Wie war die Erde, als es so heiß war, wie es uns 2100 versprochen wurde?

Die heutigen Kinder werden ihre eigenen Enkelkinder haben, wenn sie bis zu dem Punkt leben, an dem alle Klimavorhersagen enden. Gibt es in der Vergangenheit Hinweise auf unsere Zukunft?

Karte der modernen Antarktis, die die Rückzugsgeschwindigkeit (2010-2016) der „Adhäsionslinie“ zeigt, auf der die Gletscher den Bodenkontakt verlieren, sowie die Meerestemperaturen. Der einzige rote Pfeil in der östlichen Antarktis ist der Totten-Gletscher, der so viel Wasser enthält, dass es ausreicht, um die Weltmeere um 3 Meter anzuheben.

Alles, was uns passiert ist, ist nur ein Prolog.
- William Shakespeare, Der Sturm

Das 2100. Jahr sieht aus wie eine Reihe restriktiver Flaggen, die an der Ziellinie des Klimawandels stehen - als ob alle unsere Ziele dann enden würden. Aber um die Warnung auf dem Rückspiegel zu paraphrasieren, sie ist uns näher als es scheint. Die heutigen Kinder werden ihre eigenen Enkelkinder haben, wenn sie bis zu dem Punkt leben, an dem alle Klimavorhersagen enden.

Im Jahr 2100 wird sich das Klima jedoch nicht ändern. Selbst wenn wir die Erwärmung in diesem Jahrhundert erfolgreich auf 2 ºC begrenzen, wird der CO ₂ -Gehalt in der Luft 500 ppm betragen. Unser Planet hat seit dem mittleren Miozän vor 16 Millionen Jahren , als unsere Vorfahren noch Affen waren , kein solches Niveau mehr gesehen. Zu dieser Zeit war die Temperatur 5-8 ºC höher als 2 ºC und der Meeresspiegel 40 Meter höher oder sogar mehr als ein halber Meter, der bis Ende dieses Jahrhunderts erwartet wurde, so ein Bericht des Zwischenstaatlichen Gremiums für Klimawandel (IPCC) ) ab 2013.

Woher kommt die Lücke zwischen den Vorhersagen am Ende des Jahrhunderts und dem, was in der Vergangenheit der Erde passiert ist? Sagt uns die Klimavergangenheit des Planeten, dass wir etwas verpasst haben?

Zeit

Ein großer Grund für die Trennung ist einfach: Zeit.

Die Erde braucht Zeit, um auf Änderungen des Treibhausgasgehalts zu reagieren. Einige Veränderungen dauern Jahre , andere erfordern eine ganze Generation, um ein neues Gleichgewicht zu erreichen. Schmelzen von Eis und Permafrost, Erwärmung der Tiefen der Ozeane, Bildung von Torfschichten, Reorganisation der Vegetationsdecke - diese Prozesse dauern Jahrhunderte und Jahrtausende .

Langsame Reaktionen dieser Art werden in Klimamodellen nicht berücksichtigt . Dies ist zum einen auf mangelnde Computerkapazitäten zurückzuführen, zum anderen darauf, dass wir uns nur auf das konzentrieren, was in den nächsten Jahrzehnten passieren wird, und zum anderen darauf, dass diese Prozesse nicht zu 100% vorhersehbar sind. Trotz der Tatsache, dass Klimamodelle die beobachteten Veränderungen erfolgreich vorhersagen , bestehen Unsicherheiten auch für Reaktionen, die relativ schnell ablaufen - wie Wolkenbildung oder erhöhte Erwärmung an den Polen.

Die Vergangenheit der Erde zeigt uns andererseits, wie der Klimawandel tatsächlich stattgefunden hat, und fasst das gesamte Spektrum der schnellen und langsamen Reaktionen des Planeten zusammen. Während vergangener Klimaveränderungen, bei denen die Erde (wie heute) Eiskappen hatte, erwärmte sie sich normalerweise bei jeder Verdoppelung des CO ₂ -Gehalts auf 5 ºC - 6 ºC , während der gesamte Prozess etwa tausend Jahre dauerte. Dies ist etwa das Doppelte des Wertes der „ Gleichgewichtsklimasensitivität “ (ECS), die in Klimavorhersagemodellen bis 2100 verwendet wird, die hauptsächlich auf der Grundlage historischer Beobachtungen berechnet werden.


