Vor 2,6 Millionen Jahren war die Erde viel heißer als heute

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zang Tonggang (Masterstudent in Paläoklimatologie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die Grenzen des Wissens zu erweitern, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Unbekanntes Gebiet“ gestartet, die einen Überblick über die Erkundungsergebnisse bietet, die die Grenzen im Weltraum, in der Tiefsee, in der Tiefsee und in anderen Bereichen durchbrochen haben. Begeben wir uns auf eine wissenschaftliche Entdeckungsreise und lernen wir die erstaunliche Welt kennen.

In den letzten Jahren hat das Thema der globalen Erwärmung zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen und Wissenschaftler haben dieses Thema langfristig und eingehend erforscht. Ein wichtiger Teil dieser Studien besteht darin, uns durch die Untersuchung der Erdgeschichte dabei zu helfen, die Zukunft besser vorherzusagen. Ao Hong und Song Yougui, Forscher des Löss- und Klimawandel-Forschungsteams des Instituts für Erdumwelt der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, nutzten Chinas Löss-Aufzeichnungen, um ein großes Klimaereignis vor Millionen von Jahren zu untersuchen und leisteten damit einen enormen Beitrag zum Verständnis des Klimawandels in der Vergangenheit und zur Vorhersage des Klimawandels in der Zukunft. Dieses Forschungsergebnis wurde am 19. April 2024 in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Vor 2,6 Millionen Jahren war die Erde viel heißer als heute

Das Klima der Erde schwankt ständig und es gab in der Geschichte lange Zeiträume, in denen es wärmer war als heute. Die jüngste Warmzeit ereignete sich während des Übergangs vom Pliozän zum Pleistozän vor etwa 2,6 Millionen Jahren.

Zu diesem Zeitpunkt wird die globale Durchschnittstemperatur der Erde um 2 bis 4 °C höher sein als heute und der Meeresspiegel wird etwa 20 Meter höher liegen als heute (d. h. Küstengebiete wie Shanghai, Tianjin und Macau werden alle überflutet sein). Die klimatischen Bedingungen waren damals völlig anders als heute. Sogar die Arktis war nicht wie heute mit Eis und Schnee bedeckt. Nur die Antarktis war mit Eisdecken bedeckt. Diese Situation wird von Wissenschaftlern als „monopolares Eishaus“ bezeichnet, was dem „bipolaren Eishaus“ auf der heutigen Erde entspricht, wo sowohl der Nord- als auch der Südpol mit Eisschichten bedeckt sind.

Doch dann trat die Erde in eine lange Abkühlungsphase ein.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Ausdehnung der arktischen Eisdecke und globale Abkühlung

Vor 2,6 Millionen Jahren hatten die Eisschilde der nördlichen Hemisphäre gerade begonnen, sich auszudehnen. Nicht nur wurde die Eisdecke Grönlands, Nordamerikas und Eurasiens dicker, auch viele kleine Eisberge brachen von der Eisdecke ab und trieben in den Nordpazifik und Nordatlantik. Mit der Zeit wurde die globale Temperatur tendenziell kälter und die Arktis wurde allmählich von Wind und Schnee bedeckt. Denn je mehr Gletscher es gab, desto weniger Wasser gab es. Als die Gletscher am ausgedehntesten waren, lag der Meeresspiegel etwa 100 Meter niedriger als heute.

