Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum

Klimawandel während der letzten 65 Millionen Jahre. Das Ausmaß des PETM wird durch die grobe Auflösung und Mittelung der Klimaproxis wahrscheinlich um einen Faktor 2 bis 3 unterschätzt

Das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM) vor etwa 55 Millionen Jahren war eine kurze Periode einer globalumfassenden starken Klimaerwärmung, die in einem Warmklima erfolgte und mit einem erhöhten Eintrag von Treibhausgasen verbunden war. Die Temperaturen stiegen während des PETM innerhalb von ca. 20.000 Jahren um 6° von etwa 18 °C im späten Paläozän bis auf über 23 °C. Die jährliche Anstiegsrate betrug während dieses Zeitraums im Mittel 0,0003°.

Das Ereignis ist mit einem ausgeprägten Konzentrationsabfall des stabilen Kohlenstoffisotops ¹³C verknüpft. Dies deutet darauf hin, dass am Beginn und/oder im Verlauf des PETM eine große Menge an ¹³C-abgereicherten Kohlenstoffs in Atmosphäre und/oder Hydrosphäre eingebracht wurde. Die Autoren einer im Jahr 2013 erschienenen Publikation fanden im Marlboro-Ton des Salisbury Embayment eine Sedimentfolge, dessen Δ18O-Signaturverlauf auf eine Freisetzung von 3.000 Gigatonnen Kohlenstoff in nur 13 Jahren schließen lässt. Einhergehende Umweltveränderungen sind für niedrige Breiten teilweise gut dokumentiert. Eine 2004 in der zentralen Arktis entnommene Sedimentprobe liefert Erkenntnisse über die veränderten Bedingungen in den hohen nördlichen Breiten.

Geowissenschaftler untersuchen das PETM, um ein besseres Verständnis darüber zu erlangen, welche Auswirkungen das vom Menschen aktuell eingebrachte Kohlendioxid über den Verlauf von Jahrtausenden wahrscheinlich haben wird.

Dauer der Erwärmungsphase

Über den Zeitraum der Erwärmung bis hin zur Erreichung des Temperaturmaximums gibt es in der Wissenschaft eine Reihe unterschiedlicher und zum Teil widersprüchlicher Angaben. Eine im Jahr 2013 erschienene Publikation beruft sich auf eine Sedimentfolge im Marlboro-Ton des Salisbury Embayments, deren Δ18O-Signaturverlauf auf eine Freisetzung von 3.000 Gigatonnen Kohlenstoff in nur 13 Jahren nahelegt. Hingegen veranschlagen die Autoren einer im März 2016 erschienenen Studie die Dauer der Erwärmungsphase auf etwa 4000 Jahre. Danach verlief bei einem jährlichen Kohlenstoffeintrag von 0,6 bis 1,1 Petagramm die Zunahme der atmosphärischen Treibhausgase parallel zur damit gekoppelten Erwärmung.

Temperaturbestimmung in der Arktis vor dem PETM

Eine 1970 auf einer driftenden arktischen Eisinsel durchgeführte oberflächliche Bohrung brachte aus der Oberen Kreidezeit stammendes Sediment vom Alpha-Rücken (unterseeische Erhöhung) hervor.

Mit Hilfe des nachgewiesenen Zusammenhangs zwischen der Zusammensetzung von Membranlipiden von marinen Crenarcheota und der jährlichen mittleren Ozeanoberflächentemperaturen (TEX₈₆-Methode) wurde die mittlere Oberflächentemperatur im Arktischen Ozean (bei etwa 80° N) auf 15±1 °C für das frühe Maastrichtium bestimmt. Zum Vergleich: Das heutige Jahresmittel der Oberflächenlufttemperatur bei 80° N beträgt etwa −15 °C.

Auf diese ohnehin warme Erde überlagerte sich ein Temperaturanstieg, das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM). Das PETM umfasst etwa 200.000 Jahre. Für niedrige und mittlere Breiten (φ<60°) sind ein Temperaturanstieg der Oberfläche und des Ozeantiefenwassers um etwa 4–8 °C sowie umfassende Veränderungen der terrestrischen und marinen Biosphäre gut dokumentiert.

Untersuchung einer Sedimentprobe der Arktis

Die Forschungsmission IODP 302 förderte 2004 eine Sedimentprobe vom Lomonossow-Rücken in der zentralen Arktis zutage. Dieser Rücken stellt ein Stück der kontinentalen Kruste dar, die sich während des Paläozäns vom Eurasischen Schelfrand abgespalten hat und nach dem Paläozän in heutige Tiefen abtauchte. Die Sedimente, die dem oberen Paläozän und dem unteren Eozän zuzuordnen sind, befinden sich etwa zwischen 406 und 263 m Sedimenttiefe unterhalb des Meeresbodens.

Vor dem PETM kam der subtropische Dinoflagellat Apectodinium nur in niedrigen Breiten vor. Das plötzliche Auftauchen dieser Art in etwa 387–378,5 m Tiefe der untersuchten Sedimentprobe zeugt von dem erheblichen Anstieg der Arktischen Ozeanoberflächentemperaturen. Der Vergleich von δ¹³C-Isotopenuntersuchungen in der Arktischen Sedimentprobe mit Messungen für das PETM in anderen Flachwassergebieten stützt die Annahme, dass dieses Intervall dem PETM zuzuordnen ist. Die Messungen mit der TEX₈₆-Methode ergeben, dass die Ozeanoberflächentemperaturen von etwa 18 °C im späten Paläozän bis auf über 23 °C während des PETM anstiegen und dann allmählich wieder bis auf 17 °C absanken. Verschiedene Messungen lassen darauf schließen, dass das hier untersuchte Gebiet küstennah lag und im späten Paläozän stark durch Flusseinträge beeinflusst wurde. Während des PETM verstärkt sich jedoch der Einfluss mariner Bedingungen. Dies wird auf eine Meeresspiegelerhöhung zurückgeführt. Die thermische Ausdehnung des Meerwassers um etwa 5 m auf Grund der Erhöhung der Tiefenwassertemperaturen um 5–8 °C kann eine Ursache hierfür sein.

