Dienstag, 15. April 2008

Klimawandel

Die Kreidezeit, die Dinosaurier und die Macht der Wolken

Zu Zeiten der Dinosaurier war es wesentlich wärmer als heute. Fast überall herrschte ein feuchtwarmes Klima. Die entscheidende Ursache war nicht eine Zunahme von Treibhausgasen in der Erdatmosphäre, sondern es waren dafür wahrscheinlich Veränderungen in der Wolkenbedeckung der Erde verantwortlich. Das haben die amerikanischenn Klimaforscher Lee Kump und David Pollard an der Penn State University herausgefunden.

Die Kreidezeit I
In der Kreidezeit, die vor 145 Millionen Jahren begann und vor 65 Millionen Jahren endete, erlebten die Dinosaurier ihre Blütezeit. In den Tropen erreichten die Durchschnittstemperaturen 38 ° C und am Nordpol immerhin noch 10 ° C. Immergrüne Nadelwälder (und z.T. auch Laubwälder) bedeckten die Polarregionen. Am Rande der Arktis, im heutigen Kanada wuchsen sogar Palmen. Im Winter fiel zwar gelegentlich auch einmal Schnee, aber Meereis konnte sich nicht bilden. Auch an Land wurde es in der Arktis spätestens im Frühling so warm, daß der Schnee komplett wegschmolz. Nur am Südpol, wo sich auch damals in der Kreidezeit schon die Antarktis befand, war es kalt genug, daß sich auf dem Festland noch Eis bilden konnte. Der Meeresspiegel war mindestens 4o m höher als heute!


Die Erde in der Kreidezeit. Quelle: http://jan.ucc.nau.edu/~rcb7/Late_Cret.jpg
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Zwar war die Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) damals mindestens 4-mal so hoch wie heute, doch trotzdem reicht das nicht aus, um die enorme Erwärmung in der Kreidezeit mit Hilfe von Klimamodellen zu erklären. Der Treibhauseffekt des CO2 ist einfach zu gering.

Tyrannosaurus-Rex Paar (links) und verschiedene Sauropoden in einem immergrünen Nadelwald
Quelle: http://prehistoricsillustrated.com/paleogallery_gerhard_boeggemann.html
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Der Treibhauseffekt
Der Treibhauseffekt kommt dadurch zustande, daß der Erdboden die Strahlung der Sonne absorbiert, in Wärme umwandelt, die Atmosphäre von unten erwärmt, aber einiges von der Wärme auch wieder in den Weltraum abstrahlt (Infrarotstrahlung), wovon die Treibhausgase (Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan, Lachgas) wiederum einen Anteil zurückhalten. Die Moleküle der Treibhausgase absorbieren bestimmte ausgewählte Wellenlängen der Infrarotstrahlung des Erdbodens und geben einen Großteil davon durch Stöße an die zahlreichen Nachbarmoleküle anderer Atmosphärengase (Stickstoff, Sauerstoff, Argon)ab. Die Atmosphäre erwärmt sich dabei ein wenig. Ein kleiner Teil gelangt jedoch als infrarote Gegenstrahlung - mit derselben Wellenlänge in der zuvor absorbiert wurde - wieder zurück zum Erdboden, der dadurch wieder etwas Wärme zurückbekommt und so langsamer auskühlt. Der Rest der aufgenommenen Wärme wird durch die Treibhausgase in den Weltraum abgestrahlt. Aufgrund der verzögerten Auskühlung erwärmt sich der Erdboden durch die Sonnenstrahlung auf höhere Temperaturen, als wenn es keine Treibhausgase gäbe. Die Erdoberfläche strahlt dann dem Temperaturanstieg entsprechend mehr Infrarotstrahlung - mit den zahlreichen Wellenlängen, die die Treibhausgase nicht absorbieren können (Infrarotfenster) - in den Weltraum ab, so daß sich ein Strahlungsgleichgewicht auf diesem höheren Temperaturniveau einstellt. Der durch den Treibhauseffekt erwärmte Erdboden gibt seine zusätzliche Wärme von unten an die unteren Luftschichten der Troposphäre weiter. Die Wirkungen der Treibhausgase addieren sich, können sich aber auch gegenseitig überproportional verstärken. Nimmt beispielsweise die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Luft zu, so wird es nur ein wenig wärmer. Die wärmere Luft kann jedoch mehr Feuchtigkeit aufnehmen (s.u.). Wasser (H2O) ist ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. Damit verstärkt das H2O in der Atmosphäre den relativ geringen Treibhauseffekt des CO2 (Wasserdampfverstärkung).

