Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum

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

Das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM) vor etwa 55 Millionen Jahren war eine nach geologischen Maßstäben sehr kurze, aber extreme Erwärmungsphase von etwa 200.000 Jahren Dauer. Der globale Temperaturanstieg erfolgte auf der Basis eines bereits vorhandenen Warmklimas und war mit einem stark erhöhten Eintrag von atmosphärischen Treibhausgasen verbunden. Die Temperaturen stiegen während des PETM innerhalb von wahrscheinlich 4.000 Jahren um 6° (nach anderen Studien kurzzeitig um bis zu 8°) von etwa 18 °C im späten Paläozän auf über 23 °C am Beginn des Eozäns.

Die Wärmeanomalie an der Paläozon-Eozän-Grenze ist mit einem ausgeprägten Konzentrationsabfall des stabilen Kohlenstoffisotops 13C verknüpft. Dies deutet darauf hin, dass am Beginn des PETM eine große Menge an 13C-abgereicherten Kohlenstoffs in Atmosphäre und Hydrosphäre eingebracht wurde. Inzwischen liefern verschiedene Sedimentproben und Isotopenuntersuchungen aussagekräftige Erkenntnisse über die veränderten Bedingungen sowohl in tropischen als auch in hohen nördlichen Breiten.

In den Geowissenschaften und besonders in der Paläoklimatologie wird das PETM häufig unter dem Aspekt analysiert, welche Auswirkungen ein massiver, auf wenige Jahrtausende beschränkter Kohlenstoffeintrag in die Atmosphäre auf das Klimasystem zeitigt. Dabei werden oftmals Vergleichswerte zu den gegenwärtigen anthropogenen Kohlenstoffdioxid-Emissionen herangezogen.

Dauer der Erwärmungsphase[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Über den benötigten Zeitraum vom Beginn der Erwärmung bis hin zur Erreichung des Temperaturmaximums gibt es in der Wissenschaft eine Reihe unterschiedlicher und zum Teil widersprüchlicher Angaben. Während bis vor Kurzem eine „Anlaufzeit“ von rund 18.000 Jahren als realistischer Wert angesehen wurde, beruft sich eine im Jahr 2013 erschienene Publikation auf eine Sedimentfolge im Marlboro-Ton des Salisbury Embayments, die nach Isotopenmessungen eine Freisetzung von 3.000 Gigatonnen Kohlenstoff in nur 13 Jahren nahelegt.[1] Diese These fand in der wissenschaftlichen Literatur jedoch nur wenig Unterstützung. So veranschlagen die Autoren einer im März 2016 erschienenen Studie die Dauer der Erwärmungsphase aufgrund eines Abgleichs zwischen der Kohlenstoff-Signatur δ13C und der Sauerstoff-Signatur δ18O auf annähernd 4.000 Jahre.[2] Demnach verlief der jährliche Kohlenstoffeintrag in einer Größenordnung von 0,6 bis 1,1 Petagramm parallel zur damit gekoppelten Erwärmung. Da das thermisch relativ träge Klimasystem einschließlich der Ozeane ohne signifikante Verzögerung auf den Anstieg der atmosphärischen Treibhausgas-Konzentration reagierte, wird eine innerhalb weniger Jahre stattgefundene Kohlenstoff-Injektion ausgeschlossen. Die Gesamtdauer des PETM beträgt etwa 200.000 Jahre.

Nach dem Abflauen des PETM und einer längeren „Erholzeit“ (englisch Recovery phase) kam es 2 Millionen Jahre später mit dem Eocene Thermal Maximum 2 (ETM-2, 53,6 mya) zu einer weiteren starken Klimaerwärmung mit einer Dauer von ebenfalls rund 200.000 Jahren. Dieser schlossen sich vor 53,3 beziehungsweise 52,8 Millionen Jahren zwei kürzere und schwächer ausgeprägte Wärmeanomalien an.

Klimatische und biologische Folgen des PETM[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schalen benthischer (= am Meeresboden lebender) Foraminiferen aus Nordamerika

Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass die Ozeane während des PETM erhebliche Wärmemengen speicherten. Für subpolare Gewässer (westliche sibirische See) wurden 27 °C ermittelt,[3] und Sedimentbohrkerne aus der Küstenregion vor Tansania belegen ein Temperaturmaximum um 40 °C.[4] Dies bewirkte in Verbindung mit einem erheblichen Input von Kohlenstoffdioxid eine rasche Versauerung der oberflächennahen Meeresschichten und die Entstehung anoxischer Milieus mit gravierenden Folgen für die ozeanischen Biotope.[5]

Obwohl der klimatische Ausnahmezustand des PETM nach erdgeschichtlichem Maßstab nur von kurzer Dauer war, beeinflusste er nachhaltig die Biodiversität und Paläoökologie des gesamten Planeten. Die Ausdehnung der tropischen Klimazone bis in höhere Breiten führte zu weiträumigen Migrationsbewegungen von Flora und Fauna.[6] Schnelle morphologische Veränderungen und evolutionäre Anpassungen traten dabei nicht nur in terrestrischen Habitaten, sondern vielfach auch im Ozean auf. Hier kam es zu einem Massensterben der benthischen Foraminiferen mit einem Artenschwund zwischen 30 und 50 Prozent, der offenbar mit der Erwärmung der tieferen ozeanischen Schichten um etwa 4 bis 5 °C in Verbindung steht. Ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen, jedoch nicht vom Aussterben bedroht waren zudem in der Tiefsee angesiedelte Organismen (Seeigel, Muscheln, Schnecken) sowie nahezu alle Planktongruppen.

