M5 Klimazustandsgrenze Treibhaus vs. Eiskeller

Thema

Das Klimasystem der Erde hat im Laufe ihrer Erdgeschichte verschiedene stabile Klimazustände durchlaufen. Übergänge zwischen diesen Zuständen beinhalten das Überschreiten globaler Bifurkationen innerhalb des Klimasystems selbst. Das Spektrum stabiler Klimazustände umfasst mindestens drei Grenzzustände. Der erste ist das Treibhausklima, wie es in der Kreidezeit vor etwa 90 Millionen Jahren herrschte, mit einer Kohlendioxidkonzentration zwischen 1000 und 2000 ppm, ohne permanentes Polareis und mit Polartemperaturen zwischen 10 und 20 Grad Celsius. Der zweite ist das Eiszeitklima, wie es heute im Quartär mit permanenten Eisschilden an beiden Polen existiert. Der dritte ist die Schneeball-Erde, ein Zustand nahezu vollständiger Vereisung des Planeten, der im Proterozoikum vor 700 bis 635 Millionen Jahren auftrat.

Das Breitengrad-Energiebilanzmodell erfasst die grundlegenden physikalischen Prinzipien dieser stabilen Klimazustände: Die Temperatur an jedem Breitengrad hängt vom Gleichgewicht zwischen absorbierter und emittierter Infrarotstrahlung sowie dem meridionalen Wärmetransport aus anderen Breitengraden ab. Der entscheidende Parameter in diesem Modell ist die Albedo: Eis reflektiert 60 bis 80 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung, während Ozean oder unbewachsenes Land nur 6 bis 30 Prozent derselben Strahlung reflektieren.

Wenn das Eis weit genug in Richtung der Tropen vordringt und einen kritischen Breitengrad nahe 30 Grad überschreitet, wird die Rückkopplung zwischen Eis und Albedo katastrophal positiv: Je weiter das Eis in Richtung der Tropen vordringt, desto stärker steigt die durchschnittliche Albedo der Erde. Eine höhere durchschnittliche Albedo reflektiert mehr Sonnenstrahlung, was die Erde weiter abkühlt und das Eis noch weiter in Richtung der Tropen treibt. Sobald diese katastrophale Rückkopplung zwischen Eis und Albedo ausgelöst wird, gefriert der Planet vollständig und tritt in den zuvor beschriebenen Zustand der Schneeball-Erde ein. Um diesen Zustand zu verlassen, muss sich über Millionen von Jahren vulkanisches Kohlendioxid ansammeln, bis der Druck etwa ein Zehntel des aktuellen Atmosphärendrucks erreicht. Denn das Eis, das den gesamten Planeten im Zustand der Schneeball-Erde bedeckt, reflektiert so viel Sonnenstrahlung, dass kein anderer Mechanismus den Planeten ausreichend erwärmen kann, um es zu schmelzen.

Das Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum, das vor etwa 56 Millionen Jahren stattfand, ist das paläoklimatische Analogon zum heutigen anthropogenen Klimawandel: Ein massiver Kohlenstoffausstoß von 3.000 bis 10.000 Gigatonnen innerhalb von weniger als 20.000 Jahren führte zu einer globalen Erwärmung von 5 bis 8 Grad Celsius, zur Versauerung der Ozeane und zum Aussterben der am Meeresboden lebenden benthischen Foraminiferen. Das Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum zeigt, dass das Klimasystem nichtlinear auf sehr schnelle Kohlenstoffzufuhr reagieren kann, genau wie der gegenwärtige anthropogene Klimawandel im Wesentlichen ebenfalls eine sehr schnelle Kohlenstoffzufuhr im Vergleich zur geologischen Zeitskala darstellt.

Die Analyse der Gleichgewichtsklimasensitivität in verschiedenen Klimazuständen – dem Treibhausklima der Kreidezeit, dem wärmeren Klima des Pliozäns und dem heutigen Klima – zeigt, dass diese Gleichgewichtsklimasensitivität vom Hintergrundklima des Klimasystems abhängt und keine feste Größe ist, die unabhängig vom jeweiligen stabilen Klimazustand des Planeten ist. Diese Abhängigkeit der Gleichgewichtsklimasensitivität vom Hintergrundklima verbindet die drei eingangs beschriebenen Grenzzustände – das Treibhausklima, das Eiszeitklima und die Schneeball-Erde – mit schnellen Übergangsereignissen wie dem Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum: Um zu verstehen, wie stark sich das gegenwärtige Klimasystem als Reaktion auf eine bestimmte Kohlenstoffzufuhr erwärmt, genügt es nicht, diese Kohlenstoffzufuhr allein zu kennen. Es ist außerdem notwendig zu wissen, in welchem ​​der verschiedenen stabilen Klimazustände sich das Klimasystem befindet, wenn es die Anregung erhält.

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