Die Wolken
Aber nicht alle bei der Erde eintreffenden Sonnenstrahlen gelangen bis zur Erdoberfläche und erwärmen sie, denn ein Teil der Strahlung wird von den hellen Wolken in den Weltraum zurückgeworfen (reflektiert), und auch die Erdoberfläche selbst reflektiert in Abhängigkeit von ihrer Beschaffenheit einen gewissen Anteil der Sonnenstrahlung (Albedoeffekt). Ist die Erdoberfläche beispielsweise vereist oder gar von Schnee bedeckt, oder gibt es viele Wolken, so hat die Erde ein hohes Albedo, und die Sonnenstrahlung wird zu einem großen Teil in den Weltraum reflektiert. Ein hohes Albedo wirkt also abkühlend. Ein weiterer eher kleiner Anteil der Sonnenstrahlen wird von der Atmosphäre direkt aufgenommen (absorbiert).

Wolken wirken nicht nur durch ihre hohe Albedo abkühlend, sondern haben auch einen Treibhauseffekt. Sie halten die Wärme sogar besser als alle Treibhausgase, denn sie absorbieren die Infrarotstrahlung in allen infraroten Wellenbereichen! Davon gelangt der eine Teil als infrarote Gegenstrahlung wieder zurück zum Erdboden, der andere wird direkt in den Weltraum abgestrahlt. Diese Abstrahlung in den Weltraum wird umso geringer, je größer die vertikale Ausdehnung der Wolken ist, denn in größeren Höhen ist die Wolkenoberseite deutlich kälter als die Unterseite. Die Infrarotabstrahlung der Wolkenoberseite in den Weltraum ist damit deutlich geringer als die infrarote Gegenstrahlung an der Wolkenunterseite.

Je nach Wolkenart überwiegt ihr abkühlender Effekt oder ihr Treibhauseffekt. Eiswolken (Cirrus) in großen Höhen lassen das Sonnenlicht größtenteils durch, absorbieren aber sehr gut die vom Erdboden kommende Infrarotstrahlung und wirken daher erwärmend. Wolken, die aus kleinen Wassertröpfchen bestehen (Cumulus, Stratus), sind sehr hell und reflektieren daher das meiste Sonnenlicht. Obwohl auch diese Wolken die Infrarotstrahlung vom Erdboden sehr gut absorbieren, überwiegt hier der abkühlende Effekt.


Quelle: Wikipedia
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Die Klimaforscher Lee Kump und David Pollard von der Penn State University (http://www.psu.edu/) machen nun eine geringere Wolkenbildung für die Erwärmung während der Kreidezeit verantwortlich. Wie kam es dazu?

