Wenn die meisten von uns über Eiszeiten nachdenken, stellen wir uns einen langsamen Übergang in ein kälteres Klima auf langen Zeitskalen vor. In der Tat deuten Studien der letzten Millionen Jahre auf einen wiederholbaren Zyklus des Erdklimas hin, der von warmen Perioden („interglazialen“, wie wir es jetzt erleben) zu Gletscherbedingungen führt.,
Die Periode dieser Verschiebungen hängt mit Veränderungen in der Neigung der Rotationsachse der Erde (41.000 Jahre), Veränderungen in der Ausrichtung der elliptischen Umlaufbahn der Erde um die Sonne, die als „Präzession der Tagundnachtgleiche“ (23.000 Jahre) bezeichnet wird, und mit Veränderungen in der Form (mehr rund oder weniger rund) der elliptischen Umlaufbahn (100.000 Jahre) zusammen. Die Theorie, dass Orbitalverschiebungen das Wachsen und Abnehmen der Eiszeiten verursachten, wurde erstmals von James Croll im 19.,
undefiniertdefinierte Eiszeitbedingungen treten im Allgemeinen auf, wenn sich alle oben genannten verschwören, um ein Minimum an Sommersonnenlicht in den arktischen Regionen der Erde zu erzeugen, obwohl der Eiszeitzyklus globaler Natur ist und in beiden Hemisphären phasenweise auftritt. Es beeinflusst zutiefst die Verteilung des Eises über Land und Ozean, atmosphärische Temperaturen und Zirkulation sowie Ozeantemperaturen und Zirkulation an der Oberfläche und in großer Tiefe.
Da das Ende der gegenwärtigen interglazialen und der langsame Marsch zur nächsten Eiszeit mehrere Jahrtausende entfernt sein kann, warum sollten wir uns darum kümmern?, Wird der Aufbau von Kohlendioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen zukünftige Veränderungen nicht verbessern?
In der Tat befürworten einige Gruppen die Vorteile der globalen Erwärmung, einschließlich der Greening Earth Society und der subtropischen Russland-Bewegung. Einige in der letzteren Gruppe befürworten sogar ein aktives Eingreifen, um den Prozess zu beschleunigen, und sehen darin eine Gelegenheit, einen Großteil des kalten, strengen Nordrusslands in ein subtropisches Paradies zu verwandeln.
Es gibt Hinweise darauf, dass die globale Erwärmung im letzten Jahrhundert begann und dass der Mensch teilweise verantwortlich sein könnte., Sowohl das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) und der US-Nationalen Akademie der Wissenschaften übereinstimmen. Computermodelle werden verwendet, um den Klimawandel unter verschiedenen Szenarien des Treibhauseffekts vorherzusagen, und das Kyoto-Protokoll befürwortet aktive Maßnahmen zur Reduzierung der CO2-Emissionen, die zur Erwärmung beitragen.
Das Denken konzentriert sich auf langsame Veränderungen unseres Klimas und wie sie den Menschen und die Bewohnbarkeit unseres Planeten beeinflussen werden., Dieses Denken ist jedoch fehlerhaft: Es ignoriert die gut etablierte Tatsache, dass sich das Klima der Erde in der Vergangenheit schnell verändert hat und sich in Zukunft schnell ändern könnte. Das Problem dreht sich um das Paradoxon, dass die globale Erwärmung eine neue kleine Eiszeit in der nördlichen Hemisphäre auslösen könnte.
Hinweise auf einen abrupten Klimawandel sind in Eiskernen aus Grönland und der Antarktis leicht zu erkennen. Man sieht deutliche Anzeichen für langfristige Veränderungen, die oben diskutiert wurden, mit CO2 – und anderen Temperaturänderungen, die mit der letzten Eiszeit und ihrem Übergang in unsere gegenwärtige interglaziale Wärmeperiode verbunden sind., Darüber hinaus gibt es jedoch eine starke chaotische Variation von Eigenschaften mit einer Quasiperiode von etwa 1500 Jahren. Wir sagen chaotisch, weil diese tausendjährigen Verschiebungen wie alles andere als regelmäßige Schwingungen aussehen. Vielmehr sehen sie aus wie schnelle, jahrzehntelange Übergänge zwischen kaltem und warmem Klima, gefolgt von langen Zwischenspielen in einem der beiden Staaten.
