Bei genauer Betrachtung jedoch folgt der CO2-Anstieg dem Temperaturanstieg um ungefähr 1000 Jahre. Obwohl dieses Phänomen schon vor mehr als zwanzig Jahren vorhergesagt wurde (Lorius 1990), führt er bei vielen Menschen noch immer zu Überraschung und Verwirrung. Ist nun der Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre eine Folge der Erderwärmung, oder ist umgekehrt die Erderwärmung eine Folge des CO2-Anstiegs? Die Antwort lautet: Beides ist richtig.
Abbildung 1: Daten zur CO2-Konzentration in der Atmosphäre, die anhand eines Eisbohrkerns von der russischen Antarktis-Forschungsstation „Wostok“ gewonnen wurden (blaue Kurve) und zu Temperaturschwankungen über die vergangenen 400.000 Jahre (rote Kurve); Quellen: Petit 2000, Barnola 2003
Warmzeiten treten ungefähr alle 100.000 Jahre auf. Man spricht in diesem Zusammenhang von den Milanković-Zyklen, die durch Veränderungen der Erdumlaufbahn und der Rotationsachse verursacht werden. Drei wichtige orbitale Veränderungen sind hierbei zu nennen: Die Form der Erdumlaufbahn um die Sonne (Exzentrizität) variiert zwischen elliptisch und kreisähnlich. Die Neigung der Erdachse (Obliquität) gegenüber der Erdbahnebene schwankt zwischen 22,5 Grad und 24,5 Grad. Drittens pendelt die Erdrotationsachse zwischen einer Ausrichtung auf den Polarstern und auf den Stern Wega (Präzession) – Näheres dazu in unserem Glossar unter dem Stichwort Erdbahnparameter.
Abbildung 2: Die drei wichtigsten Veränderungsparameter der Erdumlaufbahn: Exzentrizität – Änderung der Form der Erdumlaufbahn, Obliquität – Änderung der Neigung der Erdrotationsachse, Präzession – Richtungsänderung der Erdachse
Die drei Effekte überlagern sich auf komplizierte Weise und führen zu langfristigen Veränderungen der Intensität, mit der die Sonne zu verschiedenen Jahreszeiten auf die Erde strahlt (in den nördlichen Breiten scheinen die Veränderungen besonders groß zu sein). Die Milanković-Zyklen führen also zu natürlichen Erderwärmungen – diese aber laufen in Zeitspannen von Jahrtausenden ab und damit viel langsamer als die Erderwärmung, die heute zu beobachten ist.
Für die Verzögerung des CO2-Anstiegs bei diesen prähistorischen Klimawandeln hat die Wissenschaft überzeugende Erklärungen gefunden: Beispielsweise kam es vor ungefähr 18.000 Jahren infolge der orbitalen Veränderungen jeweils im Frühling zu einer stärkeren Sonneneinstrahlung auf der südlichen Erdhalbkugel. Dies führte zu einem Rückzug des antarktischen Meereises und ließ die Gletscher der südlichen Hemisphäre abschmelzen (Shemesh 2002). Der Eisverlust hatte einen verstärkenden Rückkopplungseffekt: Da weniger Eis vorhanden war, um das Sonnenlicht in die Atmosphäre zu reflektieren (verringerter Albedo), verstärkte sich die Erwärmung weiter.
Wenn sich Ozeangebiete erwärmen, verringert sich die CO2-Löslichkeit des Wassers (Martin 2005). In der Folge entweicht mehr Kohlendioxid aus dem Ozean in die Atmosphäre. Der genaue Mechanismus, durch den die Tiefsee CO2 abgibt, wird noch nicht ganz verstanden, doch man geht davon aus, dass er mit der vertikalen Vermischung des Wassers im Ozean zusammenhängt (Toggweiler 1999). Dieser Vorgang dauert ungefähr 800 bis 1000 Jahre, so dass erst ungefähr tausend Jahre nach der anfänglichen Erwärmung ein Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu beobachten war (Monnin 2001, Mudelsee 2001.)
Das Ausgasen von Kohlendioxid aus dem Ozean hatte dann verschiedene Folgen: Erstens verstärkte der erhöhte CO2-Gehalt der Atmosphäre die ursprüngliche Erwärmung. Der relativ schwache Erwärmungseffekt eines Milanković-Zyklus reicht nämlich nicht aus, um den extremen Temperaturwandel herbeizuführen, der erforderlich ist, um den Übergang von einer Eiszeit in eine Warmzeit zu bewirken (diese Periode wird Deglaziation genannt). Dagegen lässt sich durch den Verstärkungseffekt des CO2 die tatsächlich aufgetretene Erwärmung erklären. (Diese Beobachtungen sind übrigens hilfreich, um die heute zu erwartenden Klimaänderungen infolge bestimmter CO2-Freisetzungen – in der Fachsprache: die „Klimasensitivität“ – abschätzen zu können .)
Zweitens verteilte sich das Kohlendioxid vom südlichen Ozean aus in der gesamten Erdatmosphäre, so dass sich auch nördlichere Gebiete erwärmten (Cuffey 2001). Tropische Meeressedimente deuten auf eine Erwärmung der Tropen ungefähr tausend Jahre nach der Erwärmung der Antarktis und somit ungefähr zur Zeit des CO2-Anstiegs hin (Stott 2007). Auch zeigen Eiskerne aus Grönland, dass die Erwärmung im Norden erst nach dem CO2-Anstieg in der Antarktis erfolgte (Caillon 2003).
Die Behauptung, die Verzögerung beim CO2-Anstiegs während prähistorischer Klimawandel widerlege den Einfluss von CO2 auf die Erderwärmung, zeugt also von einem mangelnden Verständnis der Prozesse, die die Milanković-Zyklen antreiben. Eine Analyse der Forschungsergebnisse zu den vergangenen Deglaziationsphasen ergibt jedenfalls:
- Die Deglaziation wird nicht durch CO2, sondern durch Orbitalzyklen verursacht.
- CO2 verstärkt jedoch das Ausmaß der Erderwärmung, das nicht durch Orbitalzyklen allein erklärt werden kann und sorgt zudem für eine Verteilung der Wärme über den gesamten Globus.
Für den aktuellen Klimawandel lässt sich aus alldem zweierlei lernen: Die gegenwärtige Erderwärmung vollzieht sich viel zu schnell und zu heftig, als dass sie mit orbitalen Faktoren erklärt werden könnte. Momentan geht also etwas grundsätzlich anderes vor als in Deglaziationsphasen, bei denen der CO2-Anstieg tatsächlich erst durch die Erderwärmung angestoßen wurde. Was dann aber auf diese höhere Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre folgte, lässt wertvolle Rückschlüsse darauf zu, wie das Klimasystem der Erde heute bzw. in den kommenden Jahrzehnten und Jahrhunderten auf die menschengemachten CO2-Emissionen reagieren dürfte.
John Cook/klimafakten.de, Stand: Juni 2010