"Alles, was uns passiert ist, ist nur ein Prolog" - Gravur auf dem Gebäude des Nationalarchivs in Washington, DC

„Wir erwarten wirklich, dass die Systemempfindlichkeit der Erde (Änderung von CO ₂ und aller Systeme - Eiskappen, Pflanzen, Methanwerte, Aerosole usw.) über ECS darauf reagiert. Unsere Studie über das Pliozän besagt, dass es etwa 50% höher ist, obwohl es nicht die Grenze ist “, sagte mir Gavin Schmidt, Direktor des Goddard Institute for Space Studies der NASA in New York.

Oder, wie Dana Royer von der Wesleyan University sagte: „Einfach ausgedrückt, unterschätzen Klimamodelle normalerweise den Grad des Klimawandels im Verhältnis zu geologischen Beweisen.“

Ein Teil des höheren Veränderungsniveaus ist auf die langsam reagierenden Erdsysteme zurückzuführen, die für die globale Erwärmung verantwortlich sind. Selbst wenn morgen absolut alle Treibhausgasemissionen aufhören würden, würde der Meeresspiegel aufgrund der Wärmeausdehnung und des Abschmelzens der Gletscher über viele Jahrhunderte ansteigen . Die Eiskappen der Antarktis und Grönlands werden aufgrund des bereits über mehrere Jahrzehnte angesammelten Klimas ebenfalls weiter schmelzen. Und da CO ₂ lange Zeit in der Atmosphäre verbleibt und keine Geoengineering-Lösungen für seine Entfernung vorhanden sind, wird die Welt alle für das Ende des Jahrhunderts festgelegten Temperaturgrenzen überwinden und es wird noch einige hundert Jahre lang hoch bleiben.

Dies erklärt die Lücke jedoch nicht vollständig, was bedeutet, dass wir keine verstärkenden Rückmeldungen berücksichtigen. Laut der US National Climate Assessment 2017 : „Die Nichtübereinstimmung zwischen den Modellen und den Daten zu früheren Erwärmungen lässt darauf schließen, dass Klimamodelle mindestens einen oder möglicherweise mehrere Prozesse verpassen, die für die zukünftige Erwärmung kritisch sind, insbesondere in den Polarregionen.“

Kann uns das Miozän die Zukunft erzählen?

Das Mid-Miocene Climate Optimum (MMCO) war die alte Klimaerwärmung, bei der die CO ₂ -Niveaus von weniger als 400 ppm auf 500 ppm anstiegen. Der CO ₂ -Gehalt in der Antike wird mit verschiedenen indirekten Methoden gemessen, beispielsweise mit dem Gehalt an Bor- und Kohlenstoffisotopen in fossilen und alten Böden oder aus Poren auf fossilen Blättern. Die Ursache des Sprunges war ein seltenes vulkanisches Phänomen , die „große pyrogene Provinz “, bei der vor 16,6 Millionen Jahren im Westen des modernen US-Territoriums riesige Mengen Basalt an die Oberfläche brachen. Yvette Eley und Michael Hren von der Connecticut University untersuchten, wie sich dies auf das Klima auswirkt.

Sie verwendeten ein Werkzeug wie Fettmoleküle, die nach Pflanzen und Mikroben, die zu dieser Zeit lebten, in den Sedimenten verblieben. Elea und Meerrettich extrahierten die chemischen Überreste von miozänen Mikroben aus dem Schlamm dieser Zeit in Maryland und ermittelten dann den Prozentsatz verschiedener Fettmoleküle an der Bodentemperatur mithilfe von Kalibrierungen, die auf mehr als einem Jahrzehnt der Untersuchung mikrobieller Fette in modernen Böden auf der ganzen Welt basierten. "Sicherlich sind der Zeitpunkt des Auftretens dieser Basaltströme und der Zeitpunkt des Klimawandels sehr eng miteinander verbunden", sagte Eley. „Unsere Biomarker verfolgen definitiv das Verhalten von CO _2. “ Was auch immer die Veränderungen im Ökologiesystem des Planeten verursacht hat, es folgte definitiv pCO _2. “

Unter verschiedenen Beispielen für klimatische Schwankungen war MMCO im Vergleich zum Ende der Perm-Periode, der Trias-Periode und anderer Ereignisse im Zusammenhang mit Massensterben sehr mild. Die CO ₂ -Emissionen im Miozän waren langsam genug, um eine signifikante Versauerung der Ozeane zu vermeiden , im Gegensatz zu heute oder extremen Beispielen aus der Vergangenheit.

