Spuren aus der Vergangenheit - Proxydaten

Direkte Messungen von Klimaparametern sind erst seit einigen Jahrzehnten bekannt:

Klimaparameter Zeitdauer der Messungen
Eisvolumen 20 Jahre
Satellit 25 Jahre
Atmosphärische Zusammensetzung 180 Jahre
Temperatur der tiefen Ozeane 50 Jahre
Oberflächentemperatur der Ozeane 70 Jahre
Meeresspiegel 100 Jahre
Temperaturen rund um die Erde 140 Jahre

Eine solche Meßzeit ist nicht geeignet, längere Zyklen der Parameter von Jahrhunderten oder Jahrtausenden zu erfassen.

Um Klimadaten der Vergangenheit zu erhalten, greift man deshalb auf sogenannte Proxydaten zurück. Diese erhält man durch die Analyse natürlicher klimaabhängiger Vorgänge wie: Jahresringe von Bäumen, Eisbohrkerne, fossile Pollen, marine Sedimente, Korallen und historische Daten (1).

Historische Daten von Klimaindikatoren
 

Klimaindikator Zeitdauer der Messung
Landwirtschaftl. Daten aus Europa 700 Jahre
Kirschblüte in Japan 1200 Jahre
Überflutungen des Nils 5000 Jahre

Eisbohrkerne

In der Abb. 49 ist die Temperaturentwicklung und die Schneeanhäufung in Grönland der letzten 20 000 Jahre dargestellt. Vor ca. 12 000 Jahren gab es eine abrupte Temperaturänderung (Dryas), in der innerhalb 50 Jahren ein Anstieg um fast 10 °C zu verzeichnen war.
Sie werden sich fragen, woher man Werte aus der Steinzeit hat? Die Frage stellt sich übrigens ebenfalls beim Thema Evolution. Voraussetzung ist die Tatsache, daß die Naturgesetze auch früher gegolten haben. Dies weiß man durch die Astronomie, die den Weltraum untersucht. Das Licht ist von dort teilweise länger unterwegs, als wie die Erde alt ist. Egal wie alt das Licht ist, es hat immer die Eigenschaften, die man kennt. (Uniformitätsprinzip)

Daten aus der Vergangenheit erhält man durch Gesteinsuntersuchungen oder Analysen von Eis-Bohrkernen aus der Antarktis oder Grönland. Die dort eingeschlossenen Gase, in Zusammenhang mit Altersbestimmungen geben Aufschluß über z. B. die Atmosphäre in früheren Erdepochen.

 
Eisbohrkern
http://idaho.usgs.gov/projects/icecore/

Rechts ist der Bohrturm der Antarktisstation Vostok abgebildet, der 1999 die bisher tiefste Eisbohrung (3623 m) vorgenommen hat. Aus der Analyse kann man die lokale Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit ableiten.

Außerdem erhält man aus Gasblasen Information über O2, CO2 oder Methan, Überreste von Meeresorganismen, und Vulkanausbrüchen usw.

Die Analysen werden mit Hilfe bestimmter Isotopen gemacht, deren Zerfallseigenschaften man über die Zeit kennt. Verwendet werden u.a.

  • Beryllium-10 (10Be) (Halbwertszeit 1,600,000 Jahre); entsteht in der oberen Atmosphäre, wenn kosmische Strahlung N2 und O2-Moleküle trifft. Die Produktion von 10Be folgt dem 11-jährigen Sonnenzyklus
    .--->Rückschlüsse auf Sonnenaktivitäten
  • Sauerstoff-18 (18O). Das Verhältnis 18O/16O ändert sich beim Kondensieren in einer Wolke in Abhängigkeit der Temperatur: je kälter die Wolke, desto niedriger das Verhältnis.
    ---> Rückschluß auf Temperatur
  • Kohlenstoff-13 (13C)/14C: Halbwertszeit 5700 Jahre) Fossile Brennstoffe enthalten kein 14C und weniger 13C als Luft; das Verhältnis 13C/12C ist in Pflanzen niedriger als in der Luft und in Meeren.
    ---> Rückschluß auf Herkunft

Das Eis in 3623m Tiefe hat ein Alter von ca. 400 000 Jahren. In Abb. 52 sind die Ergebnisse der Analysen der Eisbohrung in Vostok für die letzten 160 000 Jahre aufgeführt.

