Gletschereis zeichnet Klimageschichte auf

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1 Klimawandel: Natürliche Klimaarchive Kaspar Meuli, NFS Klima Gletschereis zeichnet Klimageschichte auf Abb. 1 Abb. 2 Klimageschichte rekonstruieren Das Klima der Erde war schon immer von natürlichen Schwankungen geprägt. Um herauszufinden, welchen Anteil der Mensch an der gegenwärtigen Veränderungen trägt, gilt es, das Klima der Vergangenheit zu rekonstruieren. Dabei spielen natürliche Klimaarchive eine Schlüsselrolle. Die Geschichte ist auch in der Klimaforschung der Schlüssel zur Zukunft. Gegenwärtiges und künftiges Klima lassen sich nur verstehen, wenn man so gut wie möglich über die klimatische Vergangenheit Bescheid weiss. Das grosse Problem dabei: Die Atmosphäre hat kein langes Gedächtnis, und menschliche Aufzeichnungen zum Witterungsgeschehen existieren nur für die letzten 900 Jahre. Um dieses Manko wettzumachen, bedient sich die Forschung so genannter natürlicher Klimaarchive. Sie finden sich in Ablagerungen von Ozeanen und Seen, in Baumstämmen und Korallen, Mooren, Tropfsteinen von Höhlen sowie im ewigen Eis. Die Paläoklimatologie bringt diese klimatischen Zeugen der Vergangenheit zum Sprechen. Das Wissen um die langzeitlichen, historischen und vor allem prähistorischen Veränderungen des Klimas ist aus mehreren Gründen von Bedeutung. Im Vordergrund steht die Frage, welche Veränderungen das Klima und seine Antriebsfaktoren durchlebten, bevor sich menschliche Einflüsse bemerkbar machten. Diese so genannte «natürliche Variabilität» wird das Klima auch in Zukunft mitprägen. Je mehr über die klimatischen Schwankungen der Vergangenheit bekannt ist, desto besser lässt sich deshalb beurteilen, ob sich beobachtete oder prognostizierte Klimaveränderungen innerhalb der natürlichen Variationsbreite des Erdklimas bewegen. Eisbohrkerne aus der Antarktis belegen, dass Klimaparameter wie die globale Temperatur und die Konzentration von Treibhausgasen im Laufe der Zeit stark variiert haben. Diese Schwankungen verliefen bisher innerhalb von bestimmten Grenzen. Heute jedoch scheinen wir aus diesem natürlichen regelmässigen Muster auszubrechen. Darauf deuten die Konzentrationen von Methan und CO2 in der Atmosphäre hin. Sie waren während der letzten Jahre noch nie so hoch wie heute, und noch nie verlief ihr Anstieg so schnell. Natürliche Archive helfen Klimamodelle eichen Klimarekonstruktionen helfen nicht nur, klimatische Schwankungen zu verstehen. Sie sind auch ein wichtiges Hilfsmittel für die Arbeit mit Klimamodellen. Für die Klimamodellierer ist der Blick in die Vergangenheit unerlässlich, denn nur so können sie die Qualität ihrer Simulationen unter Beweis stellen. Modelle, die in der Lage sind, vergangene Veränderungen korrekt nachzubilden, liefern auch vertrauenerweckende Projektionen für die Zukunft. Mit realen Daten aus natürlichen Archiven lassen sich Klimamodelle eichen, im Fachausdruck: kalibrieren. Das Interesse der Klimaforschung an natürlichen Archiven ist gross, obwohl Klimarekonstruktionen nie so genau sind wie gemessene Daten. Doch die systematische physikalische Messung von Klimadaten mit Instrumenten ist relativ jung. Die frühesten Messungen von Luftdruck und Lufttemperatur etwa stammen aus der Mitte des 17. Jahrhunderts. Klimatologisch verwertbare Daten, das heisst solche, die an mehreren Orten und über längere Zeitspannen gemessen wurden, liegen gar erst ab Ende des 18. Jahrhunderts vor. Wer das Klima über mehrere Jahrhunderte oder gar Jahrtausende mit den natürlichen Kalt- und Warmzeiten rekonstruieren will, muss deshalb mit indirekten Daten aus historischen Aufzeichnungen oder natürlichen Archiven, so genannten «Proxies» (Annäherungen) arbeiten. Abb. 1: Gletscherbohrcamp auf dem Piz Zupò im Engadin. (Bild: Marcus Abb. 2: Entnahme des Eisbohrkerns. (Bild: Marcus

