5. Warum hinkt die Co2-Konzentration der Temperatur hinterher?

Während der Erdgeschichte hat sich das Klima erheblich geändert, von Eiszeiten bis hin zu warmen Perioden, in denen es selbst an den Polen kein Eis gegeben hat. Diese Klimaschwankungen hatten mehrere Auslöser, wie beispielsweise eine Veränderung der Sonnenaktivität, Milanković-Zyklen, vulkanische Aktivität und Änderungen der atmosphärischen Zusammensetzung. Mit Daten aus Eisbohrkernen, konnten Wissenschaftler die atmosphärischen Daten der letzten 400.000 Jahren rekonstruieren. Die Daten dieser Bohrkerne umfasst die jährliche atmosphärische Zusammensetzung über den Zeitraum der letzten 400.000 Jahre mit den jeweilig unterschiedlichen Konzentrationen der einzelnen Gase. Anhand der Daten konnte eine Korrelation zwischen den CO2– und Temperaturwerten hergestellt werden (siehe Abbildung unten). Allerdings gingen einem Temperaturanstieg keine höheren CO2-Werte voran, sondern das Gegenteil war der Fall. Die CO2-Werte hinkten der Temperaturkurve um 200 bis 1000 Jahre hinterher. Daher hat es zunächst den Anschein, dass die Temperatur die treibende Kraft hinter der höheren CO2-Konzentration ist, was der heutigen Ansicht, dass CO2 die treibende Kraft hinter der Erderwärmung ist, widerspricht.


Abbildung 3: Kohlenstoffdioxid- und Temperaturdaten der Vostok Eisbohrkerne. Abbildung übernommen von skepticalscience.com.
 

Die Studie zeigt, dass die Anfangsphase der steigenden Temperaturen nach der letzten Eiszeit durch die Milanković-Zyklen ausgelöst wird. Dies initiierte eine Reaktionskette, welche die Erwärmung der Ozeane zur Folge hatte, welche wiederum CO2 freisetzten. Mit dem stärker werdenden Treibhauseffekt stiegen die Temperaturen und die Freisetzung von CO2 aus den Ozeanen nahm zu. Die Zeitverzögerung zwischen dem CO2 und der Temperatur wird durch die zeitliche Verzögerung zwischen der Erwärmung der Ozeane und der konstanten Freisetzung von ozeanischem CO2 verursacht. Durch diesen ansteigenden Effekt, wurde CO2 zu der Hauptantriebskraft der Temperaturveränderungen während den glazial-interglazialen Erwärmungen. Die steigende CO2-Konzentration wurde zur Ursache und Treiber des weiteren Temperaturanstiegs. Der positive Rückkopplungseffekt ist notwendig um den Wechsel zwischen glazialen und interglazialen Perioden auszulösen, da die astronomischen Veränderungen alleine zu schwach sind um solch eine Erderwärmung zu verursachen.

Zusammenfassung

Die Hauptaussage von Shakun et. al. (2012) ist, dass CO2 der Erderwärmung vorausgeht, und nicht folgt. Das tatsächliche Zusammenspiel zwischen Temperatur und CO2 ist komplexer als in dieser Studie beschrieben. Die herangezogenen Daten für diese Studie basieren auf den Werten der atmosphärischen CO2-Konzentration, die in den antarktischen Eisbohrkernen gemessen wurden, sowie weltweit entnommene Sedimentkerne, welche Aufzeichnungen bis zum letzten Übergang einer Glazialperiode zu einer Interglazialperiode vor 18.000 Jahren aufweisen. Von diesen Klimaproxys wurden Daten zu den Wasseroberflächentemperaturen und den Bodenlufttemperaturen gesammelt.

Anhand eines Vergleiches zwischen dem CO2-Anstieg und den Temperaturwerten lässt sich ableiten, ob die CO2-Konzentration dem Temperaturanstieg in unterschiedlichen geographischen Gebieten vorangegangen oder nachgezogen ist. Das Ergebnis zeigte, dass CO2 den Temperaturveränderungen sowohl voranging als auch folgte. Die südliche Hemisphäre weist Temperaturerhöhungen vor CO2-Konzentrationserhöhungen auf, während auf der Nordhalbkugel das Gegenteil der Fall ist (siehe Abbildung unten). Dieses Ergebnis kann durch mehrere Faktoren erklärt werden.

