Die Erdoberfläche hat sich seit 1850 bereits um 1,2°C erwärmt, was erhebliche Auswirkungen hat. Zum Beispiel schmelzen die Eisschilde in Grönland und der Antarktis, was zum Anstieg des Meeresspiegels beiträgt. Extreme Wetterereignisse nehmen rapide zu. Fotos: Gab Abramowitz

Australiens Großrechner „Gadi“. „Gadi“ bedeutet „suchen“ in der Sprache der Ngunnawal-Menschen. Aktuelle Klimamodelle sind so komplex, dass sie lange Rechenzeiten auf Großrechnern benötigen. Gadi ist derzeit der leistungsstärkste Supercomputer in der südlichen Erdhalbkugel. Foto: NCI Australia

Veränderungen der atmosphärischen CO₂-Konzentration der letzten 500 Millionen Jahre. Die eingefügten Abbildungen zeigen das Paläozän-Eozän-Temperaturmaximum (PETM), die Deglaziation am Ende des letzten Glazials und das Holozän sowie mögliche zukünftige CO₂-Veränderungen. Quelle: Meissner et al., ERL, 2021

Seit der industriellen Revolution hat der Mensch das Klima grundlegend verändert. Heutzutage überschreiten die Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre alle Werte der jüngsten Erdgeschichte. Dieser Anstieg an Treibhausgasen führt zur globalen Erwärmung und zu einer Zunahme extremer Wetterereignisse, die uns immer mehr bewusst machen, wie verletzlich wir sind. Um uns auf die Auswirkungen und Gefahren des Klimawandels in der Zukunft vorzubereiten, verlassen wir uns auf Vorhersagen von Klimamodellen. Diese Modelle simulieren das heutige Klima und die heutige Klimavariabilität ziemlich gut, haben jedoch Schwächen, wenn die Rahmenbedingungen stark vom heutigen Klima abweichen. Das ist beunruhigend, da unser zukünftiges Klima stark vom jetzigen Klima abweichen wird. Glücklicherweise bietet die Erdgeschichte ein breites Spektrum an verschiedenen Klimata, an denen wir unser Verständnis des Klimasystems verbessern und gleichzeitig unsere Modelle testen können. Dabei wird deutlich, dass in den klassischen Klimamodellen, die derzeit zur Erstellung von Klimaprojektionen für das 21. Jahrhundert verwendet werden, noch einige wichtige Prozesse fehlen.

Variabilität im Quartär mit seinen Eiszeiten und Zwischeneiszeiten
Das Klima der Erde hat sich auch in Abwesenheit von menschlicher Aktivität geändert. Während der glazial-interglazialen Zyklen der letzten Million Jahre traten zum Beispiel drastische Erhöhungen von CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre und schnelle Erwärmungen innerhalb von Jahrzehnten und Jahrhunderten auf. Obwohl das Klima während dieser jüngsten Erdgeschichte kälter war als heute, können wir viel über die Dynamik und Rückkopplungseffekte zwischen den verschiedenen Komponenten des Klimasystems aus dieser Zeit lernen. Klimavariabilität während des Quartärs (die letzten 2,6 Millionen Jahre) ging einher mit Änderungen der atmosphärischen Zirkulation und der Meeresströmungen, sowie Änderungen des kontinentalen Eisvolumens und des Meeresspiegels. Außerdem führten Änderungen in der Biogeochemie der Ozeane und der Vegetation auf Kontinenten zu Änderungen im Kohlenstoffkreislauf und somit der Treibhausgaskonzentrationen. Diese Zeit der Erdgeschichte ist daher eine wichtige und ergiebige Testumgebung für unsere Klimamodelle. Ein Klimamodell, das in der Lage ist, diese frühere Variabilität erfolgreich nachzubilden, ist offensichtlich verlässlicher für die Erstellung von zukünftigen Klimaprojektionen als ein Modell, das dies nicht leisten kann.

Auf Zeitreise in eine heiße, treibhausgasreiche Vergangenheit
Bei den aktuellen Emissionsraten werden wir voraussichtlich in den nächsten zehn Jahren die Treibhausgaskonzentrationen des Pliozäns überschreiten und uns auf atmosphärische CO₂-Konzentrationen zubewegen, die es seit dem Mittleren Miozän-Klimaoptimum (vor 17 bis 14,7 Millionen Jahren) nicht mehr gegeben hat. Das Mittlere Miozän-Klimaoptimum war ein warmes Intervall mit ungefähr 7º C höheren globalen Durchschnittstemperaturen und wesentlich wärmeren Temperaturen in hohen Breitengraden. Atmosphärische CO₂-Konzentrationen betrugen zwischen 450-600 ppm. Falls aber die Menschheit auch in Zukunft weiterhin ungebremst Treibhausgase ausstößt und dem Schlimmstfall-Szenario des IPPC-Reports folgt, dann katapultieren wir den Planeten zurück in ein Klima, das es zuletzt während des frühen Eozäns (vor ungefähr 53 bis 51 Millionen Jahren) gab, mit CO₂-Konzentrationen im Bereich von 900-1900 ppm. Es gab also Zeiträume in der Klimageschichte, die uns Aufschlüsse geben können, wie unsere Zukunft ungefähr aussehen könnte, je nachdem, welchen Weg der Dekarbonisierung wir einschlagen werden. Allerdings werden die Proxies, mit denen wir diese Klimata rekonstruieren können, immer spärlicher und auch unpräziser, je weiter wir in die Vergangenheit zurückblicken. Auch hier kann die Zusammenarbeit zwischen Paläoklimatologen und Klimamodellierern helfen, uns ein dreidimensionales Bild zu verschaffen.

Ein weiteres Problem ist, dass der heutige Anstieg von CO₂-Konzentrationen so rasant voranschreitet, dass das Klimasystem gar keine Zeit hat sich an diese schnellen Änderungen im Energiehaushalt anzugleichen, es hinkt immer hinterher. Das liegt vor allem an der Trägheit des Ozeans und der Eisschilde, die hunderte bis tausende von Jahre brauchen, um unter anderen Rahmenbedingungen ein neues Gleichgewicht zu finden. Unser Zukunftsklima wird somit nicht im Gleichgewicht sein. Klimaepisoden der Vergangenheit mit hohen Treibhausgaskonzentrationen waren hingegen im Gleichgewicht. Den Unterschied kann man bereits bei heutigen CO₂-Konzentrationen erkennen. Zum Beispiel war es vor 3 Millionen Jahren wesentlich wärmer als heute und der Meeresspiegel war um mehrere Meter höher, obwohl die atmosphärischen CO₂-Konzentrationen vergleichbar waren. Ein direkter Vergleich zwischen Vergangenheit und Zukunft hinkt deswegen, obwohl diese Klimaepisoden uns natürlich einen Einblick auf das Gleichgewichtsklima geben können, das die Erde dann letztendlich erreichen wird.

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