2 Temperaturabweichung in Grad Celsius Abb. 3 Jahr (AD) Diese Methode beruht auf der Analyse von Materialproben, deren Eigenschaften von vergangenen klimatischen Verhältnissen geprägt wurden. So kann zum Beispiel aus Luftblasen in Eisbohrkernen die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre ermittelt werden, oder es lassen sich aus dem Verhältnis der Sauerstoffisotope im Eis Rückschlüsse auf die Temperatur in der Vergangenheit ziehen (siehe Kasten). Allerdings sind die Zusammenhänge zwischen den von der Natur archivierten Informationen und den verschiedenen Klimaparametern nicht immer genau bekannt, auch können sich diese Korrelationen im Laufe der Zeit verändern. Trotzdem erlauben es paläoklimatologische Methoden, Informationen über mehrere Millionen Jahre zurück zu gewinnen und Schwankungen des Erdklimas für diesen Zeitraum sichtbar zu machen. Dabei gilt allerdings, dass die Verfügbarkeit und die Genauigkeit der Informationen abnehmen, je weiter sie zurückreichen. Auch ermöglichen paläoklimatologische Daten oftmals nur qualitative oder relative Aussagen. Und schliesslich muss man sich bei der Interpretation von Proxy-Klimadaten immer vor Augen halten, dass es sich dabei um eine Kombination von Spuren des lokalen, regionalen und globalen Klimas handelt, die entsprechend stark oder schwach ausgebildet sind. Auf der ganzen Welt ähnliche Archivwerte ergeben sich nur ausnahmsweise, zum Beispiel für die Konzentrationen von Methan und CO2. Die beiden Gase sind in der Atmosphäre global sehr gut durchmischt und können deshalb als relative Zeitskala beim Vergleich von Eiskernen dienen. Hier ein Auswahl der wichtigsten natürlichen Klimaarchive und ein paar Beispiele ihrer Anwendungsmöglichkeiten: Klimabedingungen an Baumjahrringen ablesen Die wohl bekannteste Methode der Klimarekonstruktion ist die so genannte Dendroklimatologie. Sie baut darauf auf, dass das Wachstum der Bäume unter anderem von wechselnden klimatischen Bedingungen, insbesondere von Sommertemperaturen und Bodenfeuchte, bestimmt wird. Die sich verändernden Bedingungen lassen sich an der Breite der Baumringe und an der Dichte ihres dunklen Holzes ablesen. Da alle Bäume einer Region vergleichbaren klimatischen Bedingungen ausgesetzt sind, lassen sich die Jahrringe von unterschiedlich alten lebenden und abgestorbenen Bäumen zu langen Zeitreihen kombinieren. Noch länger werden diese Reihen, wenn man sie durch Holzproben aus historischen Gebäuden und von im Gletschereis konservierten Bäumen ergänzt. Durch dieses Vorgehen konnten in der Schweiz 9000-jährige Baumringreihen erstellt werden. Aus Sicht der Klimaforschung sind sie allerdings von bloss lokaler Bedeutung. Weit aussagekräftiger ist eine Rekonstruktion, die Forscher der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) 2002 mit Baumproben von 14 Standorten, verteilt über die ganze Nordhemisphäre, erstellt haben. Sie zeigt den Temperaturverlauf in den vergangenen 1000 Jahren. Isotopenanalyse von Gletschereis Jedes Element verfügt über unterschiedliche Varianten in seinem atomaren Aufbau. Man nennt diese verschiedenen Formen Isotope. Die Protonenzahl der Isotope ist identisch, doch unterscheiden sie sich durch die Zahl der Neutronen in ihrem Kern und damit in der Masse. Die Isotope eines Elements verhalten sich chemisch gleich, aber sie zeigen unterschiedliches physikalisches Verhalten. So verdunstet beispielsweise das leichte Wasser H2 16 O besser als das H2 18 O. Es kommt so zu einer Auftrennung (Fraktionierung) der Isotope. Das Verhältnis zweier verschiedener Sauerstoffisotope kann mit Hilfe eines Massenspektrometers bestimmt werden. Dabei wird das ionisierte (elektrisch aufgeladene) Isotopengemisch durch ein Magnetfeld aufgetrennt, und