Das bekannteste Beispiel für diese Ereignisse ist die jüngere Trockenkühlung vor etwa 12.000 Jahren, benannt nach arktischen Wildblumenresten, die in nordeuropäischen Sedimenten identifiziert wurden., Dieses Ereignis begann und endete innerhalb eines Jahrzehnts und für seine 1000-jährige Dauer war der Nordatlantik etwa 5°C kälter.
Der Mangel an Periodizität und das gegenwärtige Versäumnis, einen stabilen Zwangsmechanismus À la Milankovitch zu isolieren, hat viele wissenschaftliche Debatten über die Ursache der jüngeren Dryas und anderer Ereignisse im tausendjährigen Maßstab ausgelöst. In der Tat traten die jüngeren Dryas zu einer Zeit auf, als der Orbitalantrieb das Klima weiterhin in den gegenwärtigen warmen Zustand hätte treiben sollen.,
Ein ganzer Band, der die Beweise für den abrupten Klimawandel überprüft und über seine Mechanismen spekuliert, wurde kürzlich von einer Expertengruppe im Auftrag der National Academy of Sciences in den USA veröffentlicht. Diese sehr lesbare Zusammenstellung enthält eine Breite und Tiefe der Diskussion, auf die wir hier nicht hoffen können. .
Derzeit gibt es in dem Bericht nur einen praktikablen Mechanismus, der eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der stabilen Zustände unseres Klimas und der Ursachen von Übergängen zwischen ihnen spielen kann: Es geht um die Dynamik der Ozeane.,
Um die überschüssige Erwärmung in Äquatornähe und Kühlung an den Polen der Erde auszugleichen, transportieren sowohl Atmosphäre als auch Ozean Wärme von niedrigen in hohe Breiten. Wärmeres Oberflächenwasser wird in hohen Breiten abgekühlt und gibt Wärme an die Atmosphäre ab, die dann in den Weltraum abgestrahlt wird. Diese Wärmekraftmaschine arbeitet, um Äquator-zu-Pol-Temperaturunterschiede zu reduzieren und ist ein erstklassiger Moderationsmechanismus für das Klima auf der Erde.,
Wärmere Ozeanoberflächentemperaturen in niedrigen Breiten setzen auch Wasserdampf durch einen Überschuss an Verdunstung über Niederschlag in die Atmosphäre frei, und dieser Wasserdampf wird zusammen mit einem Teil der überschüssigen Wärme in die Atmosphäre transportiert. In hohen Breiten, in denen die Atmosphäre abkühlt, fällt dieser Wasserdampf als Überschuss an Niederschlag über die Verdampfung aus. Dies ist Teil einer zweiten wichtigen Komponente unseres Klimasystems: des hydrologischen Kreislaufs. Wenn das Meerwasser auf ihrer Poleward-Reise abgekühlt wird, werden sie dichter., Wenn sie ausreichend abgekühlt sind, können sie zu kalten, dichten Strömungen sinken, die sich in großen Tiefen äquatorförmig ausbreiten, wodurch das Zirkulationssystem aufrechterhalten wird, das warme Oberflächenströme in Richtung Ozeane mit hoher Breite transportiert.
Der Zyklus wird durch ozeanisches Mischen abgeschlossen, das das kalte tiefe Wasser langsam in warmes Oberflächenwasser umwandelt. Daher sind Oberflächenkraft und inneres Mischen zwei Hauptakteure in dieser umkippenden Zirkulation, die als Great Ocean Conveyor bezeichnet wird.
