da dies Art und Intensität der Insolation determiniert. Somit ist die Kontinentalverschiebung eine elementare Steuergröße des globalen Klimas. Aufgrund der Geschwindigkeit der Plattenverschiebung, ist sie in geologisch großen Zeiträumen wirksam.

Entscheidend für eine Eisbildung auf der Erde kann u.a. die Lage einer Landmasse an einem geographischen Pol sein. Dies ist die Voraussetzung für die Akkumulation von Schnee und initialer Gletscherbildung, die über die Eis-Albedo-Rückkopplung weiter verstärkt werden kann. Durch die Entstehung weißer Flächen, die einen größeren Teil der solaren Einstrahlung reflektieren als dunkle Flächen, kühlt sich die Erdoberfläche weiter ab, wodurch die Voraussetzungen für die Vergrößerung der Eisfläche geschaffen sind. Weiterhin können durch Kontinentalverschiebung der Verlauf der globalen Meeresströmungen verändert werden, so bildete die Isolation der Antarktis die Voraussetzung für die einsetzende Eisbildung während des Tertiärs (siehe Kapitel 6.2) (Schönwiese 1995: 141ff). Wie jedoch aus der Arbeit Ruddimans hervorgeht, ist es auch möglich, dass Landmassen sich in polarer Lage befinden können ohne dass es zum Aufbau von Gletschern kommt. Dies war etwa vor 425-325 Ma und vor 125-35 Ma der Fall (Ruddiman 2001: 110ff). Somit ist erwiesen, dass eine polare Lage eines Kontinents nicht zwingender maßen die Bildung von Gletschern zur Folge haben muss.

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Neben der Verschiebung der Landmassen im Gradnetz der Erde haben plattentektonische Prozesse auch noch auf andere Weise Klimarelevanz. Es wird diskutiert, dass die Geschwindigkeit des Sea Floor Spreadings maßgeblich den CO2-Gehalt und damit die Stärke des Treibhauseffekts beeinflusst. Bei schnellem Auseinanderdriften der Platten wird an mittelozeanischen Rücken mehr Magma gefördert, wodurch wiederum mehr CO2 emittiert wird. Außerdem werden durch schnellere Bewegung der Platten mehr Karbonate mit hohem Kohlenstoffgehalt subduziert und aufgeschmolzen. Über Vulkane wird dieses aufgeschmolzene Gesteinsmaterial wieder an die Erdoberfläche befördert, was erneut mit CO2-Freisetzung einhergeht (Ruddiman 2001:116ff). Darüber hinaus hat die tektonische Heraushebung von Gebirgen wohl einen Einfluss auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre. Durch die Auffaltung und Hebung wird neues, unverwittertes Gesteinsmaterial der Erosion ausgesetzt. Nachdem das Ausgangsgestein durch physikalische Verwitterung zerkleinert wurde, kann es nun durch chemische aufgearbeitet werden, wodurch der Atmosphäre CO2 entzogen wird. Orogenesen sorgen also für neue Ausgangsstoffe für die chemische Verwitterung, wodurch mehr CO2 gebunden wird und sich das Klima abkühlt (Ruddiman 2001: 121ff). Das gegenwärtige gemäßigte Klima ist nur in einem relativ kleinen Kohlendioxid-Fenster möglich. Den exponentiellen Zusammenhang zwischen CO2-Gehalt und Temperatur zeigt Abbildung 1 anschaulich.

2.2 Faktoren mit mittelfristigen Auswirkungen

Faktoren, die das Klima im Maßstab von Jahrtausenden beeinflussen sind die Variationen der Erdbahnparameter, welche in Kapitel 7.1 detailliert behandelt werden. Im Einzelnen sind dies die Präzession, die Variation der Erdachsneigung oder Obliquität und die Variation der Exzentrizität der Erdumlaufbahn. Diese drei Variationen überlagern einander und bestimmen maßgeblich die Insolation, die den verschiedenen geographischen Breiten zur Verfügung steht. Milankovitch versuchte 1920 die Höhepunkte der quartären Eiszeiten durch die erhaltenen Insolationsschwankungen zu erklären. Die „Milankovitchkurve“ korreliert gut mit den quartären Temperaturschwankungen, reicht aber als einziger Erklärungsansatz nicht aus. Die Variation der Erdbahnelemente liefert meist nur den Anstoß für verschiedene Rückkopplungsmechanismen und wird darüber hinaus von anderen klimarelevanten Prozessen modifiziert (Schönwiese 1995: 128ff).

2.3 Faktoren mit kurzfristigen Auswirkungen

Die Strahlung der Sonne ist ein entscheidender Klimafaktor. Mit einer Solarkonstante von 1370 W/m2 ist sie weitestgehend beständig. Durch Sonnenfackeln oder Protuberanzen ausgelöste Phasen erhöhter Sonnenaktivität können den Wert der Solarkonstanten um 0,1 % erhöhen. Durch Satellitenmessungen bestimmte Phasen erhöhter Sonnenaktivität korrelieren eng mit der Anzahl von Sonnenflecken, die im Abstand von 11 Jahren ein Maximum erreichen. Erscheint die Variation der Einstrahlung mit 0,1 % auch klein, so ist über Rückkopplungsmechanismen eine Aufschaukelung möglich, die spürbare Auswirkungen verursacht. Da jedoch indirekte Änderungen der Sonneneinstrahlung, beispielsweise über Streu- und Absorptionsvorgänge in der Atmosphäre wesentlich wirksamer sein können, soll auf die Variation der solaren Ausstrahlung nicht weiter eingegangen werden (Schönwiese 1995: 122ff).