die verschieden schweren Isotope werden umso stärker von ihrer Flugbahn abgelenkt, je leichter sie sind. Die jeweiligen Anteile von 18 O und 16 O werden am Ende ihrer Flugbahnen durch einen Detektor bestimmt. Für die Klimaforschung ist weniger der absolute Wert dieser Anteile von Bedeutung als der relative Unterschied der Isotopenhäufigkeit, das heisst ihr Verhältnis. Deshalb werden die Anteile der beiden Sauerstoffisotope mit einem Standard verglichen. Er ist durch die Zusammensetzung von heutigem Meerwasser aus grosser Tiefe definiert, in dem 18 O und 16 O im Verhältnis 1:500 vorkommen. Das Isotopenverhältnis zum Beispiel in Gletschereis wird als Abweichung relativ zu diesem Standard angegeben, ein Wert, der sich δ 18 O (sprich «Delta-O-achtzehn») nennt. Misst man das Isotopenverhältnis in Eisbohrkernen, stellt man fest, dass das Isotop 18 O häufig im Verhältnis zu 16 O seltener vorkommt als im Meerwasser und somit einen negativen δ 18 O-Wert aufweist. Eine Ursache für dieses Phänomen: Die Wassermoleküle in Schnee und Regen, aus denen das Eis entstanden ist, sind aus dem Meer verdampft. Dabei kam es zu einer Fraktionierung der verschiedenen Sauerstoffisotope, bei der Wassermoleküle mit dem leichten Sauerstoff 16 O stärker verdunsteten. Durch Isotopenmessungen an Niederschlägen und Temperaturbestimmungen können unter bestimmten Umständen experimentelle Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung der Niederschläge und der Temperatur ermittelt werden. Diese statistischen und physikalischen Zusammenhänge bilden schliesslich die Grundlage für die Auswertung der in den Eisproben gemessenen Daten. Das vereinfachte Ergebnis diese mehrstufigen Verfahrens: Während Kaltzeiten sind die δ 18 O-Werte im Gletschereis deutlich tiefer als in Warmzeiten. Aus den Schwankungen der δ 18 O-Werte können Rückschlüsse über die Funktionsweise des Klimasystems in der Vergangenheit gezogen werden. Abb. 3: Rekonstruktion der Temperaturen auf der Nordhemisphäre mit Hilfe von Baumjahrringen. Abweichungen zum Mittel (Quelle: Biffa et al. 2002)

3 Abb. 4 Abb. 5 Die Dendrochronologie ermöglicht Klimarekonstruktionen von einer Präzision, die anderen natürlichen Archiven abgeht. Weil jeder Baumring einem Jahr entspricht, lassen sich zum Beispiel klimatische Extremereignisse genau datieren und mit historischen Aufzeichnungen vergleichen. Die Qualität der Jahrringanalyse hängt allerdings entscheidend vom Standort der untersuchten Bäume ab, da ihr Wachstum von Faktoren wie dem lokalen Klima, Temperatur, Niederschlag, Frost, Schädlingen und Krankheiten beeinflusst wird. Mikrofossilien lassen auf vergangenes Klima schliessen Ein weiteres ergiebiges Klimaarchiv stellen Sedimente auf dem Grund von Seen und auf Ozeanböden dar. Je nach Standort sind dort Ablagerungen von Pollen, Algen und Ton ungestört erhalten, die im Wasser als konstanter Partikelregen niedergehen. Die nur wenige Millimeter dicken Lagen, so genannte Varven, enthalten Informationen über vergangene Umweltbedingungen und stellen idealerweise ein Archiv mit jährlicher Auflösung dar. So geben eingelagerte Pollen Auskunft über die vergangene Vegetation in der Umgebung des Sees, und Mikrofossilien wie Kieselalgen oder Zuckmückenlarven liefern Anhaltspunkte über die Wassertemperaturen. Da jede Art unter anderen Bedingungen optimal gedeiht, liefern Veränderungen im Vorkommen dieser Mikrofossilien ein getreues Bild der jeweiligen klimatischen Verhältnisse. Sedimentbohrungen im Hinterburgsee im Berner Oberland beispielsweise ermöglichten so kürzlich eine Temperaturrekonstruktion über die letzten rund Jahre. Klimainformationen, die gar mehrere Hunderttausend Jahre zurückreichen, liefert ein weiteres Archiv: Gletschereis. Kalte Gletscher, bei denen die mittlere Eistemperatur wesentlich unter