Das Wasser, das sich nach Poleward bewegt, ist aufgrund der höheren Verdunstung in niedrigen Breiten relativ salzig, was den Oberflächensalzgehalt erhöht., In höheren Breiten werden Oberflächengewässer infolge der Dominanz des Niederschlags gegenüber der Verdunstung in hohen Breiten frischer.
Die Auffrischungstendenz macht das Oberflächenwasser lebhafter und steht somit der Abkühlungstendenz entgegen. Wenn die Auffrischung ausreichend groß ist, ist das Oberflächenwasser möglicherweise nicht dicht genug, um in große Tiefen im Ozean zu sinken, wodurch die Wirkung des Ozeanförderers verhindert und ein wichtiger Teil des Erdheizungssystems gestört wird.
Dieses Regelungssystem funktioniert nicht in allen Ozeanen gleich., Der asiatische Kontinent begrenzt die nördliche Ausdehnung des Indischen Ozeans auf die Tropen, und tiefes Wasser bildet sich derzeit nicht im Nordpazifik, weil Oberflächengewässer einfach zu frisch sind. Unser gegenwärtiges Klima fördert die kalte Tiefwasserbildung in der Antarktis und im nördlichen Nordatlantik. Die Förderzirkulation erhöht den Transport wärmerer Gewässer im Golfstrom in mittleren Breiten nach Norden um etwa 50% gegenüber dem, was allein der windgetriebene Transport bewirken würde.,
Unser begrenztes Wissen über das Ozeanklima auf langen Zeitskalen, das aus der Analyse von Sedimentkernen im Weltozean gewonnen wurde, hat den Nordatlantik im Allgemeinen als das instabilste Mitglied des Förderers in Mitleidenschaft gezogen: Während tausendjähriger Perioden von kaltes Klima, Nordatlantisches Tiefwasser (NADW) Bildung entweder gestoppt oder wurde ernsthaft reduziert. Und dies hat im Allgemeinen Perioden großen Süßwasserabflusses in den nördlichen Nordatlantik gefolgt, die durch schnelles Schmelzen von Gletschern oder mehrjährigem Eis im arktischen Becken verursacht wurden., Es wird angenommen, dass diese Süßwässer, die in die Regionen der Tiefwasserbildung transportiert wurden, den Förderer unterbrochen haben, indem sie den Kühleffekt in hoher Breite mit übermäßiger Auffrischung überwunden haben.
Der Ozeanförderer muss nicht vollständig anhalten, wenn die NADW-Formation eingeschränkt wird. Es kann sich in flacheren Tiefen im Nordatlantik fortsetzen und im Südlichen Ozean bestehen bleiben, wo die Grundwasserbildung der Antarktis anhält oder sogar beschleunigt wird., Eine Störung des nördlichen Gliedes der umkippenden Zirkulation wird jedoch den Wärmehaushalt der nördlichen Hemisphäre beeinflussen und könnte sowohl das ozeanische als auch das atmosphärische Klima beeinflussen. Modellrechnungen zeigen das Kühlungspotenzial von 3 bis 5 Grad Celsius im Ozean und in der Atmosphäre an, sollte es zu einer totalen Störung kommen. Dies ist ein Drittel bis die Hälfte der Temperaturänderung während der großen Eiszeiten.,
Diese Veränderungen sind doppelt so groß wie in den schlimmsten Wintern des vergangenen Jahrhunderts im Osten der USA und werden nach einem Klimawechsel wahrscheinlich Jahrzehnte bis Jahrhunderte andauern. Sie sind von einer Größenordnung vergleichbar mit der kleinen Eiszeit,die tiefgreifende Auswirkungen auf menschliche Siedlungen in Europa und Nordamerika im 16. bis 18. Ihre geografische Ausdehnung ist zweifelhaft; Es könnte auf Regionen begrenzt sein, die an den Nordatlantik grenzen., Temperaturänderungen in hohem Breitengrad im Ozean sind viel weniger in der Lage, die globale Atmosphäre zu beeinflussen als solche mit niedrigem Breitengrad, wie sie von El Niño erzeugt werden.