Sobald die arktische Eiskappe zu erscheinen beginnt, werden die globalen Temperaturen weiter sinken. Dies liegt daran, dass die Wärme auf der Erde durch die Aufnahme von Sonnenenergie entsteht. Wenn Sonnenlicht auf die Erde trifft, wird ein Teil davon von der Erdoberfläche absorbiert. Ein Teil davon wird nicht nur von der Erde absorbiert, sondern auch in den Weltraum zurückreflektiert. Verschiedene Oberflächenarten wie Wälder, Erde, Wasseroberflächen, Eis und Schnee weisen ein völlig unterschiedliches Reflexionsvermögen gegenüber Sonnenlicht auf, und das Reflexionsvermögen von Eis und Schnee ist viel höher als bei anderen Geländearten. Daher reflektiert die Bildung großer Eis- und Schneemengen in der Arktis mehr Sonnenlicht und die Energie, die die Erde aufnehmen kann, wird reduziert. Mit der Zeit wird die Erde immer kälter. Seitdem hat die Erde unter dem Einfluss großer Eis- und Schneemengen in der Arktis eine sehr lange Periode kontinuierlicher Abkühlung erlebt. Dies führte schließlich zur Entstehung des aktuellen Verbreitungsmusters der „doppelten Eishäuser“ in der Antarktis und der Arktis.

Daher begann sich das Klima auf der gesamten Erde langsam abzukühlen, nachdem sich die arktische Eiskappe zu bilden begann. Aufgrund gewisser Schwankungen in der Stärke der Sonnenenergie kommt es jedoch im Rahmen der allgemeinen Abkühlungstendenz der Erde auch zu kleinen Wechselwirkungen zwischen Hitze und Kälte, mit einem Zyklus von Zehntausenden bis Hunderttausenden von Jahren. Relativ warme Perioden werden als „Interglazialperioden“ und relativ kalte Perioden als „Eiszeiten“ bezeichnet. Die Erde befindet sich derzeit in einer relativ warmen „Zwischeneiszeit“.

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die Auswirkungen des arktischen Eisschildes und des asiatischen Wintermonsuns auf uns

Die Entstehung der arktischen Eiskappe hat erhebliche Auswirkungen auf das Klima der gesamten nördlichen Hemisphäre und sogar der Welt. Beispielsweise ist der Winterwind auf der Nordhalbkugel eng mit der arktischen Eiskappe verbunden . Im Norden ist der Winter von heulenden, kalten Winden geprägt. Im Volksmund wird er als „Nordwestwind“ bezeichnet. Dieser „Nordwestwind“ ist eigentlich der Winterwind. Es entsteht durch die kalte Luft aus Sibirien, die nach Süden zieht. Ist der Winterwind zu stark und zieht weiter Richtung Süden, kommt es im Winter auch im Süden zu Hagel, Starkschneefall und anderen Wetterlagen.

Daher wird das Abschmelzen der arktischen Eiskappe sehr ernste Folgen haben. Neben der bekannten Tatsache, dass das Abschmelzen der Eisdecke zu einem Anstieg des Meeresspiegels führt, kann das Verschwinden der arktischen Eisdecke auch dazu führen, dass der asiatische Wintermonsun schwächer wird oder sogar ganz verschwindet , was wiederum erhebliche Veränderungen des Klimas in Asien insgesamt zur Folge haben wird. So könnten beispielsweise höhere Temperaturen im Winter den aktuellen Erntezyklus stören und die Erträge bei Weizen, einem der derzeitigen Grundnahrungsmittel, stark zurückgehen. Es könnte außerdem zu Überschwemmungen in Südchina kommen, die Todesopfer und wirtschaftliche Verluste für die Bevölkerung bedeuten würden. Darüber hinaus kann es auch das Gleichgewicht des Ökosystems stören und sich auch auf das Klima in anderen Regionen auswirken.

Gerade weil Veränderungen der Intensität des asiatischen Wintermonsuns eng mit dem Leben jedes Einzelnen von uns verbunden sind, steht er seit jeher im Fokus der Forschung der Wissenschaft. Wissenschaftler untersuchen Wintermonsune, um die Zukunft besser vorhersagen zu können. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen sie jedoch zunächst die Geschichte der Wintermonsune untersuchen. Denn nur wenn wir die historischen Muster des Klimawandels kennen, können wir die Zukunft bis zu einem gewissen Grad vorhersagen.

Bei der historischen Untersuchung des Wintermonsuns lautet die wichtigste Frage: Gab es den Wintermonsun schon vor der Bildung der arktischen Eiskappe? Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Stärke des Wintermonsuns und Veränderungen der arktischen Eiskappe?