null Grad liegt, sowie das Eis der Polarkappen speichern Niederschläge und damit Hinweise zum Klima der Vergangenheit wie in riesigen Tiefkühlschränken. Die Spurenstoffe der Atmosphäre werden von fallenden Schneeflocken gesammelt und Schicht für Schicht übereinander gestapelt, was eine Rekonstruktion der Klimaschwankungen in hoher zeitlicher Auflösung erlaubt. Abb. 4: Aufbereitung von Seesedimenten im Labor. (Bild: Marcus Abb. 5: Mikroskopaufnahme der Kieselalge Surirella linearis. (Bild: zvg) Abb. 6: Entnahme eines Sedimentkerns. (Bild: Peter Rosén) Abb. 7: Aufgeschnittene Sedimentkerne. (Bild: Marcus Abb. 6 Abb. 7

4 Abb. 8 Abb. 9 Eiskerne aus 3000 Metern Tiefe aus der Antarktis Besonders interessant für Eisbohrungen sind extrem niederschlagsarme Gebiete in Polnähe, da Bohrkerne hier einen im Vergleich weiter zurückreichenden Datensatz liefern. Der Bohrstandort Dome Concordia in der Antarktis, an dem in einem europäischen Projekt auch Schweizer Forscher arbeiten, dürfte in einer Tiefe von über 3000 Metern bis zu jähriges Eis zu Tage bringen. Für die Rekonstruktion des regionalen Klimas von Bedeutung sind aber auch Bohrungen von lediglich hundert Metern Tiefe aus allen übrigen Gletscherregionen der Welt. In den Alpen, im Himalaja und in den Anden liefern solche Eiskerne Daten zu Temperatur und Niederschlag, die mehrere tausend Jahre zurückreichen können. Schwierig wird die präzise Datierung von gebohrtem Gletschereis in Tiefen, in denen keine Jahresschichten mehr gezählt werden können. Dann helfen unter anderem Spuren von Vulkanasche weiter, die eine zeitliche Einordnung im Vergleich mit historischen Aufzeichnungen über Vulkanausbrüche ermöglichen. Glück hatte ein amerikanischer Klimaforscher, der in einer Eisbohrung in Bolivien in 100 Metern Tiefe per Zufall auf zwei im Eis eingefrorene Fliegen stiess. Sie liessen sich mit Hilfe der so genannten 14C-Methode datieren. Dabei zeigte sich, dass die Fliegen und somit das Eis in dieser Tiefe 5610 Jahre alt waren. Speziell für tropische Gebiete stellen auch Korallenriffe ein hochauflösendes Klimaarchiv dar. Sie dokumentieren auf Grund ihrer geringen Wachstumsrate von lediglich 0,05 Millimeter im Jahr die Veränderung der Meeresoberflächentemperaturen über Tausende von Jahren. Ihre massiven Kalkskelette haben einen schichtartigen Aufbau, der den Wechsel der Jahreszeiten ähnlich wie Baumringe widerspiegelt, da die Korallen bei kühleren Wassertemperaturen langsamer wachsen als bei warmen. Korallen reagieren so empfindlich, dass Rekonstruktionen der Wassertemperatur mit einer Auflösung von bis zu einem Monat möglich sind. VITA vernetzt verschiedene Klimaarchive In einer besondern Anstrengung versucht in der Schweiz zur Zeit der Nationale Forschungsschwerpunkt Klima (NFS Klima), verschiedene, nahe beieinander gelegene Klimaarchive zu vergleichen und zu vernetzen. Im Projekt VITA (Abkürzung für «Varves, Ice cores and Tree rings Archives with annual resolution») werden insbesondere Daten aus dem Oberengadin gesammelt und ausgewertet. Beprobt wurden die Seesedimente des Silser-, Silvaplaner- und St.-Moritzersees, das Torfmoor von Mauntschas sowie Arven aus der Gegend von Stazerwald bei Pontresina. Ursprünglich vorgesehen war auch die Analyse eines Eiskerns vom Zupò-Gletscher im Berninamassiv. Doch erwies sich dort das Gletschereis als zu warm und die Probe musste durch eine Bohrung am Fieschergletscher im Wallis ersetzt werden. Die Klimarekonstruktionen von VITA sollen unter anderem aufzeigen, wie gut die verschiedenen Umweltarchive in der Lage sind, klimatische Veränderungen aufzuzeichnen. Dazu ist als erstes eine genaue Datierung der einzelnen Archivproben nötig. Danach sollen die erhobenen Daten in Temperatur- und Niederschlagsrekonstruktionen umgewandelt werden. So soll sich schliesslich zeigen, wie zuverlässig in den verschiedenen Archiven eine Rekonstruktion des Klimas in den vergangenen 500 Jahren möglich ist. Quellen: Climate-Press ( ) ETH-Leitprogramm Physik: Treibhaus «Erde», («Auf den Spuren der Klimageschichte»), 1995 ETH-Life ( ) Mündliche Mitteilung, Martin Grosjean, NFS Klima Unipress, April 2003 Abb. 8: Aus unterschiedlichen Holzproben lassen sich lange Zeitreihen bilden. (Bild: WSL) Abb. 9: Entnahme einer Holzprobe im Lötschental. (Bild: WSL)