In ähnlicher Weise berechneten sie die Temperatur der Meere unter Verwendung der chemischen Überreste mariner Mikroben: „Wir haben eine relative Änderung der Meeresoberflächentemperatur während des MMCO um 4 bis 5 Grad festgestellt - und dann war die Meerestemperatur 6 Grad höher als heute“, sagte Eley.

Wärmer, feuchter, trockener?

Sie maßen die Luftfeuchtigkeit im Miozän , analysierten die chemischen Rückstände der Wachsschicht von Pflanzenblättern und kalibrierten sie nach modernen Werten an verschiedenen Orten auf dem Planeten. "Wenn wir Wachs aus Laub, unserem Biomarker, als Indikator für die Luftfeuchtigkeit verwenden, schließen wir, dass die Atmosphäre mitten im Miozän feuchter wurde", sagte Eley. - Es ist sehr interessant, unsere Arbeit im Zusammenhang mit anderen Rekonstruktionen zu betrachten. Der Westen der modernen USA ist trockener geworden, Südamerika ist feuchter, Teile Europas sind feuchter und andere Teile sind trockener. “

Ferne Orte wie die Ostküste der Vereinigten Staaten , der pazifische Nordwesten , Westchina , Patagonien , Zentralasien und Atacama in Südamerika wurden viel feuchter, was zu einer zunehmenden globalen Erosion führte . Infolgedessen kam es zu einer Ausweitung der Waldfläche und ihrer Verdichtung . Interessanterweise gab es in Nordafrika oder Asien keine Anzeichen von Wüsten , und jetzt haben wir die Wüsten Sahara und Gobi.

Die weit verbreitete Befeuchtung der Atmosphäre und die Begrünung der Oberfläche stimmen nicht mit den Vorhersagen der Zukunft überein, die für die aktuelle Situation getroffen wurden. Nach diesen Vorhersagen werden die jetzt nassen Teile feuchter und trockener - noch trockener. Der Unterschied kann sein, dass unser Klimawandel im Vergleich zu einem viel langsameren Wandel im Miozän sehr dramatisch ist.

Obwohl es vor der Mitte des Miozäns viele Wälder auf dem Planeten gab (im Gegensatz zu heute, was den Entwaldungsprozess widerspiegelt, der von Menschen erleichtert wurde, die mehrere Jahrtausende zwischen den Eiszeiten lebten), führte die Erwärmung im Miozän zu deutlich beobachteten Veränderungen der Vegetation auf der ganzen Welt, die fortbestanden versteinerte Form, insbesondere in Form von versteinertem Pollen.

In den meisten Teilen Europas ersetzten subtropische Pflanzen kaltangepasste Pflanzen, und dichte Wälder mit einer Fülle von Sümpfen füllten die Ufer und Flussdeltas in den Gebieten des modernen Dänemarks und Deutschlands (damals war die Küste Europas 190 km tiefer als heute). In diesen Sümpfen wurde Braunkohle angesammelt, die heute ein Viertel der deutschen Stromerzeugung liefert. Spanien widerstand der Tendenz zur Befeuchtung mit dem heißen und trockenen Klima im Süden und dem warmen und feuchten Klima im Norden, genau wie heute, und erlebte lange Trockenzeiten .


Das Leben mitten im Miozän auf dem Territorium des modernen Spanien, wie es der Künstler präsentiert

Nach europäischen Pflanzen war der Temperaturunterschied zwischen den Jahreszeiten geringer .

In Sibirien regnete es 3-5 mal häufiger als heute, und in den Sümpfen in Ostrussland sammelte sich auch Kohle an. Im arktischen Kanada , wo es heute eine Tundra mit Permafrost und ohne Bäume gibt, wichen mitten im Miozän Niedertemperaturwälder aus Birken-, Ulmen-, Stechpalmen- und Regenschirmkiefern Hochtemperaturwäldern, in denen Buche, Hasel, Ambergris, Walnüsse und Linden wuchsen.

In der Nähe des Äquators gingen frühe Elefanten und Antilopen entlang der grasbewachsenen und feuchten arabischen Halbinsel , und Nordafrika war mit Wäldern bedeckt, in denen sich heute Sanddünen bewegen. Menschliche Affen breiteten sich auf dem bewaldeten Planeten aus , und zu diesem Zeitpunkt trennten sich unsere Vorfahren, Hominiden, von anderen Anthropoiden.

