Kohlendioxid als Rückkopplungsgröße

Worüber man viel schreibt, sagt etwas darüber aus, wo man sich getroffen fühlt. Als Vahrenholt und Lüning ihr Machwerk "Die kalte Sonne" in den Verkauf gehen ließen, war die offensichtlich umfangreiche PR-Aktion darum herum für mich Anlaß genug über eine an sich langweilige Wiederholung alter Leugnermythen zu berichten. Wenn Bild, Focus und Spiegel unisono nach der Melodie der Leugner tanzen, dann muß man dazu etwas schreiben. Ganz anders sieht es eigentlich bei einem Artikel von Jeremy Shakun, Clark, He, Marcott, Mix, Liu, Otto-Bliesner, Schmittner und Bard, Global Warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation, Nature 484, 49-54 (2012) aus. Der Artikel war nicht von großer medialer Aufmerksamkeit begleitet, aber inhaltlich stellte er einem bestimmten Mythos ein Bein, und führte daher zu heftigsten Reaktionen bei denen, die mit diesem Mythos arbeiten. Daß sie so heftig die Ergebnisse einer aktuellen wissenschaftlichen Studie wegerklären müssen, zeigt schon, wie stark sie sich davon getroffen fühlen.


Ich bin sicher nicht die richtige Person, um paläoklimatologische Arbeiten zu bewerten. Zum Glück hat Georg Hoffman in seinem Blog dies getan, und er ist definitiv ein Experte in diesem Gebiet. Und natürlich gibt es auch bei Skeptical Science und bei Realclimate gute Kommentare dazu. Die Arbeit von Shakun et al. 2012 illustriert sehr schön, wie komplex die Abläufe sind, die bei einem starken Klimawandel im Zuge des Endes einer Eiszeit ablaufen. Die sogenannten Milankovich-Zyklen führen zu vergleichsweise geringfügigen Änderungen der jährlichen und über die Klimazonen verteilten Strahlung der Sonne, die erst durch Rückkopplungswirkungen zu erheblichen globalen Klimaänderungen führen können. Da man durchaus berechnen kann, wie stark die Änderungen im Energiehaushalt der Erde sind und daraus ableiten kann, daß sich die globalen Temperaturänderungen zwischen Eiszeit und Zwischeneiszeit nur durch Rückkopplungswirkungen erklären lassen, ist es auf jeden Fall ignorant so zu tun, als könnte die Änderung der solaren Strahlung allein die Eiszeiten bewirken. Man vermutet, daß kürzere Winter dazu führen können, daß Schnee und Eis in höheren Breiten stärker abtauen können. Dadurch werden Flächen freigelegt, die die Sonnenstrahlen weniger gut ins All reflektieren. Die Erde tritt in einer Phase ein, in der etwas mehr Energie von der Sonne auf der Erde bleibt und sie leicht erwärmt. Das ist der erste Rückkopplungskreislauf: das Abtauen von Eis und Schnee verringert die Albedo der Erde, ihre Fähigkeit, Strahlung zu reflektieren. Je mehr sich die Erde erwärmt, desto mehr Eis und Schnee können abtauen, desto geringer wird die Albedo der Erde, desto mehr erwärmt sie sich. Das klingt wie eine Rückkopplung, die immer stärker wird, aber sie wird dadurch gebremst, daß eine erwärmte Erde wesentlich stärker ins All abstrahlt und daher wird immer ein neuer Gleichgewichtspunkt erreicht.

Was diesen Gleichgewichtspunkt weiter verschiebt, ist der Treibhauseffekt. Denn wenn die Erde wärmer wird, steigt aus irgendeinem Grund auch das Mischungsverhältnis von Kohlendioxid in der Atmosphäre. Das ist der zweite Rückkopplungseffekt. Warum das Mischungsverhältnis von Kohlendioxid ansteigt, wenn die globale Temperatur steigt, ist nur bedingt klar. Zwar sinkt die Fähigkeit der Ozeane Kohlendioxid zu lösen mit wachsender Temperatur, doch kann man berechnen, wie stark die Ozeane dann CO2 ausgasen, und das ist nur ein Bruchteil der gemessenen Änderung des Kohlendioxidmischungsverhältnisses. Eine Erderwärmung führt zu einer zusätzlichen Steigerung der Kohlendioxidemission in die Atmosphäre, und diesen Mechanismus möchte man gerne verstehen. Ein weiterer Rückkopplungseffekt ist, daß eine wärmere Atmosphäre mehr Wasser halten kann und daher der Wassergehalt steigt. Da Wasser selbst ein Treibhausgas ist, führt eine erhöhte absolute Luftfeuchtigkeit zu einer weiteren Erwärmung, die wiederum die absolute Luftfeuchtigkeit steigert. Auch hier git, daß es kein "davonlaufendes" Treibhaus gibt. Die zunehmende Abstrahlung der Erde ins All bringt den Energiehaushalt der Erde zwangsläufig irgendwann in ein Gleichgewicht. Diese Abstrahlung steigt mit der vierten Potenz der Temperatur aufgrund des Stefan-Boltzmann-Gesetzes, das ist ein zuverlässige Temperaturgrenze nach oben. Deshalb sind schon globale Temperaturänderungen um ein Grad Hinweis darauf, das ein erheblicher Klimaantrieb wirkt, und der größere Teil davon besteht aus Rückkopplungen.