Die Wolken und die Meeresalgen
Wolken bilden sich, wenn durch Wasserverdunstung feuchte Luft aufsteigt und abkühlt und schließlich das Kondensationsniveau erreicht wird. Warme Luft kann wesentlich mehr Wasser aufnehmen als kalte Luft. Der Grund: In der kalten Luft bewegen sich die Luftteilchen deutlich langsamer und stoßen weniger heftig untereinander und mit den Wassermolekülen zusammen. Daher können die Wassermoleküle leichter über ihre gegenseitigen elektrischen Anziehungskräfte miteinander Verbindung bekommen und zusammenfinden, d.h. das Wasser kann in kalter Luft leichter kondensieren. Das Kondensationsniveau ist die Höhe in der die Luft gerade kalt genug ist, daß der in ihr enthaltene Wasserdampf auskondensieren kann. Es bilden sich dann unendlich viele, mikroskopisch kleine Wassertropfen und es entsteht eine Wolke. Dabei wird Kondensationswärme frei, auch latente Wärme genannt. Sie entspricht der Energie, die nötig war, um das Wasser zu verdunsten und die nun bei dem umgekehrten Vorgang natürlich wieder freigesetzt wird. Wasser verdunstet nur, wenn genügend Energie vorhanden ist, um die Moleküle des flüssigen Wassers, die sich elektrisch stark anziehen, voneinander zu trennen, damit sie sich dann in der umgebenden Luft verlieren. Die bei der Wolkenbildung freigesetzte Kondensationswärme (latente Wärme) gibt der aufsteigenden Luft neuen Auftrieb, denn solange diese wärmer ist als die Umgebungsluft, kann sie weiter aufsteigen. Dabei kondensiert der noch vorhandene Wasserdampf weiter aus. Die bei der Wolkenbildung freiwerdende latente Wärme fördert also ihrerseits die Wolkenbildung.

Die Wolkenbildung funktioniert aber nur dann richtig, wenn kleine Partikel als Kondensationskeime vorhanden sind, an denen sich die Wassermoleküle anlagern können, wodurch viele kleine Wassertröpfchen entstehen können. Je meht Kondensationskeime vorhanden sind, umso kleiner sind die Wassertröpchen und umso heller wird die Wolke. Bei den Kondensationskeimen handelt es sich um Staub- , Rußteilchen und um Sulfataerosole. Letztere stammen heutzutage oft aus industriellen Abgasen, werden aber auch von Pflanzen, vor allem Meeresalgen in beachtlichem Umfang erzeugt.

Meeresalgen wachsen am besten bei Wassertemperaturen von unter 10 ° C, obwohl ihre biologische Aktivität eigentlich bei 25-30 °C am größten ist. Bei so hohen Wassertemperaturen bildet sich im Meer aber eine stabile Schichtung aus, denn das warme, zwischen 30 und 100m tiefe Oberflächenwasser dehnt sich aus und wird dadurch "leichter" als das kühlere Wasser darunter. Eine Durchmischung des Oberflächenwassers mit tieferen nährstoffreichen Wasserschichten findet dann nicht mehr statt. Die Meeresalgen können aber nur im oberflächennahen Wasser leben, da es nur hier hell genug für die Photosynthese ist. Bei einer stabilen Schichtung des Meereswassers gehen in diesem Lebensraum aber wegen der fehlenden Durchmischung bald die Nährstoffe aus, und die Meeresalgen müssen verhungern. Die klaren und warmen tropischen Meere sind also arm an Leben, sie sind sozusagen "nasse Wüsten". Nur in Küstennähe, etwa in der Nähe von Flußmündungen, wo Nährstoffe eingetragen werden, sieht es anders aus. Bei einer Wassertemperatur von unter 10 ° C ist eine ausreichende Durchmischung oberer und unterer Wasserschichten aber kein Problem, die Meeresalgen bekommen ausreichend Nährstoffe und gedeihen prächtig. Genau deshalb ist das Wasser in kalten Meeren so trübe.