Die Gasanalysedaten aus Eisbohrkernen sind allerdings problematisch, da durch Gasverluste durch Bakterien und bei der Gewinnung und festgestellter Differenzen des Eisalters im Vergleich zum Gasalter von bis zu 6000 Jahren zu niedrige Werte berechnet werden. (siehe Jaworowski 2004, Beck 2007 )

Andere Proxydaten

Neben den Eisbohrkernen gibt es noch andere Indikatoren, die auf Klima- und andere Umweltdaten der Vergangenheit hinweisen. Dazu analysiert man klimaabhängige Relikte aus der Vergangenheit wie:
Jahresringe von Bäumen, Eisbohrkerne, fossile Pollen, marine Sedimente, Korallen, historische Überlieferungen, Stalagmiten und andere. Man nennt diese Daten Proxydaten. Anbei eine kleine Auswahl:

Historische Daten:

Die Kurve zeigt, daß im Mittelalter mehr Wein geerntet wurde, was unter anderem auf bessere klimatische Bedingungen hinweist.

Jahresringe von Bäumen (Dendrochronologie):

Oft werden Baumringe als Beweis für Klimavariationen herangezogen, da ma diese direkt ablesen kann. Die Wissenschaft, die sich mit der Analyse der Daten beschäftigt heißt Dendrochronologie. Diese Wissenschaft nutz verschiedene voraussetzende Prinzipien wie das Uniformitätsprinzip, um verläßliche Ergebnisse zu erhalten. Darunter versteht man, daß heute dieselben biologischen, chemischen und physikalischen Gesetzmäßigkeiten gelten wie in der Vergangenheit.

Nachfolgend ein Querschnitt durch einen Stamm einer Gelbkiefer (Pinus ponderosa) aus Oregon (USA), deren Jahresringe in der Zeit zwischen 1600 und 1700 sehr eng sind: ein Zeichen für Wachstumsreduktion. Damals herrschte die kleine Eiszeit mit mittleren Temperaturen die ca. 1,5° niedriger waren wie heute (siehe Klimageschichte Mitteleuropas, Prof. Glaser).

Höhlenablagerungen (Speleotherme; Stalagmiten/Stalagtiten)

Speleotheme sind mineralische Ablagerungen aus Grundwasser in unterirdischen Höhlen. Solche Stalagmiten und Stalaktiten zeigen jährliche Bänderungen oder enthalten Mineralstoffe, die radiometrische bestimmt werden können. Die Dicke der Ablagerungen oder der Gehalt an Isotopen zeigt Klimavariationen an.

Bei Steleothermen spielt meist das Kalkgleichgewicht eine Rolle. Die zugrunde liegende Reaktionsgleichung:

CaCO3 + CO2 (aq) + H2O Ca2+(aq) + 2 HCO3- (aq) DH°=-17 KJ

ist eine Gleichgewichtsreaktion, die durch höhere Temperaturen nach links in Richtung Abscheidung von Kalkstein (CaCO3) verschoben wird. Je höher die Temperatur, desto stärke die Abscheidung.

Paläozeanographie (Ozeanische Sedimente, Planktonfossilien usw.)

Die obersten Schichten der Meeresböden enthalten Überreste von Organismen aus der Erdgeschichte. Wichtige Vertreter sind einzellige Tiere mit Kalkschalen z.B. Foraminiferen, die als Plankton noch heute die Meere besiedeln.

Da die Foraminiferen im Laufe der Erdgeschichte eine intensive Evolution durchlaufen haben, eignen sich viele von ihnen, die nur eine relativ kurze Zeitspanne (in der geologischen Zeitskala) existierten, hervorragend als "Index"-Fossilien für die Altersbestimmung (Biostratigraphie). So kann man mit Plankton-Foraminiferen die Schichtenfolge der Kreide- und Tertiärzeit weltweit in über 100 einzelne Zonen untergliedern.