Asiatische Wintermonsunkarte

(Bildquelle: Nature Communications)

Wie man den Klimawandel in der Vergangenheit untersucht

Allerdings wirft die Untersuchung der historischen Veränderungen des Wintermonsuns zwei schwierige Probleme auf: Erstens: Wie können wir den Klimawandel in der Vergangenheit verstehen? Zweitens: Wie lässt sich das dem Klimawandel entsprechende Alter bestimmen?

Woher wissen wir also, wie sich der asiatische Wintermonsun in den letzten Millionen Jahren verändert hat? Zunächst einmal wissen wir, dass starker Wind gröbere Partikel mit sich tragen kann, während schwacher Wind nur einige feinere Partikel mit sich tragen kann. Daher kann die Rauheit des Bodens ein guter Hinweis auf die Intensität des Monsuns sein. Der asiatische Wintermonsun weht von Sibirien nach China, und das Lössplateau liegt auf dem Weg des asiatischen Wintermonsuns . Daher können die Veränderungen der Grobheit und Feinheit der Bodenpartikel auf dem Lössplateau dazu verwendet werden, die Veränderungen der Intensität des asiatischen Wintermonsuns in der Vergangenheit zu beurteilen.

Nachdem wir nun das Problem der Veränderung des Winterwindes gelöst haben, wie bestimmen wir den Zeitpunkt, der der Veränderung des Winterwindes entspricht? Die hier verwendete „paläomagnetische Datierungsmethode“ basiert darauf, dass das Magnetfeld der Erde den Magnetismus von Mineralien beeinflusst und Änderungen im Magnetfeld der Erde von Mineralien aufgezeichnet werden. Das Magnetfeld der Erde hat sich in der Vergangenheit viele Male umgekehrt. Durch die Untersuchung der Umkehrungen des Erdmagnetfelds haben Wissenschaftler eine geomagnetische Zeitleiste zusammengestellt. Um das Alter von Bodenmaterialien zu bestimmen, müssen Wissenschaftler lediglich die magnetischen Eigenschaften von Bodenmineralien untersuchen und sie mit der geomagnetischen Zeitskala vergleichen.

Anhand der beiden oben genannten Punkte können wir die Veränderungen der Monsunstärke und der entsprechenden Jahre genauer beurteilen.

Was hat die Studie ergeben?

Ao Hong, Song Yougui und andere Forscher vom Forschungsteam für Löss und Klimawandel des Instituts für Erdumwelt der Chinesischen Akademie der Wissenschaften fanden heraus, dass der asiatische Monsun schon lange vor der Bildung der arktischen Eiskappe existierte , die Intensität des asiatischen Wintermonsuns jedoch nach der Bildung der arktischen Eiskappe vor 2,6 Millionen Jahren deutlich zunahm. Außerdem wurde festgestellt, dass die Intensität des Monsuns in Zyklen von 40.000 und 100.000 Jahren schwankt und dass diese Periodizität durch die Bildung der arktischen Eiskappe nicht beeinflusst wurde. Gleichzeitig stimmen die 40.000- und 100.000-jährigen Änderungszyklen des asiatischen Wintermonsuns fast vollständig mit den globalen Änderungszyklen des Meeresspiegels überein. Das heißt, in den letzten zwei Millionen Jahren war die Intensität des asiatischen Wintermonsuns stärker, wenn der Meeresspiegel höher war, und schwächer, wenn der Meeresspiegel niedriger war. Darüber hinaus waren die Veränderungen des asiatischen Wintermonsuns relativ gering, bevor die Gletscher der nördlichen Hemisphäre begannen, das Klima zu beeinflussen.

Darüber hinaus gab es vor und nach der Entstehung der arktischen Eisdecke neben den 40.000- und 100.000-jährigen periodischen Schwankungen beim asiatischen Wintermonsun immer erhebliche Schwankungen im Jahrtausendmaßstab. Solche Schwankungen im Jahrtausendmaßstab blieben sowohl im wärmeren (CO₂-reichen) Spätpliozän als auch im kälteren (CO₂-armen) Frühpleistozän bestehen und wurden hauptsächlich durch astronomische Faktoren und die interne Klimadynamik der Erde gesteuert.