Meeresalgen haben es schwer in ihrer salzhaltigen Umgebung, denn zuviel Salz ist ein Gift für sie. Schon ein Salzgehalt von 8% würde sie töten, und Meereswasser enthält bereits 6% ! Doch die Meeresalgen wissen sich zu helfen. Sie bilden DMSP (Dimethylsulfonpropionat), eine ionische Verbindung, dessen Molekül eine positive und eine negative Ladung enthält, die sich aber nach außen hin neutralisieren und so für die Algen nicht giftig ist. Die Meeresalgen halten ihren Salzgehalt niedrig, indem sie Salze durch DMSP ersetzen, welches den osmotischen Gradienten zwischen Meerwasser und Zellinnerem verringert. Sterben die Meeresalgen ab, so wird DMSP freigesetzt und durch Bakterien im Wasser abgebaut. Dabei entsteht das gasförmige DMS (Dimethylsulfid). DMS wird durch den Sauerstoff in der Luft zu Sulfaten oxidiert, die Wasser anziehen und dadurch wiederum als Kondensationskeime für die Wolkenbildung wirken. Diese zusätzlichen Wolken wirken abkühlend. Mit diesem Mechanismus können die Meeresalgen in begrenztem Ausmaß ihre Lebensbedingungen steuern. Steigen die Temperaturen des Oberflächenwassers, so vermehren sich die Meeresalgen entsprechend stärker. Da die Schichtung des Meereswassers bei ansteigenden Temperaturen stabiler wird, würden ihnen aber bald die Nährstoffe ausgehen. Mehr Meeresalgen setzen aber auch mehr Sulfataerosole frei und diese erleichtern ja die Wolkenbildung und sorgen außerdem auch noch für hellere Wolken. Dieses ist eine negative Rückkopplung, die für eine Abkühlung des Oberflächenwassers sorgt. Eine erleichterte Wolkenbildung begünstigt darüber hinaus auch die Entstehung von Tiefdruckwirbeln, wodurch die oberen und mittleren Wasserschichten durchmischt werden, was dann wiederum die Nährstoffzufuhr für die Meeresalgen verbessert.


Der Einfluss von Meeresalgen (Phytoplankton)auf die Wolkenbildung.
Quelle: http://www.icm.csic.es/bio/projects/basics/Project_objectives/Fig2.jpg
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Ein ähnlicher Mechanismus wie bei den Meeresalgen existiert auch bei Landpflanzen. So setzten Bäume flüchtige, teilweise ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die wohlriechenden Terpene frei. Diese chemischen Verbindungen verbreiten den angenehmen Duft des Waldes und reagieren bald mit dem Sauerstoff der Luft, um dann ebenfalls als Kondensationskeime für die Wolkenbildung zu wirken.

Die Kreidezeit II
In der Kreidezeit könnte nun folgendes passiert sein: Durch eine vermehrte Freisetzung der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) durch verstärkten Vulkanismus und die Ausdehnung von Sumpflandschaften wurde es zunächst etwas wärmer. Nach einiger Zeit waren auch die Wassertemperaturen in den Meeren derart angestiegen, daß sich eine stabile Schichtung des Meereswassers herausbildete und das Wachstum der Meeresalgen deutlich zurück ging. Das wiederum reduzierte die Anzahl der Kondensationskeime in der Luft und damit auch die Wolkenbildung. Die Wolkenbedeckung sank von 64 auf nur noch 55% ! Die Wolken wurden darüber hinaus auch dunkler, da weniger Kondensationskeime auch zu größeren Wolkentröpfchen führten. Weniger Sonnenlicht wurde durch Wolken reflektiert und die Erwärmung der Erde verstärkte sich. Eine positive Rückkopplung kam in Gang, welche die anfangs nur leichte Erwärmung durch die vermehrten Treibhausgase enorm verstärkte! Die oben beschriebene negative Rückkopplung durch vermehrtes Algenwachstum und dadurch verbesserte Wolkenbildung konnte hier nicht greifen, weil der alles auslösende Anstieg der Wassertemperaturen dafür einfach zu hoch war. Eine stabile Schichtung des Meereswassers war nicht zu verhindern und somit starben die Meeresalgen größtenteils ab. Das warmfeuchte Klima gefiel den Dinosauriern außerordentlich gut. Einige Arten waren aber auch an die kühleren polnahen Regionen angepasst.