Für die Rekonstruktion der Ablagerungsbedingungen in der geologischen Vergangenheit liefern sie ebenfalls wichtige Hinweise (Paläoenvironment). Bei guter Erhaltung liefern die Kalkschalen der Foraminiferen zudem ausgezeichnete Signale zur Isotopen-Stratigraphie (16O/18O; 12C/13C).

Durch Vergleich der heute lebenden Arten mit denen aus früheren geologischen Zeiten ist es möglich, Rückschlüsse auf damals herrschende Wassertemperaturen (Paläo-Ozeanographie) und damit Klimabedingungen (Paläoklima) zu ziehen.

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 49
Spuren der Vergangenheit

 

In der jüngeren Dryas-Zeit fand eine abrupte Klimaänderung innerhalb von wenigen Jahrzehnten mit einem Temperaturwechsel von ca. 10 Grad Celsius statt.Als Ursache werden Schwankungen der Erddrehung vermutet.

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 50
Eisbohrkern

 

 

 

 

 

Abb. 51
Vostok - Antarktis

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 52

Ergebnis der Eisbohrung

 

 

Abb. 53

Winterbilder von Pieter Bruegel
(1528 - 1569)

Die Kanäle Hollands waren damals zugefroren, heute ist das nicht mehr der Fall. In diese Zeit fallen die kalten Winter der kleinen Eiszeit.

Das Buch "Klimageschichte Mitteleuropas" von Prof. Glaser wertet die Archive Europas bezüglich klimatischer Ereignisse der Geschichte aus.

 

Abb. 54

Weintraubenernten in Paris zwischen 1350 und 1900

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 55

Jahresringe von Bäumen

Je nach Weite der Jahresringe bei Bäumen kann man auf bessere oder schlechtere klimatische Bedingungen schließen. Im Beispiel zeigen sich kältere Bedingungen im Jahrundert des 30 jährigen Krieges.(kleine Eiszeit)

 

 

Abb. 56

Schichtung von Stalagtiten

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 57

Planktonfossilien aus Meeressedimenten

Weiterführende Quellen:

CO2 Satelliten

http://www.aoml.noaa.gov/ocd/oaces/co2/

Auswirkung von CO2 (Fragen und Antworten)

http://cdiac.ESD.ORNL.GOV/cdiac/pns/faq.html

CO2 aus Eisbohrungen

http://www.uio.no/~tomvs/esef/esef3.htm und http://nicl.usgs.gov/

Meeresspiegelschwankungen

http://www.geologie.uni-stuttgart.de/edu/msp/msp_pop1.html

Isotope in Eisbohrkernen http://idaho.usgs.gov/projects/icecore/beryl-10.html
http://www.uoregon.edu/~dogsci/dorsey/geo103/lect3.html
http://www.up.ac.za/academic/medicine/anatomy/antro/c-cycle.htm
Gasblasen-Analyse in Eisbohrkernen http://www.vancouver.wsu.edu/fac/brook/icecore.htm
Jaworowski 2004: http://www.john-daly.com/zjiceco2.htm
Eisbohrungen und Klimawechsel
Eisbohrungen in der Antarktis
Analyse von Eisbohrungen
http://www.agu.org/sci_soc/vostok.html
http://www.talkorigins.org/faqs/icecores.html
http://www.antcrc.utas.edu.au/antcrc/
http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/taylor/taylor-glacial.html
http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/co2/vostok.htm

Eisbohrungen und Klimawechsel
Eisbohrungen in der Antarktis
Analyse von Eisbohrungen

http://www.agu.org/sci_soc/vostok.html
http://www.talkorigins.org/faqs/icecores.html
http://www.antcrc.utas.edu.au/antcrc/
http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/taylor/taylor-glacial.html
http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/co2/vostok.htm

Historische Daten http://de.geocities.com/huegelland2004/kleieneiszeit.htm
Daten aus Pollen http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/pollen.html
Speleotherme http://www.gees.bham.ac.uk/people/fairchildresearch/speleothems.htm
http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/speleothem.html
Paläoozeanographie http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/paleocean.html

Jahresringe

http://www.ltrr.arizona.edu/
http://www.arts.cornell.edu/dendro/
http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/treering.html
http://web.utk.edu/~grissino/gallery.htm