Aber die Antarktis hat sich am meisten verändert.

40 Meter Meeresspiegelanstieg

Ein Drittel bis drei Viertel des antarktischen Eises schmolzen . Auf dem von Eis befreiten Land tauchten Tundra und Wälder auf , bestehend aus Buchen und Nadelbäumen , was nicht möglich gewesen wäre, wenn der antarktische Sommer nicht wärmer als 10 ° C gewesen wäre (es ist viel wärmer als die heutigen -5 ° C ). Es ist unklar, was Grönland tat, aber im Norden könnte es eine kleine Eisdecke geben , die ziemlich stark schmolz .

Infolgedessen stieg der Meeresspiegel um bis zu 40 Meter . Dies würde heute die Küste erheblich in die Kontinente drängen und die dicht besiedelten Regionen überfluten, in denen ein Viertel aller Menschen auf dem Planeten lebt.

40 Meter sind nur geringfügig mehr als die jüngsten Vorhersagen eines Anstiegs des Meeresspiegels in naher Zukunft: bis zu einem Meter bis 2100 und bis zu 1,6 Meter (wenn 5% der Weltbevölkerung unter Wasser leben) bis 2300, vorausgesetzt, wir stabilisieren die Erwärmung um Niveau ist ungefähr 2 ºC. Der Unterschied besteht nur in Zeitskalen. Laut der nationalen US- Klimaschätzung von 2017 werden 2 ºC Erwärmung zum Verlust von 3/5 Teilen grönländischem Eis und einem Drittel des antarktischen Eises führen, was in 10.000 Jahren zu einem Anstieg des Meeresspiegels um 25 m führen wird.

Informationen aus dem Miozän deuten jedoch darauf hin, dass sich der moderne Anstieg des Meeresspiegels als stärker und schneller herausstellen könnte.

Die Küstenablagerungen der östlichen Antarktis zeigen, dass das Eis selbst bei kleinen Änderungen des CO ₂ -Gehalts und der Umlaufbahnschwankungen im Miozän äußerst empfindlich war und recht schnell schmelzen konnte . Wie schnell Edward Gasson von der Universität von Sheffield in Großbritannien schätzte, dass die Antarktis den Meeresspiegel zunächst alle hundert Jahre um etwa 2,5 Meter anheben könnte. Dann verlangsamte sich dieser Prozess und über 10.000 Jahre wurde der Pegel 30 bis 36 Meter höher. Diese Geschwindigkeit stimmt mit den Schätzungen von Robert Dekonto von der University of Pennsylvania und David Pollard vom Amherst College überein, die auf dem Pliozän basieren, dessen Klima kühler als in der Mitte des Miozäns war und dessen Meeresspiegel „nur“ 20 m höher war als heute. Dekonto und Pollard schlugen vor, dass die moderne Erwärmung um 2,5 ºC bis 2100 den Meeresspiegel um 5,7 m bis 2500 erhöhen würde - etwa 1,2 m pro Jahrhundert. Diese rasche Veränderung mag radikal erscheinen, aber wir wissen, dass der Meeresspiegel in den letzten 500.000 Jahren in regelmäßigen Abständen alle hundert Jahre um 4 bis 5,7 m gestiegen ist.

Wenn sich herausstellt, dass der derzeitige Anstieg des Meeresspiegels ähnlich ist wie im Pliozän, 1,2 m in hundert Jahren, oder im Miozän, 2,4 m in hundert Jahren und nicht wie im IPCC, um einen halben Meter in einem Jahrhundert, dann wird unsere Zukunft sein ganz anders. Steigender Meeresspiegel, verstärkt durch Gezeitenfluten und Stürme , wird in einigen Generationen eine große Menge an Küsteninfrastruktur und Besitztümern unbrauchbar machen .

Und bis jetzt haben Computermodelle eine so hohe Eisschmelzrate nicht unterstützt.

Das Schmelzen von Eis unter dem Einfluss des Ozeans, das die Gletscher destabilisiert und spült, war für das Miozän von entscheidender Bedeutung und scheint heute von entscheidender Bedeutung zu sein . Dieser Prozess kann die sich selbst erhaltende Instabilität der Meereisplatten auslösen, und die Gletscher werden aufgrund der becherförmigen Form der Antarktis im Landesinneren zurückgehen. Je tiefer das Eis wird, desto schneller schmilzt es aufgrund des Drucks und die dünneren Gletscher schweben, sodass sie noch schneller zurücktreten, bis sie hohe Spitzen bilden, die unter ihrem eigenen Gewicht brechen, was sich weiter verschlechtert die Situation. Und dieser Prozess in der Antarktis hat wahrscheinlich bereits begonnen .