Die Hitzewelle im Eozän
Derselbe Mechanismus wie in der Kreidezeit verursachte auch im Eozän vor 55 Millionen Jahren, als sich die Säugetiere enorm entwickelten, eine drastische Erwärmung. Für 200000 Jahre stieg die globale Durchschnittstemperatur auf über 24 ° C (!) Das Eis an den Polen schmolz dahin, und der Meeresspiegel stieg um ca. 70 m ! Einen Unterschied zur Kreidezeit gab es aber. Das Treibhausgas Methan wurde nicht so sehr aus Sümpfen, sondern vor allem aus Methanhydraten am Meeresgrund freigesetzt. Bei Methanhydraten handelt es sich um Wassereis in das gasförmiges Methan eingeschossen ist. Es entsteht in der Kälte und unter hohem Druck durch methanproduzierende Mikroben unter Luftabschluß. Methanhydrate sind auch nur bei hohen Drücken und/oder niedrigen Temperaturen stabil. Durch eine Erwärmung des Meerwassers wurde ein Teil der Methanhydratvorkommen am Meeresgrund instabil.


Foraminiferen ("Lochträger"), Amöben mit einer Kalkschale aus der man Rückschlüsse auf die bei der Kalkbildung herrschende Wassertemperatur ziehen kann: Im Kalk der Foraminiferen-Schalen ist Sauerstoff (O2) aus dem Meer enthalten. Sauerstoff tritt in verschiedenen Isotopen auf, die sich bei gleicher Protonenanzahl nur in der Anzahl ihrer Neutronen im Atomkern unterscheiden und daher chemisch gleich sind. In der Natur kommt Sauerstoff überwiegend als Isotop O16 vor; ein kleiner Anteil liegt aber als O18 vor, welches etwas schwerer ist. Wird dem Meer durch Verdunstung Wasser entzogen, dann geht zuerst der leichtere Isotop O16 verloren. Das schwerere Isotop O18 reichert sich dadurch im Meereswasser an und wird von den Foraminiferen vermehrt in ihre Kalkschalen eingebaut. Je höher die Wassertemperaturen sind, umso größer ist dieser Effekt! Quellen: http://www.klima-aktiv.com/ und http://nisters.tirolkultur.at/ Bilder durch Anklicken vergrößerbar!

Fazit
Der relativ plötzliche Temperaturanstieg im Eozän wird immer wieder mit der heutigen globalen Erwärmung verglichen. Der positive Rückkopplungsmechanismus über die Wolken, der im Eozän und in der Kreidezeit den globalen Temperaturanstieg so drastisch ausfallen ließ, könnte natürlich auch heute bei zunehmender Erwärmung des Oberflächenwassers der Ozeane in absehbarer Zeit greifen.

Die globale Erwärmung wird also nicht nur durch den Treibhauseffekt des durch Verbrennungsprozesse in die Atmosphäre entlassenen Kohlendioxids und die davon ausgelöste Wasserdampfverstärkung angetrieben, sondern ganz besonders auch ausgehend von einem zurückgehendem Pflanzenwachstum durch eine verringerte Wolkenbildung und immer dunkler werdende Wolken !

Jens Christian Heuer

Quellen:
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/320/5873/195
http://news.nationalgeographic.com/news/2008/04/080410-ancient-warming.html http://www.atmosphere.mpg.de/
Spektrum der Wissenschaft: Dossier Klimawandel und Dossier Treibhaus Erde
Wikipedia (Stichworte Gaia-Hypothese, CLAW-Hypothesis, Kreidezeit und Eozän)

1 Kommentar:

Hedda Heuer hat gesagt…

Ich finde es gut denkbar, dass Algen das Klima beeinflussen, denn ich erinnere mich, dass der Ozonschild durch das Leben entstanden ist und aufrecht erhalten wird.Die Methanproduktion der Rinder und anderer Tiere soll auch auf das Klima wirken.Wie wirkt das Artensterben auf das Weltklima?

 
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