5 Verständnisfragen 1) Warum ist die Klimaforschung auf natürliche Klimaarchive angewiesen? 2) Nennen Sie die wichtigsten natürlichen Klimaarchive. Welches von ihnen erlaubt die zeitlich längsten Klimarekonstruktionen? 3) Weshalb sind natürliche Klimaarchive für die Entwicklung künftiger Klimaszenarien mit Hilfe von Computermodellen wichtig? 4) Welche Bedeutung haben natürliche Klimaarchive in der Diskussion darüber, ob der Mensch für den gegenwärtigen Klimawandel verantwortlich ist? Vertiefungen 1) Hören Sie den Radiobeitrag «Der Gletscher als Klimaarchiv» und informieren Sie danach Ihre Klasse über das Forschungsprojekt am Colle Gnifetti. Beantworten Sie dabei folgende Fragen: Was sind die Ziele dieses Projekts? Wo liegen die technischen und logistischen Herausforderungen einer Gletscherbohrung? Wie lässt sich Gletschereis datieren? Weshalb sind Gletscher als natürliches Klimaarchiv gefährdet? 2) In der Datei «Baumringe» finden Sie Originaldaten eines Projekts des NFS Klima im Engadin. Es handelt sich dabei um eine Temperaturreihe (in C) und Baumringwerte (in mm). Der Einfachheit halber werden die Temperaturen für die beiden Baumstandorte als identisch angenommen. Finden Sie heraus, wie gut das Wachstum der Baumringe mit der gemittelten Dreimonatstemperatur übereinstimmt. Stellen Sie dazu aus den Daten für die Standorte Muottas und Tamagur je eine Temperaturkurve aus den gemessenen und den rekonstruierten Daten (Baumringdicke) für die Dreimonatsperioden DJF, MAM, JJA, SON her. Für welche Jahreszeiten ergibt sich eine brauchbare Korrelation? Der Standort Muottas befindet sich im Oberengadin (N-Exposition, 2200 m ü. M.), der Standort Tamagur im Unterengadin (N-Exposition 2200 m ü. M.). 3) In der Datei «Baumschnitt» finden Sie das Foto eines Zirbe-Bohrkerns am Standort Tamagur (TAM105a). Die Aufnahme ist dreimal vergrössert. Wählen Sie aus diesem Schnitt 25 aufeinander folgende Jahrringe, messen Sie deren Breite und stellen Sie die Werte in einer Kurve dar. Vergleichen Sie Ihre Kurve mit der Darstellung in der Datei «Chrono», die eine standardisierte Darstellung der Baumringwerte an diesem Standort zeigt. Um möglichst aussagekräftigen Daten zu erhalten, wird dabei eine Chronologie genannte, repräsentative Reihe von Baumringwerten aus verschiedenen individuellen Bäumen zusammengesetzt. Passen Sie Ihre Kurve ein und finden Sie heraus, welchem 25-jährigen Zeitabschnitt auf der Chronologiekurve sie am besten entspricht. (Bemerkung: Die Chronologiekurve besteht aus so genannten Indices-Werten, das heisst, es werden die Abweichungen von einer standardisierten Kurve angegeben. Die Chronologiekurve und die aus in Millimeter gemessenen Baumringdicken hergestellte Kurve lassen sich deshalb nur qualitativ miteinander vergleichen.) 4) Führen Sie eine Internetrecherche über Klimaforschung in der Antarktis und in Grönland durch. Auch in Polnähe dient Eis als natürliches Klimaarchiv. Erklären Sie die Unterschiede zu den Archiven in den Alpen. Weshalb macht die Erforschung beider Archive Sinn? Gute Informationen finden Sie zum Beispiel bei der European Science Foundation Stichwortsuche nach EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica), beim British Antarctic Survey unter Menupunkt «BAS research» oder beim North Greenland Ice core Project (