Erdumlaufbahn und Treibhausgas-Konzentrationen beeinflussen afrikanische Feuchtperioden

Forscher des Max-Planck-Instituts für Meteorologie haben in einer neuen Studie untersucht, was in der Vergangenheit dazu geführt hat, dass afrikanische Feuchtperioden unterschiedlich lang und stark ausfielen. Sie fanden heraus, dass Änderungen der Erdumlaufbahn der wichtigste Faktor sind und dass es einen entscheidenden Schwellenwert gibt, der den Beginn einer „grünen Sahara“ beeinflusst. Dieser Schwellenwert für den Beginn einer afrikanischen Feuchtperiode variiert zudem mit der Treibhausgas-Konzentration in der Atmosphäre: Bei einer höheren Treibhausgas-Konzentration liegt der Schwellenwert deutlich tiefer. Eine Feuchtperiode setzt dann also schon bei kleineren Änderungen der Erdbahn ein. Daher gehen die Autoren davon aus, dass das Auftreten einer neuen afrikanischen Feuchtperiode in den kommenden Jahrtausenden entscheidend von zukünftigen Treibhausgas-Konzentrationen abhängt.

Ennedi Massiv mit Akazien im Tschad, Credit: Stefan Kröpelin

Klimaarchive zeigen, dass sich in den letzten Millionen Jahren in ganz Nordafrika trockene und feuchte Umweltbedingungen abwechselten. Die trockenen Phasen ähnelten wahrscheinlich den heutigen hyper-trockenen Landschaften, während die feuchten Phasen, die als afrikanische Feuchtperioden bekannt sind, mit stärkerer Seenbildung und Ausbreitung von Vegetation in der heutigen Sahara einhergingen, einem Ergrünen der Sahara. Die Feuchtperioden mit einer grünen Sahara traten etwa alle 20.000 Jahre auf, außer zu Zeiten starker Eiszeiten, während der die Sahara noch ausgedehnter war als heute. Geologische Daten aus dem Mittelmeer zeigen, dass sich die letzten fünf afrikanischen Feuchtperioden in Stärke, Dauer und Dynamik unterschieden. Um die Ursachen für diese Unterschiede zu verstehen, führten die Autoren der Studie, Mateo Duque Villegas, Martin Claussen, Victor Brovkin und Thomas Kleinen, Simulationen der letzten 190.000 Jahre durch. Hierfür nutzten sie ein Erdsystemmodell mittlerer Komplexität: CLIMBER-2.

Mit der Hilfe der Simulationen konnten sie den Einfluss von Schwankungen der Erdumlaufbahn, von unterschiedlichen Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre und variierender Eisschilde auf den Grad der „Sahara-Begrünung“ beziffern. Die Forscher stellten fest, dass die Änderung der Erdbahn der dominierende Faktor für das Ergrünen der Sahara ist, sobald ein gewisser Schwellenwert an Sonneneinstrahlung, der damit einhergeht, überschritten wird.

Dieser vom Modell berechnete Schwellenwert stimmt mit Schätzungen aus der zeitlichen Abfolge von Sapropelschichten, d. h. Schichten sauerstoffarmer Sedimente, die sich am Boden des Mittelmeers ablagern, überein. Dies wurde bisher in noch keiner Modellstudie gefunden. Die Autoren fanden außerdem heraus, dass die maximalen Änderungsraten der simulierten Vegetationsausdehnung zu Beginn und am Ende einer Feuchtperiode stark mit der Änderungsrate der Erdbahn korrelieren. Das Einsetzen der modellierten Feuchtperiode erfolgt in der Regel schneller als das Abklingen, was auch in einigen geologischen Daten zu erkennen ist. Die Analyse zeigt auch, dass der Einfluss von Änderungen der Treibhausgase und der Eisschilde für die Vegetationsdynamik von untergeordneter Bedeutung zu sein scheint – im Gegensatz zu den Temperaturschwankungen in der Sahara, für die die Treibhausgase und Eisschilde fast ebenso wichtig sind wie die Änderung der Erdbahn.

 

Abbildung 1: Korrelation des “monsoon forcing index” (berechnet aus der sich mit der Erdbahn ändernden Sonneneinstrahlung in den Tropen) mit der simulierten Ausbreitung der Vegetation während des Maximums des „monsoon forcing index“ (Simulation E0, schwarze Punkte und Regressionsgerade). In einer zweiten Simulation (E1, rote Punkte und Regressionsgerade) wurden während der gesamten Simulation über die letzten 190.000 Jahre die Treibhauskonzentrationen in der Atmosphäre auf einem konstant hohen vorindustriellen Wert gehalten.


Mit Hilfe der Analyse konnten die Autoren feststellen, dass der Schwellenwert für das Ergrünen der Sahara – der mit der Änderung der solaren Einstrahlung durch die variierende Erdbahn zusammenhängt – mit zunehmender Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre sinkt (Abb. 1). Diese Erkenntnis ist sehr interessant, wenn man die Zukunft der Sahara in einem durch steigende Treibhausgaskonzentrationen verursachten wärmeren Klima erkunden möchte. Denn in den nächsten 100.000 Jahren werden die Änderungen der Erdbahn wesentlich geringer sein als in den letzten 190.000 Jahren, sodass der oben erwähnte Schwellenwert für das Ergrünen der Sahara erst in etwa 60.000 Jahren überschritten wird, wenn die Treibhausgaskonzentrationen auf vorindustriellem Niveau bleiben. Szenariensimulationen mit deutlich höheren Treibhausgaskonzentrationen als heute, welche die Autoren als Fortsetzung der Paläoklimasimulationen durchführten, zeigen, dass der Schwellenwert erheblich sinkt. Das bedeutet, dass die Sahara schon in diesem Jahrhundert wieder grüner werden könnte.

Originalveröffentlichung (in Climate of the Past, Highlight Paper)
Duque-Villegas, M., Claussen, M., Brovkin, V. & Kleinen, T. (2022). Effects of orbital forcing, greenhouse gases and ice sheets on Saharan greening in past and future multi-millennia. Climate of the Past. 18, 1897–1914. doi:10.5194/cp-2022-26

Kontakt:

Mateo Duque Villegas
Max-Planck-Institut für Meteorologie, International Max Planck Research School on Earth System Modelling
E-Mail: mateo.duque@we dont want spammpimet.mpg.de

Prof. Martin Claußen
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: martin.claussen@we dont want spammpimet.mpg.de