Neues Klimamodell enthüllt die Auslöser abrupter Klimaveränderungen der letzten 20 000 Jahre

Vor 20 000 Jahren war die Erdoberfläche etwa vier bis sieben Grad kälter als heute. Massive Eisschilde bedeckten Grönland, die Antarktis, Nordamerika und Nordwest-Eurasien. Da Eisschilde riesige Wassermengen speichern, lag der Meeresspiegel etwa 80–100 Meter niedriger als in der Gegenwart. Der Übergang von dieser Situation zum heutigen Klima – ausgelöst durch Veränderungen in der Erdumlaufbahn und durch einen Anstieg der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen – verlief keineswegs gleichmäßig, wie Daten aus Eisbohrkernen, Sedimenten und verschiedenen anderen Quellen belegen. Dies lässt sich zum Teil durch das komplexe Zusammenspiel zwischen verschiedenen Komponenten des Klimasystems erklären. Den Klimaübergang unter umfassender Berücksichtigung dieses Zusammenspiels zu simulieren, war jedoch bislang eine ungelöste Herausforderung für moderne Klimamodelle.

Mit einem neuartigen umfassenden Modell, in dem Atmosphäre, Ozean, Vegetation, Eisschilde und feste Erde dynamisch gekoppelt sind, ist einem Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-M) erstmals eine Reihe von Simulationen der Klimaveränderungen von der letzten Eiszeit bis in die Gegenwart mit einem solch komplexen Modell gelungen. Das Modell, welches im Rahmen des PalMod-Projekts (www.palmod.de) entwickelt wurde, berücksichtigt insbesondere dynamische Veränderungen in der Form und horizontalen Ausdehnung von Eisschilden, Veränderungen der Küstenlinie aufgrund von Schwankungen des Meeresspiegels, Veränderungen von Flussverläufen sowie das Entstehen und die Verteilung von Eisbergen. „Wir haben acht transiente Modellsimulationen durchgeführt, welche die wichtigsten Merkmale der letzten Eiszeit realistisch erfassen. Dieses Ensemble gibt uns die Möglichkeit, die Ursachen abrupter Klimaereignisse zu untersuchen“, sagt Uwe Mikolajewicz, Gruppenleiter am MPI-M und Erstautor der kürzlich veröffentlichten Studie.

Die Modellsimulationen zeigen mehrere Abkühlungsereignisse, bei denen die Temperaturen über dem Nordatlantik und in angrenzenden Regionen rapide sanken. Zwischen 20 000 und 13 000 Jahren vor heute traten mehrere dieser Abkühlungsereignisse auf, weil die Eispanzer auf der Nordhalbkugel instabil wurden: Den Simulationen zufolge lösten sich riesige Eisberg-Armadas vom nordamerikanischen Eisschild und gelangten ins Labradormeer. Diese Eisberge drifteten über den Nordatlantik, wobei sie langsam schmolzen. Das Schmelzwasser reduzierte den Salzgehalt und die Dichte des Oberflächenwassers und verhinderte die Bildung von Tiefenwasser, wodurch sich die Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (AMOC) – eine Meeresströmung, die Wärme von niedrigeren in höhere Breitengrade transportiert – abschwächte.

Zwischen 13 000 Jahren vor heute und der Gegenwart, als der Eisschild über Nordamerika bereits viel kleiner war, haben die Forschenden noch weitere Mechanismen identifiziert, die Abkühlungsereignisse auslösen können. „Eine abrupte Abschwächung der AMOC kann auch erfolgen, wenn Flüsse andere Wege nehmen“, so Mikolajewicz. Wo genau Schmelzwasser ins Meer gelangt, kann einen großen Unterschied machen, da es zu einer verminderten Tiefenwasserbildung und damit zu einer Schwächung der AMOC führen kann. Darüber hinaus kann die Öffnung von Ozeanpassagen wie der Beringstraße oder der Hudsonstraße abrupte AMOC-Signale auslösen und dadurch das nordatlantische Klima verändern.

Die Studie zeigt, dass gekoppelte Klima-Eisschild-Simulationen eine Möglichkeit bieten, die Mechanismen hinter den abrupten Klimaveränderungen der letzten Eiszeit zu untersuchen, und dass es wichtig ist, die gesamte Bandbreite der Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre, dem Ozean, dem Land und den Eisschilden einzubeziehen. Dies wird das physikalische Verständnis der Mechanismen hinter abrupten Klimaveränderungen verbessern – nicht nur in der fernen Vergangenheit, sondern auch in der Zukunft.