Ein weiterer Auftaubeschleuniger ist das an der Oberfläche schmelzende Wasser, das das Erreichen von Temperaturen über dem Gefrierpunkt erfordert. Es dringt in Risse ein, gefriert und spaltet das Eis wie ein Splitter - dieses Phänomen wurde beobachtet, als der Jacobshavn-Gletscher in Grönland verschwand. Und heute findet in Teilen der Antarktis ein Oberflächenschmelzen statt . Solche schmelzverbessernden Prozesse wurden erst kürzlich neuen Computermodellen hinzugefügt , und jetzt zeigen sie, dass die in der Antike beobachtete Anstiegsrate des Meeresspiegels von unseren Nachkommen gesehen werden kann .

Der Eisrückzug fördert die Erwärmung, da eine helle, lichtreflektierende Oberfläche durch dunkles, wärmeabsorbierendes Wasser und Erde ersetzt wird. Infolgedessen steigen die Temperaturen langsam weiter an.


Wie könnte die Eisdecke der Antarktis im Miozän vor 14 bis 23 Millionen Jahren aussehen?

Hoffnung auf Unsicherheit?

Könnte die Kluft zwischen dem miozänen Klima und unserer erwarteten Zukunft einfach aufgrund des Mangels und der Ungenauigkeit von Daten über das alte Klima bestehen?

„Änderungen der CO ₂ -Niveaus im mittleren Miozän können den berechneten Medianwert überschreiten . Andere Faktoren sind überhaupt nicht bekannt. Methan- oder N ₂ O-Gehalte nicht bestimmt. Die Menge an Ozon oder Ruß (die nach Bränden oder infolge von Pflanzen auftritt) ist ebenfalls wenig bekannt, sagte mir Gavin. "Selbst wenn wir ideale Indikatoren für die globale Temperatur hätten (aber nicht), können die Sensitivitätsschätzungen, die durch einfaches Teilen der Temperatur durch CO ₂ erhalten werden, nicht mit den heutigen ECS-Schätzungen verglichen werden."

Trotz der Streuung der Pegelwerte häufen sie sich im mittleren Miozän um den Wert von 500 ppm an. Einige Studien deuten sogar auf die Möglichkeit eines niedrigeren CO ₂ -Gehalts hin, was jedoch zu höheren Temperaturen führt. Das Bild des relativ warmen Klimas wird durch geologische Beweise für hohe Meeresspiegel und Mineralien auf der ganzen Welt gestützt, einschließlich des Meeresbodens nahe der Küste der Antarktis.

Wurde das Klimaoptimum aufgrund zyklischer Änderungen in der Umlaufbahn erhöht? Obwohl einzelne miozäne Gletscherzyklen von Orbitalschwingungen abhingen, wie dies bei der letzten Eiszeit der Fall war, blieben warmes Wetter und maximaler Eisrückzug für mehrere Orbital- und Gletscherzyklen zusammen mit höheren Konzentrationen an atmosphärischem CO _{2 bestehen} . Wir können den Anstieg des Optimums also nicht nur in der Erdumlaufbahn um die Sonne aufhängen.

Noch verwirrender ist die Tatsache, dass der Beginn des Miozäns anders war als heute. Das Klima des frühen Miozäns war wärmer als in unserer vorindustriellen Zeit, dann gab es weniger Grasflächen und die Ozeane kommunizierten auf unterschiedliche Weise miteinander . Der Fluss vom Pazifik zum Atlantik verlief dort, wo sich jetzt Panama befindet, und die Beringstraße wurde blockiert. Wissenschaftler glauben jedoch, dass diese Strömungen das Klima möglicherweise nicht so stark beeinflusst haben , und in vielerlei Hinsicht war der Planet dem heutigen sehr ähnlich .

Es gibt also große Unsicherheiten darüber, wie gut die Situation im Miozän die Zukunft unserer Nachkommen beschreibt. Und natürlich gab es zumindest in den letzten 66 Millionen Jahren keine vergleichbaren Prozesse bei einer so hohen Luftemissionsrate. Aus diesen Gründen kann man sich zu Recht weigern, die Situation mit alten Analoga zu vergleichen. , – : .

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