Ob der Weg zur Ausbreitung des Klimawandels atmosphärisch oder ozeanisch ist oder ob Veränderungen der ozeanischen und terrestrischen Kohlenstoffbindung Auswirkungen des Klimawandels globalisieren können, wie dies bei Gletschern/interglazialen Klimaveränderungen vermutet wird, sind offene Fragen. Wir nähern uns jedoch dem oben genannten Paradoxon: Die globale Erwärmung kann für viele von uns ein kälteres Klima auslösen.,
Betrachten Sie zunächst einige Beobachtungen des ozeanischen Wandels über die moderne instrumentelle Aufzeichnung, die 40 Jahre zurückreicht. Während dieses Zeitintervalls haben wir einen Anstieg der mittleren globalen Temperatur beobachtet. Aufgrund seiner großen Wärmekapazität hat der Ozean kleine, aber signifikante Temperaturänderungen registriert. Die größten Temperaturerhöhungen gibt es in den nahen Oberflächengewässern, aber die Erwärmung war bis zu 3000 Meter tief im Nordatlantik messbar., Überlagert von diesem langfristigen Anstieg sind interjährliche und dekadente Veränderungen, die diese Trends oft verdecken, was in einigen Regionen zu regionaler Variabilität und Abkühlung und in anderen zu Erwärmung führt.
Darüber hinaus zeigen jüngste Beweise, dass sich die Ozeane mit hoher Breite erfrischt haben, während die Subtropen und Tropen salziger geworden sind. Diese möglichen Veränderungen im hydrologischen Kreislauf waren nicht auf den Nordatlantik beschränkt, sondern wurden in allen großen Ozeanen beobachtet. Es ist jedoch der Nordatlantik, in dem diese Veränderungen den umkippenden Kreislauf stören und einen schnellen Klimawechsel verursachen können.,
Ein 3-4 Meter hoher Aufbau von Süßwasser in hoher Breite in diesem Zeitraum hat die Salzgehalte der Wassersäule im gesamten subpolaren Nordatlantik bis zu einer Tiefe von 2000 m verringert.Gleichzeitig haben subtropische und nördliche tropische Salzgehalte zugenommen.
Wichtig für den Klimawandel ist, inwieweit sich die beiden Effekte in Bezug auf Süßwasser ausgleichen. Wenn der Nettoeffekt eine Senkung des Salzgehalts ist, muss Süßwasser aus anderen Quellen hinzugefügt worden sein: Flussabfluss, Schmelzen von mehrjährigem arktischem Eis oder Gletscher., Eine Überschwemmung des Nordatlantiks mit frischem Wasser aus diesen verschiedenen Quellen hat das Potenzial, den umkippenden Kreislauf zu reduzieren oder sogar zu stören.
Ob letzteres passieren wird oder nicht, ist der Nexus des Problems und einer, der schwer mit Zuversicht vorherzusagen ist. Derzeit haben wir nicht einmal ein System zur Überwachung des umkippenden Umlaufs.
Modelle der Umkippzirkulation reagieren sehr empfindlich auf die Parametrierung des internen Mischens. Denken Sie daran, dass das interne Mischen von Wärme und Salz ein wesentlicher Bestandteil der umkippenden Zirkulation ist., Eine aktuelle Studie zeigt, dass es für ein Modell mit konstanter vertikaler Vermischung, das üblicherweise in gekoppelten Klimazonen zwischen Ozean und Atmosphäre verwendet wird, nur einen stabilen Klimazustand gibt: unseren gegenwärtigen mit erheblichem Sinken und dichter Wasserbildung im nördlichen Nordatlantik.