Wie findet man nun heraus, was die Ursache für den Kohlendioxidanstieg bei Erderwärmungen ist? Zum einen hilft es weiter, Änderungen des Isotopenverhältnisses im Kohlendioxid in der Atmosphäre zu verfolgen. In Pflanzen ist das schwerere Isotop ¹³C abgereichert, und wenn die Produktivität der Vegetation nachläßt und dadurch mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre ist, erkennt man dies auch an einer Abnahme des ¹³C-Anteils am gesamten Kohlenstoff in der Atmosphäre. Auch durch das Absinken von organischem Material in den Meeren an den Meeresgrund kann sich dort ein Reservoir für Kohlenstoff mit geringem Gehalt an ¹³C bilden. Mit der entsprechenden Erfahrung kann man aus dem Verlauf der Isotopenverteilung und einem Anstieg des atmosphärischen CO2 auf Beiträge aus solchen Reservoirs für Kohlenstoff zurückschließen und der Ausgasung von gelöstem Kohlendioxid an der Oberfläche eine geringere Rolle zuweisen. Zum anderen braucht man möglichst genaue Daten über die Verteilung und den zeitlichen Ablauf des Temperaturanstiegs auf der Erde im Verhältnis zum Anstieg des CO2-Mischungsverhältnisses, weil man dann den Effekt der Ausgasung von CO2 aus den Meeren halbwegs genau herausrechnen kann. Zudem hilft es dabei, dann mit einem Modell für den Kohlenstoffhaushalt die Auswirkungen auf die biologische Produktivität nachzurechnen.

Abbildung 1: Von links nach rechts strömt das erwärmte Oberflächenwasser von den Tropen in die Arktis. Dort abgekühlt und durch Verdunstung salzreich geworden und damit sehr dicht, sinkt es ab und strömt als kaltes Tiefenwasser zu den Tropen zurück, wo es wieder aufsteigt. Der gelbe Pfeil zeigt die hohe solare Einstrahlung in niederen Breiten an, der aufsteigende blaue Pfeil die Abstrahlung ins All in den hohen Breiten. Die Meeresströmungen gleichen also teilweise Wärmeverluste oder -gewinne durch die Strahlung aus.

Doch es kommt noch eine weitere Komplikation dazu. Es reicht nicht, zu wissen, wie der Strahlungshaushalt in den Klimazonen ist, wie sich die regionale Albedo ändert und wieviel Treibhausgase in der Atmosphäre sind. Auswirkung auf das Klima hat auch der Transport von Wärme durch Meeresströmungen. Am besten bekannt ist wohl der Effekt des Golfstroms und der angeschlossenen Nordatlantischen Strömung auf den Wärmehaushalt Europas. Praktisch wirkt der Golfstrom wie eine Wärmepumpe aus dem tropischen Atlantik vor Amerika zum kalten Nordatlantik vor Europa und in der Arktis. Ohne diese Wärmepumpe wären die Winter in Europa länger und kälter, eisreicher und würden die Albedo der Region im Jahresmittel erhöhen. Die Folge wäre eine nicht nur regionale Abkühlung. Diese Wärmepumpe fällt aber nicht einfach so aus. Angetrieben wird sie dadurch, daß salzreiches und kaltes Wasser in der Arktis absinkt und am Meeresgrund nach Süden fließt. Schmilzt zuviel Eis in der Arktis, sammelt sich dort salzarmes Wasser, das nicht mehr dicht genug ist, um abzusinken, und unterbricht die Umwälzung von Wasser zwischen Arktis und Tropen. Diese großräumigen Meeresströmungen schaufeln die in den Tropen gesammelte Energie aus der Sonneneinstrahlung zu den Polen, wo die Erde vor allem Wärme ins Weltall verliert und verringern die Temperaturunterschiede zwischen den Klimazonen. Speziell die Meeresströmung, die im Atlantik Wasser zwischen Arktis und Tropen transportiert, ist die atlantische meridionale umwälzende Zirkulation und hat im englischen die Abkürzung AMOC. Mit den Milankovich-Zyklen, der Albedorückkopplung, der CO2-Rückkopplung, der Feuchte-Rückkopplung und der Variation der AMOC haben wir also einen Satz von 5 Komponenten, die zusammen helfen können, zu erklären, warum die global so geringen Änderungen der Sonneneinstrahlung im Milankovich-Zyklus zu einem Wechsel von Eis- und Zwischeneiszeiten führen, die globale Temperaturunterschiede im Bereich von 3 bis 6 Grad bewirken.