Der meridionale Temperaturgradient (das Temperaturgefälle vom Äquator zu den Polargebieten) fiel zur Zeit des PETM erheblich flacher aus als im übrigen Känozoikum. Bedingt durch die Nivellierung der Temperaturunterschiede waren Grönland und die Antarktis eisfrei, und in den Polargebieten herrschte ein warm-gemäßigtes Klima. Auf die sich rasch wandelnden Umweltbedingungen reagierten einige Familien und Gattungen der Säugetiere mit einer deutlichen Tendenz zur Kleinwüchsigkeit (englisch Dwarfing). Dies betraf sowohl räuberische Lebensformen wie die ausgestorbenen Creodonta und Oxyaenidae[7] als auch die frühen Vertreter der Pferdeartigen.[8] Als Grund hierfür gelten die mit dem extremen Warmklima einhergehenden Dürreperioden und der dadurch bedingte Mangel an ausreichender Nahrung mit entsprechender Rückwirkung auf Pflanzenfresser und indirekt auf Carnivoren. Eine Tendenz zur „Verzwergung“ erfasste auch viele marine Arten, wie zum Beispiel die Ostrakoden (Muschelkrebse). Diese Veränderungen stehen sehr wahrscheinlich in Zusammenhang mit der damaligen Erwärmung der Tiefseeregionen und einer damit verknüpften Störung der Remineralisierungsprozesse von organischem Kohlenstoff.[9]

Untersuchung einer Sedimentprobe der Arktis[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[10]

Zusammenfassung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • 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.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. James D. Wright, Morgan F. Schaller: Evidence for a rapid release of carbon at the Paleocene-Eocene thermal maximum. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 110, Nr. 40, Oktober 2013, S. 15908–15913, doi:10.1073/pnas.1309188110 (PDF).
  2. Richard E. Zeebe, Andy Ridgwell, James C. Zachos: Anthropogenic carbon release rate unprecedented during the past 66 million years. (html) In: Nature Geoscience. 9, Nr. 4, April 2016, S. 325–329. doi:10.1038/ngeo2681.
  3. Joost Frieling, Alina I. Iakovleva, Gert-Jan Reichart, Galina N. Aleksandrova, Zinaida N. Gnibidenko, Stefan Schouten, Appy Sluijs: Paleocene-Eocene warming and biotic response in the epicontinental West Siberian Sea. (PDF) In: geology. 42, Nr. 9, September 2014, S. 767–770. doi:10.1130/G35724.1.
  4. T. Aze, P. N. Pearson, A. J. Dickson, M. P. S. Badger, P. R. Bown, R. D. Pancost, S. J. Gibbs, B. T. Huber, M. J. Leng, A. L. Coe, A. S. Cohen, G. L. Foster: Extreme warming of tropical waters during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum. (PDF) In: geology. 42, Nr. 9, Juli 2014, S. 739-742. doi:10.1130/G35637.1.
  5. Donald E. Penman, Bärbel Hönisch, Richard E. Zeebe, Ellen Thomas, James C. Zachos: Rapid and sustained surface ocean acidification during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum. (PDF) In: Oceanography. 29, Nr. 5, Mai 2014, S. 357–369. doi:10.1002/2014PA002621.
  6. Francesca A. McInerney, Scott L. Wing: The Paleocene-Eocene Thermal Maximum: A Perturbation of Carbon Cycle, Climate, and Biosphere with Implications for the Future. (PDF) In: Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 39, Mai 2011, S. 489–516. doi:10.1146/annurev-earth-040610-133431.
  7. Stephen G. B. Chester, Jonathan I. Bloch, Ross Secord, Doug M. Boyer: A New Small-Bodied Species of Palaeonictis (Creodonta, Oxyaenidae) from the Paleocene-Eocene Thermal Maximum. (PDF) In: Journal of Mammalian Evolution. 17, Nr. 4, Dezember 2010, S. 227–243. doi:10.1007/s10914-010-9141-y.
  8. Ross Secord, Jonathan I. Bloch, Stephen G. B. Chester, Doug M. Boyer, Aaron R. Wood, Scott L. Wing, Mary J. Kraus, Francesca A. McInerney, John Krigbaum: Evolution of the Earliest Horses Driven by Climate Change in the Paleocene-Eocene Thermal Maximum. (html) In: Science. 335, Nr. 6071, Februar 2012, S. 959–962. doi:10.1126/science.1213859.
  9. Tatsuhiko Yamaguchi, Richard D. Norris, André Bornemann: Dwarfing of ostracodes during the Paleocene–Eocene Thermal Maximum at DSDP Site 401 (Bay of Biscay, North Atlantic) and its implication for changes in organic carbon cycle in deep-sea benthic ecosystem. (PDF) In: Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 346–347, Nr. 6384, August 2012, S. 130–144. doi:10.1016/j.palaeo.2012.06.004.
  10. Richard E. Zeebe, James C. Zachos, Gerald R. Dickens: Carbon dioxide forcing alone insufficient to explain Palaeocene–Eocene Thermal Maximum warming. (PDF) In: Nature Geoscience. 2, Nr. 8, Juli 2009, S. 576–580. doi:10.1038/ngeo578.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]