Mit einer etwas anderen Formulierung, die eher mit einigen neueren Messungen der ozeanischen Mischraten übereinstimmt, die oberflächennah klein sind und über raue Bodentopographie größer werden, entsteht ein zweiter stabiler Zustand mit wenig oder keiner Tiefwasserproduktion im nördlichen Nordatlantik., Die Existenz eines zweiten stabilen Zustands ist entscheidend, um zu verstehen, wann und ob ein abrupter Klimawandel eintritt. Wenn es in Modellläufen und in geologischen Daten auftritt, ist es ausnahmslos mit der schnellen Zugabe von Süßwasser in hohen nördlichen Breiten verbunden.
Und jetzt fangen Sie vielleicht an, den Umfang des Problems zu sehen. Neben der Einbeziehung einer terrestrischen Biosphäre und eines polaren Eises, die beide eine große Rolle bei der Reflektivität der Sonnenstrahlung spielen, muss das Mischen, das auf Zentimeter-bis Zehn-Zentimeter-Schuppen im Ozean auftritt, genau parametriert werden., Und man muss lange gekoppelte globale Klimaläufe von vielen Jahrhunderten produzieren! Dies ist eine gewaltige Aufgabe, ist aber notwendig, bevor wir uns zuversichtlich auf Modelle verlassen können, um den zukünftigen Klimawandel vorherzusagen.
Neben glaubwürdigen Modellen, die den Klimawandel genau vorhersagen können, benötigen wir auch Daten, die sie richtig initialisieren können. Fehler in den Anfangsdaten können in mehreren Tagen zu schlechten atmosphärischen Vorhersagen führen. Ein sicherer Weg zu besseren Wettervorhersagen sind also bessere Anfangsdaten.
Für den Ozean ist unsere Datenabdeckung völlig unzureichend., Wir können jetzt nicht mit Zuversicht sagen, wie die umkippende Zirkulation aussieht, und stehen vor der Aufgabe, vorherzusagen, wie sie in 10 Jahren aussehen könnte!
Derzeit laufen Bemühungen, dies zu beheben. Die globale Abdeckung von Messungen der oberen Meerestemperatur und des Salzgehalts mit autonomen Schwimmern liegt innerhalb des nächsten Jahrzehnts ebenso in unserer Reichweite wie Oberflächenmessungen der Windbelastung und der Ozeanzirkulation von Satelliten.,
Die Messung von Tiefenströmen ist schwieriger, aber es gibt Kenntnisse über die Standorte kritischer Alleen dichter Wasserströme, und es werden Anstrengungen unternommen, um sie an einigen Schlüsselorten mit festgemachten Arrays zu messen.
Unser Wissen über den Klimawandel der Vergangenheit ist ebenfalls begrenzt. Es gibt nur eine Handvoll hochauflösende Eiskernklimaaufzeichnungen der letzten 100,000 Jahre und noch weniger Ozeanaufzeichnungen mit vergleichbarer Auflösung., Eine bessere Definition vergangener Klimazustände ist nicht nur an und für sich erforderlich, sondern auch für Modellierer, um ihre besten Klimamodelle zu testen, um das zu reproduzieren, was in der Vergangenheit passiert ist, bevor sie Modellprojektionen über die Zukunft glauben. Wir sind noch nicht da, und es müssen Fortschritte sowohl bei besseren Daten als auch bei verbesserten Modellen erzielt werden, bevor wir beginnen können, einige kritische Fragen zum zukünftigen Klimawandel zu beantworten.
Forscher sagen Ihnen immer, dass mehr Forschungsmittel benötigt werden, und wir sind nicht anders. Unsere Hauptbotschaft ist jedoch nicht nur das., Es ist so, dass sich das globale Klima in eine Richtung bewegt, die einen abrupten Klimawandel wahrscheinlicher macht, dass diese Dynamik über die Fähigkeiten vieler der in IPCC-Berichten verwendeten Modelle hinausgeht und die Folgen des Ignorierens groß sein können. Für diejenigen von uns, die am Rande des Nordatlantiks leben, planen wir möglicherweise Klimaszenarien der globalen Erwärmung, die dem, was tatsächlich auftreten könnte, entgegengesetzt sind.