Klimamodelle, die das frühe Paläozän mit einem atmosphärischen CO₂-Gehalt von 2000 ppm simulieren, unterschätzen die Arktischen Ozeanoberflächentemperaturen im Sommer um mindestens 15 °C für das PETM. Der Äquator-Pol-Temperaturgradient wird von den Modellen erheblich überschätzt. Die hohen polaren Temperaturen und der geringere Äquator-Pol-Gradient können nicht nur durch höhere Treibhausgaskonzentrationen erklärt werden. Zudem zeigen Modellsimulationen, dass höhere atmosphärische Wärmetransporte als Ursache unwahrscheinlich sind. Deswegen geht man davon aus, dass bisher nicht in den Modellen betrachtete physikalische Prozesse in Verbindung mit einer hohen Treibhausgaskonzentration dafür verantwortlich sind. Zu einer Erwärmung der hohen Breiten und einer tropischen Abkühlung könnten die Zunahme polarer Stratosphärenbewölkung bzw. die verstärkte Ozeanvermischung durch Hurrikane beigetragen haben.

Weitere Erkenntnisse über die Bedingungen in der Arktis während des PETM geben Untersuchungen über den Wasserkreislauf. Dazu wurden Wasserstoffisotop-Messungen (Δ18O) von n-Alkanen durchgeführt. Beim Transport von Luftpaketen aus dem tropischen und subtropischen Ozean in höhere Luftschichten und zu den Polen hin findet Abkühlung und Kondensation statt. Dies bewirkt eine Absenkung des Deuterium-Anteils. Die Ergebnisse der δD-Messungen in der Sedimentprobe ergeben, dass der Niederschlag in der Arktis im Vergleich zu heutigen Verhältnissen einen erheblich höheren D-Anteil hatte. Die wahrscheinlichste Ursache dafür ist ein verringerter meridionaler und/oder vertikaler Temperaturgradient, der zu einem reduzierten Ausregnen von subtropischem Wasserdampf beim Transport in hohe Breiten führt. Erhöhter Niederschlag in Arktischen Regionen bewirkt eine Abnahme des Salzgehaltes. Für die angenommene erhöhte Wasserzufuhr während des PETM spricht daher auch die Beobachtung, dass in dieser Epoche der Anteil an Dinozysten von Lebewesen, die einen niedrigen Salzgehalt tolerieren, zugenommen hat, sowie ein hoher saisonaler Flusseintrag.

Relevanz heute

Der im Verlauf des PETM erfolgte starke Anstieg der atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentration kann nur zwischen 1 und 3,5 Kelvin des beobachteten Temperaturanstiegs erklären. Nach einer 2009 in Nature veröffentlichten Studie ist von weiteren, bislang unbekannten Ursachen oder verstärkenden Rückkopplungen auszugehen. Die Autoren weisen darauf hin, dass die möglichen Auswirkungen dieser Faktoren auch heute bei der Beurteilung künftiger Klimawandel berücksichtigt werden sollten.

Zusammenfassung

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Arktis während des PETM u. a. durch sehr hohe Oberflächentemperaturen, einen erniedrigten Temperaturgradienten zwischen Äquator und Polen, hohe Treibhausgaskonzentrationen, einen erhöhten Meeresspiegel, eine Zunahme der Wasserzufuhr in sehr hohe Breiten und einen geringeren Salzgehalt charakterisiert wird. Über die Ursachen für diese Entwicklung können dabei zum Teil nur Vermutungen angestellt werden, so dass weitere Forschung auf diesem Gebiet nötig ist, auch um die heutige Klimaentwicklung besser verstehen und einordnen zu können.

Siehe auch

• Abrupter Klimawechsel
• Eocene Thermal Maximum 2
• Jüngere Dryaszeit

Quellen

• Hugh C. Jenkyns, Astrid Forster, Stefan Schouten, Jaap S. Sinninghe Damsté: High temperatures in the Late Cretaceous Arctic Ocean. In: Nature. Band 432, Nr. 7019, 2004, S. 888–892, doi:10.1038/nature03143 (PDF). 
• Kathryn Moran et al.: The Cenozoic palaeoenvironment of the Arctic Ocean. In: Nature. Band 441, Nr. 7093, 2006, S. 601–605, doi:10.1038/nature04800. 
• Appy Sluijs et al.: Subtropical Arctic Ocean temperatures during the Palaeocene/Eocene thermal maximum. In: Nature. Band 441, Nr. 7093, 2006, S. 610–613, doi:10.1038/nature04668. 
• Mark Pagani et al.: Arctic hydrology during global warming at the Palaeocene/Eocene thermal maximum. In: Nature. Band 442, Nr. 7103, 2006, S. 671–675, doi:10.1038/nature05043. 

Weblinks

• World Without Ice, Artikel in National Geographic Magazine, Oktober 2011
• Big discovery for biogenic magnetite, Peter C. Lippert, 13 November, 2008