Abbildung 4: Verhältnis von CO2 Konzentration und Temperatur. (Abbildungen übernommen von Shakun et al. 2012). a) Die globalen Proxy Temperaturdaten (blau) als Abweichung von den mittleren Werten des frühen Holozäns (11,5 – 6,5 ka), Temperaturwerte eines atlantischer Eisbohrkerns (rot) und die atmosphärische CO2-Konzentrationen (gelbe Punkte). Das Holozän, jüngere Dryas (YD), Bølling-Allerød (B-A), ältere Dryas (OD) und das letzte Eiszeit Maximum (LGM) (Intervalle sind angegeben). Fehlerbalken, 1-sigma; ppmv. = parts per million pro Volumen. b) Die Synchronisierung der CO2-Konzentration und Temperatur für die globalen (grau), nördliche Hemisphäre (NH: blau) und südlichen Hemisphäre (SH: rot) Proxydaten, basierend auf Verzögerungskorrelationen vor 20.000 bis 10.000 Jahren in 1.000 Monte Carlo Simulationen. Der Mittelwert und die Standardabweichung des Histogramms sind gegeben. In 90% der Fälle geht die CO2-Konzentraion und in 6% der Fälle tritt sie zeitverzöert auf.

Die anfängliche Erwärmung, welche durch die Milanković-Zyklen ausgelöst wurde, ist in den höchsten Breitengraden sichtbar und begann ungefähr vor 19.000 Jahren. Durch die arktischen Erwärmungen schmolzen große Mengen an Eis, wodurch ein großes Volumen an Süßwasser in die Meere gelang. Dieser Zufluss von Süßwasser störte die sogenannte „Atlantic meridional overturning circulation“ (AMOC), was wiederum zu einem Schwanken der Wärme zwischen nördlicher und südlicher Hemisphäre führte. Die AMOC ist ein zonar eingebundener Bestandteil der Oberflächen- und Tiefenströme im Atlantischen Ozean. Es ist durch einen nordwärts gerichteten Oberflächenstrom von warmem, salzhaltigem Wasser und einem Richtung Süden fließenden, kalten Tiefenstrom gekennzeichnet. Beide Strömungen sind Teil der Thermohalinen Zirkulation. Diese Hypothese der Bipolaren Wippe beschreibt, zusammen mit den Dansgaard-Oeschger Klimazyklen und Heinrich-Ereignissen, die Gegenphasen der grönländischen und antarktischen Temperaturveränderung während der letzten Eiszeit. Plötzliche Veränderungen in der Thermohalinen Zirkulation beeinflussen das Klima an beiden Polen durch einen veränderten Süd-Nord Wärmetransport. Mit einem Süßwasserzufluss im Nordatlantik wird die thermohaline Zirkulation (AMOC) gestoppt, wodurch sich die nördliche Hemisphäre abkühlt, während sich die südliche Hemisphäre und die Tropen aufheizen, wie vor 18.000 Jahren. Sobald sich die Tiefenströmung wieder in Bewegung setzt, wird der meridionale Wärmetransport fortgesetzt und die nördliche Halbkugel erwärmt sich, während die Südhalbkugel abkühlt.

Durch die Erwärmung der südlichen Meere vor 18.000 Jahren, wurde die Löslichkeit von CO2 in Wasser reduziert. Infolgedessen stieg die atmosphärische CO2-Konzentration vor 17.500 Jahren, was aufgrund des Treibhauseffektes für eine globale Erderwärmung sorgte. Die Verzögerung von 500 Jahren ist die Erklärung für die verzögerte CO2-Erhöhung in den Eisbohrkernen. Mit einer zunehmenden CO2-Konzentration, die durch die wärmer werdenden Ozeane herbeigeführt wird, verstärkt sich auch der Treibhauseffekt. Daher ist CO2 der Treiber hinter weiteren Temperaturveränderungen.

Quellen

https://skepticalscience.com/co2-lags-temperature.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Atlantic_meridional_overturning_circulation

https://www.geomar.de/en/research/fb1/fb1-p-oz/research-topics/low-to-high-latitude-climate-linkages/bipolar-seesaw/

Knutti, R., Flückiger, J., Stocker, T.F. and Timmermann, A., 2004. Strong hemispheric coupling of glacial climate through freshwater discharge and ocean circulation. Nature, 430, 851-856. 

 Shakun, Jeremy D.; Clark, Peter U.; He, Feng; Marcott, Shaun A.; Mix, Alan C.; Liu, Zhengyu et al. (2012): Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation. In Nature 484 (7392), pp. 49–54. DOI: 10.1038/nature10915.

Muryshev, K. E.; Eliseev, A. V.; Denisov, S. N.; Mokhov, I. I.; Arzhanov, M. M.; Timazhev, A. V. (2019): Time lag between changes in global temperature and atmospheric CO2 content under anthropogenic emissions of CO2 and CH4 into the atmosphere. In IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 231, p. 12039. DOI: 10.1088/1755-1315/231/1/012039.

Pedro, Joel B.; Jochum, Markus; Buizert, Christo; He, Feng; Barker, Stephen; Rasmussen, Sune O. (2018): Beyond the bipolar seesaw: Toward a process understanding of interhemispheric coupling. In Quaternary Science Reviews 192, pp. 27–46. DOI: 10.1016/j.quascirev.2018.05.005.

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