In der Einleitung hatte ich einen Mythos erwähnt. Der Mythos ist, daß man mit der Variation der Sonneneinstrahlung allein unter Vernachlässigung von Rückkopplungen bereits so etwas wie die Eiszeiten erklären könnte. Wenn jemand wie Richard Lindzen behauptet, die Klimasensitivität der Erde sei sehr gering, behauptet er nichts anderes, als daß all die oben aufgezählten Rückkopplungen weitgehend aufgehoben werden durch andere, negative Rückkopplungen, etwa Änderungen der Bewölkung. In diesem Falle wäre er Anstieg des CO2-Mischungsverhältnisses in den Zwischeneiszeiten nur eine Folge der Erwärmung, hätte aber nichts dazu beigetragen. Für Leugner des Treibhauseffektes ist dieser Ablauf ein Pflichtprogramm, aber auch andere Varianten der Leugner einer menschengemachten globalen Erwärmung sind darauf angewiesen, daß Kohlendioxid als Rückkopplungsgröße im Klimageschehen ausgeschlossen wird. Wenn es daher eine Arbeit gibt, in der man sieht, daß das Kohlendioxidmischungsverhältnis mit ca. 800 Jahren Verzögerung der Temperaturänderung folgt, ist das für solche Leugner ein bequemer Beleg dafür, daß das Treibhausgas die Erwärmung nicht beeinflußt haben kann.. Was sie dabei übersehen, ist die Tatsache, daß es viele Arbeiten gibt, die Temperatur- und CO2-Änderungen gegenüberstellen, und der zeitliche Abstand zwischen Erwärmung und Anstig der Treibhausgaskonzentration variiert in den Arbeiten gewaltig. Der Datierungsfehler ist nämlich erheblich, und zum Teil liegt es auch daran, daß die Temperatur regional unterschiedlich früh und schnell angestiegen ist. Man braucht also Daten, die eine große regionale Auflösung zeigen, um hier zu erkennen, was wirklich passiert ist. Die Arbeit von Shakun et al. ist deshalb so interessant, weil hier viele langjährige Temperaturproxidaten aus verschiedenen Regionen der Erde zusammengetragen wurden, die es erlauben, im einzelnen zu verstehen, in welcher zeitlichen und regionalen Abfolge die Erwärmung nach einer Eiszeit erfolgte. Zusammen mit den Daten der Kohlendioxidmischungsverhältnisse kann man damit ableiten, welche Rolle das Treibhausgas als Rückkopplungsgröße spielte.

Abbildung 2: a) Temperaturtrends abhängig vom Breitengrad zwischen 21,5 - 19 Tausend Jahren vor unserer Zeit (rot) bzw. 19-17,5 Tausend Jahre vor unserer Zeit (blau).
b) Temperaturentwicklung in angegebenen Tausend Jahren vor unserer Zeit für die genannten Breitengradbänder mit Anzeige des Beginns der Erwärmung und des Beginns des Anstiegs der CO2-Konzentration. Abbildungen aus Shakun et al 2012.