Zusammenfassend ist dieses Ergebnis von großer Bedeutung für das Verständnis der Klimadynamik im Jahrtausendmaßstab. Es zeigt sich, dass die Größe der arktischen Eisdecke lediglich die Intensität des asiatischen Wintermonsuns beeinflusst , nicht jedoch die periodischen Veränderungen des asiatischen Wintermonsuns . Von der Antike bis zur Gegenwart schwankt die Intensität des asiatischen Wintermonsuns regelmäßig mit einem großen Zyklus von 40.000 und 100.000 Jahren und einem kleinen Zyklus von Jahrtausenden. Gleichzeitig verändert sich die Intensität des asiatischen Wintermonsuns synchron mit dem globalen Meeresspiegel.

Vergleich von Indikatoren wie der Intensität des asiatischen Wintermonsuns und der Meeresspiegeländerung

(Bildquelle: Nature Communications)

Welche Inspiration gibt es uns?

Die globale Erwärmung ist heute eine anerkannte Tatsache. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass die globale Temperatur vor 2,6 Millionen Jahren um 2–4 °C höher war als heute, während die CO₂-Konzentration mit der heutigen Konzentration vergleichbar war. Wird in diesem Fall die globale Temperatur um weitere 2–4 °C ansteigen?

Untersuchungen haben ergeben, dass die Intensität des asiatischen Monsuns Schwankungszyklen im 40.000-, 100.000- und 10000-jährigen Rhythmus unterliegt und sich synchron mit dem Meeresspiegel ändert. Ist es also möglich, durch die Überwachung der Meeresspiegeländerungen zukünftige Veränderungen des asiatischen Monsuns vorherzusagen? Welche Auswirkungen werden diese Veränderungen auf das Klima in Asien und sogar weltweit haben? Wie sollten wir Menschen auf diese zukünftigen Veränderungen reagieren?

Diese Fragen bedürfen noch weiterer wissenschaftlicher Forschung. Eines Tages werden wir vielleicht in der Lage sein, die Gesetze des Klimawandels vollständig zu verstehen, die negativen Auswirkungen der Klimaprobleme auf die Menschheit zu lösen und das Klima zu verstehen, zu beherrschen und zu nutzen.

Quellen:

1. McClymont, EL et al. Klimaentwicklung durch den Beginn und die Intensivierung der Vereisung der nördlichen Hemisphäre. Rev. Geophys. 61, e2022RG000793 (2023).

2. Haywood, AM, Tindall, JC, Dowsett, HJ, Dolan, AM & Lunt, DJ Eine Rückkehr zu den großräumigen Merkmalen des pliozänen Klimas: das Pliozän-Modell-Vergleichsprojekt, Phase 2. Klima. Past 16, 2095–2123 (2020).

3. Martínez-Botí, MA et al. Bewertung der Plio-Pleistozän-Klimasensitivität anhand hochauflösender CO₂-Aufzeichnungen. Nature 518, 49–54 (2015).

4. McClymont, EL et al. Lehren aus einer Welt mit hohem CO₂-Gehalt: ein Blick auf den Ozean von vor etwa 3 Millionen Jahren. Klima. Past 16, 1599–1615 (2020).

5. Rohling, EJ et al. Rekonstruktionen des Meeresspiegels und der Tiefseetemperatur deuten auf quasistabile Zustände und kritische Übergänge in den letzten 40 Millionen Jahren hin. Wissenschaft Erw. 7, eabf5326 (2021).

6. Ao H, Liebrand D, Dekkers MJ et al. Variabilität des asiatischen Wintermonsuns im Orbital- und Jahrtausendmaßstab während der pliozän-pleistozänen Gletscherintensivierung. Nat Commun 15, 3364 (2024)