M4 Centennial bis Millennial Variabilität

Thema

Die jahrhundert- bis jahrtausendelangen Schwankungen des Klimasystems während der letzten Eiszeit werden von zwei Arten abrupter Ereignisse dominiert. Die erste Art sind die Dansgaard-Oeschger-Zyklen, Temperaturschwankungen in der Arktis und Grönland zwischen acht und sechzehn Grad Celsius mit einer Periode von etwa 1500 Jahren. Die zweite Art sind die Heinrich-Ereignisse, massive Kalbungsereignisse von Eisbergen des Laurentidischen Eisschildes in den Nordatlantik. Beide Arten abrupter Ereignisse werden durch Veränderungen der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC) vermittelt: Heinrich-Ereignisse fallen mit Phasen des Zusammenbruchs der AMOC zusammen, während Dansgaard-Oeschger-Zyklen Perioden aktiver und geschwächter AMOC entsprechen.

Der vorgeschlagene physikalische Mechanismus für die Dansgaard-Oeschger-Zyklen beinhaltet eine Bifurkation der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC) zwischen zwei stabilen Zuständen: einem aktiven Zustand mit Tiefenkonvektion in den Tiefenwasserbildungsgebieten des Nordatlantiks und nordwärts gerichtetem Wärmetransport sowie einem geschwächten Zustand ohne Tiefenkonvektion in denselben Tiefenwasserbildungsgebieten. Der Zustrom von Süßwasser aus der Eisschmelze wirkt als Auslöser für diese Bifurkation, indem er den Salzgehalt des Wassers in den Tiefenwasserbildungsgebieten des Nordatlantiks reduziert und die AMOC dazu bringt, die Bifurkationsschwelle zwischen dem aktiven und dem geschwächten Zustand zu überschreiten.

Heinrich-Ereignisse hingegen werden durch eine inhärente Instabilität des Hudson-Bay-Eisstroms innerhalb des Laurentidischen Eisschilds selbst ausgelöst: Das Eis dieses Stroms beginnt deutlich schneller als üblich über den darunterliegenden Felsgrund zu gleiten, und dieses beschleunigte Gleiten setzt die enorme Anzahl von Eisbergen frei, die ein Heinrich-Ereignis kennzeichnen und in den Nordatlantik gelangen. Diese Instabilität des Hudson-Bay-Eisstroms kann sich autonom, ohne äußere Einwirkung, entwickeln oder durch die Temperatur des Meerwassers an der Basis dieses Eisstroms beeinflusst werden.

Modelle mittlerer Komplexität und paläoklimatische Zirkulationsmodelle reproduzieren sowohl Dansgaard-Oeschger-Zyklen als auch Heinrich-Ereignisse, indem sie die zuvor beschriebene Bifurkation der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation mit der Dynamik der Eisschilde koppeln. Die fast 1500-jährige Periodizität der Dansgaard-Oeschger-Zyklen lässt sich auf drei verschiedene Erklärungen zurückführen: eine der solaren Einwirkung inhärente Periodizität, einen für die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation charakteristischen internen Oszillator und die Zeit, die der Laurentidische Eisschild benötigt, um sein Eis zwischen zwei Heinrich-Ereignissen wieder aufzufüllen.

Die wichtigsten Beobachtungsquellen, anhand derer diese Modelle der jahrhundert- bis jahrtausendlangen Variabilität überprüft werden können, sind grönländische Eiskerne, die die arktischen Temperaturen während jedes Dansgaard-Oeschger-Zyklus direkt aufzeichnen, und marine Sedimentkerne, die die Gesteinsfragmente dokumentieren, die Eisberge jedes Heinrich-Ereignisses beim Abschmelzen auf dem nordatlantischen Meeresboden abgelagert haben. Mithilfe der grönländischen Eiskerne und der marinen Sedimentkerne lässt sich die vollständige Abfolge der Dansgaard-Oeschger-Zyklen und Heinrich-Ereignisse rekonstruieren, die die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation während der letzten Eiszeit hervorbrachte – dieselbe jahrhundert- bis jahrtausendlange Variabilität, mit der diese Beschreibung begann.

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