Shakun et al. finden, daß am Ende der letzten Eiszeit die Temperatur zunächst in der Arktis anstieg. Und zwar geringfügig, wahrscheinlich als Folge einer erhöhten Einstrahlung im Sommer der nördlichen Hemisphäre. Dadurch schmolz ein Teil des nördlichen Eises ab. Das Schmelzwasser war salzarm, dadurch weniger dicht als das Oberflächenwasser im Norden üblicherweise war und sank nicht mehr in größere Tiefen ab. Die Folge war, daß die AMOC und damit die Umverteilung von Wärme zwischen Arktis und Tropen unterbrochen wurde. Dies führte dazu, daß die Temperatur in den hohen nördlichen Breiten nicht mehr anstieg, sondern sogar wieder etwas zurückging. Genau dies zeigte sich in den Daten. Stattdessen stieg nun die Temperatur in den südlichen Tropen, den südlichen gemäßigten Breiten und schließlich der Antarktis an. Die CO2-Daten zeigten erst danach einen Anstieg an. Irgendwie also führt eine Erwärmung der südlichen Breiten zu einer verstärkten Emission von CO2. Gleichzeitige Bestimmung des Isotopenverhältnisses (zum Beispiel nach R.F. Anderson, S. Ali, L.I. Bradtmiller, S.H.H. Nielsen, M.Q. Fleisher, B.E. Anderson, and L.H. Burckle, Wind-Driven Upwelling in the Southern Ocean and the Deglacial Rise in Atmospheric CO2, Science, 323, 1443-1448 (2009).) deutet darauf hin, daß die CO2-Quelle Rückstände einer biologischen Fixierung von Kohlenstoff ist, zum Beispiel am Ozeanboden abgelagertes Plankton. Gleichzeitig ist der Anstieg der CO2-Konzentration mehr als doppelt so stark als allein durch das Ausgasen von CO2 aus wärmerem Meerwasser zu erwarten. Eher deutet das darauf hin, daß im südlichen Ozean der Austausch mit Tiefenwasser intensiver geworden ist und dabei Kohlenstoff aus Ablagerungen in der Tiefe an die Oberfläche gemischt wurde. Erst nach einem stärkeren Anstieg der Temperaturen im Süden und einem Anstieg der CO2-Konzentration steigt die Temperatur auch in der nördlichen Hemisphäre wieder. Die Interpretation dazu ist, daß nun die Rückkopplung über Treibhausgase zu einer globalen Erwärmung führt. In den Temperaturdaten findet man sogar nach einem Temperanstieg im Norden einen weiteren Temperatureinbruch. Anscheinend wiederholt sich der Zusammenbruch der AMOC, der erneut den Norden von einer Wärmezufuhr durch in den Tropen erwärmtes Meerwasser abschneidet.

Die Zusammenstellung regional aufgelöster Temperaturzeitreihen macht es erst möglich, solche Abläufe in ihren einzelnen Schritte zu zerlegen. Kritisch ist dabei die genaue Datierung der Temperaturzeitreihen, denn ohne sie geht die richtige Reihenfolge der verschiedenen Temperaturverläufe in den verschiedenen Breitengraden verloren. Die Daten zeigen, daß es je nach örtlichem Ursprung der Temperaturdaten ein Vor- oder Nachlaufen bezüglich der CO2-Daten gibt. Im Zusammenhang betrachtet ist es aber erst der Treibhauseffekt von CO2 sowie die Rückkopplung durch den Anstieg der absoluten Feuchte bei einer Erwärmung und dem Treibhauseffekt des zusätzlichen Wassers in der Atmosphäre, die den raschen Temperaturwechsel um mehrere Grad in wenigen Tausend Jahren bewirken. Und was bedeutet das für die heutige Zeit? Es bedeutet möglicherweise, daß wir damit rechnen müssen, daß die globale Erwärmung mit erheblicher Verzögerung, vielleicht Jahrhunderte, vielleicht mehr, zu gewaltigen globalen Veränderungen führen könnte - zu einer Änderung der Meeresströmungen mit raschen Umverteilungen der globalen Temperatur und zu einem Anstieg natürlicher CO2-Quellen, die einsetzen, wenn die menschengemachten CO2-Emissionen bereits schon längst wieder zurückgefahren wurden und wir eigentlich damit rechnen, daß das CO2-Mischungsverhältnis schon wieder zurückgeht. Die globale Erwärmung endet nicht augenblicklich, wenn die menschengemachten Emissionen von Treibhausgasen zurückgehen, sondern hat ein Jahrhunderte umfassendes Nachspiel. Allerdings sind noch viele Fragen offen, was etwa den Mechanismus angeht, der zu den natürlichen CO2-Emissionen führt und daher bleibt es eine Spekulation, ob bei einer menschengemachten Erwärmung noch zusätzliche natürliche CO2- und Methanquellen aktiviert werden.