Klimawirksamkeit können auch explosive Vulkanausbrüche erlangen. Relevant sind hierbei vor allem aus schwefelhaltigen Gasen hervorgegangene Sulfatpartikel, die bei heftigen Ausbrüchen bis in die Stratosphäre gelangen und dort eine Verweilzeit einiger Jahre haben können, während troposphärische Partikel nach einigen Tagen sedimentiert werden. Der höhere Sulfatgehalt in der Stratosphäre sorgt für erhöhte Absorption der Sonneneinstrahlung und damit für Erwärmung der Stratosphäre, während weniger Sonneneinstrahlung die Erdoberfläche erreicht und es zur Abkühlung der bodennahen Luft kommt (siehe Abb.2). Beim Ausbruch des Tambora (Indonesien) 1815, dem wohl gewaltigsten Ausbruch in historischer Zeit, war die Abkühlung so stark, dass das darauf folgende Jahr als das „Jahr ohne Sommer“ in die Geschichte einging. Weiterhin wird über einen Zusammenhang von Phasen erhöhter globaler Vulkantätigkeit, nachgewiesen durch erhöhten Gehalt vulkanischer Aschen in Tiefseebohrkernen, und verstärkter Eisbildung im antarktischen Raum vor 3 bis 5 Ma diskutiert (Schönwiese 1995: 136ff).

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3. Das Klima im Präkambrium

Das Präkambrium umfasst zwar den Großteil der Erdgeschichte, jedoch nehmen präkambrische Gesteine unter 20% der insgesamt an der Erdoberfläche aufgeschlossenen Gesteine ein, wodurch über die Klimageschichte des Präkambriums relativ wenig bekannt ist (Stanley 2001: 275). Da sehr wenige direkte Klimazeugen existieren, ist man zu einem großen Teil auf theoretische Überlegungen angewiesen (Schwarzbach 1993: 129).

3.1 Archaikum

Die Frühzeit der Erde war gekennzeichnet durch eine Phase vieler starker Meteoriteneinschläge, die neben einem Massenzuwachs und der Schrägstellung der Erdachse auch eine Aufheizung der Erde zur Folge hatten. Darüber hinaus entstand durch radioaktiven Zerfall im Erdinneren zusätzliche Wärme. Berechnungen zeigen, dass die durch radioaktiven Zerfall freigesetzte Wärmeenergie im Archaikum mehr als doppelt so groß war wie heute. Die Erde war ein glutflüssiger Planet, auf dem das Material mit der größten Dichte (Eisen und Nickel) ins Erdzentrum sank, während die leichteren Silikatminerale den Mantel bildeten. Über intensiven Vulkanismus und Exhalationen fanden Entgasungen statt, die zum Aufbau einer Atmosphäre führten. Da die durch Vulkanausbrüche freigesetzten Gase hauptsächlich H2O(g), H2, ClH, CO, CO2 und N2 sind, ist es wahrscheinlich, dass die Uratmosphäre einen ähnlichen Aufbau besaß und damit annähernd sauerstofffrei war. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre stieg erst in Folge des vermehrten Auftretens Photosynthese betreibender Cyanobakterien (siehe Abb.3), die CO2 in O2 umwandelten (Stanley 2001: 283ff). Aufgrund des extrem hohen CO2-Gehalts der Atmosphäre, herrschte ähnlich der heutigen Venus, ein sehr heißes Klima. Allerdings stellten sich auf der Erdoberfläche Temperaturen ein, die im Gegensatz zur Venus, Kondensation von Wasserdampf und damit Bildung einer Hydrosphäre erlaubten, die einen Großteil der CO2-Konzentration aufnehmen konnte (Schwarzbach 1993: 130). Ohne diese hohen Kohlendioxidanteile in der Atmosphäre, wäre es wohl zu einer kompletten Vereisung der Erde gekommen, da die die Erde erreichende Sonneneinstrahlung nach astronomischen Berechnungen etwa 25-30 % niedriger lag als heute. Dies ist damit zu erklären, dass in der Sonne mittels Kernfusion Helium aus Wasserstoff entsteht, was erst allmählich zur Expansion der Sonne und Erhöhung ihrer Stahlkraft führt. Bekannt ist dieses Phänomen als „Faint young Sun paradox“. Bezogen auf heutige Konzentrationen von Treibhausgasen in der Atmosphäre, würde eine ähnlich schwache Sonneneinstrahlung wohl zur kompletten Vereisung der Erde führen, d.h. die „fehlende“ solare Einstrahlung wurde im Archaikum durch den stärkeren Treibhauseffekt überkompensiert. Hinweise darauf, dass es während des Archaikums keine komplette Vereisung der Erde gab, sind archaische fluvial entstandene Sedimentgesteine, die nur durch fließendes Wasser entstehen können, oder auch die Entwicklung ersten primitiven Lebens vor 3,5 Ga (Ruddiman 2001: 88ff).

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