Was bestimmt die langzeitliche Klimavariabilität in Simulationen des Übergangs von der letzten Eis- in die heutige Warmzeit?

Der Übergang von der letzten Eiszeit (ca. 21.000 Jahre vor heute) in die heutige Warmzeit ging mit einer signifikanten Erwärmung, dem Abschmelzen großer Landeismassen und einer Reihe von abrupten Klimaänderungen einher. Anhand eines ersten systematischen Ensembles von Hindcast-Simulationen mit dem Erdsystemmodell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-ESM) haben Marie Kapsch, Uwe Mikolajewicz, Clemens Schannwell (Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Meteorologie) und Florian Ziemen (jetzt am Deutschen Klimarechenzentrum) gezeigt, dass das MPI-ESM in der Lage ist, sowohl die Erwärmung als auch die abrupten Klimaänderungen des Übergangs von der letzten Eis- in die heutige Warmzeit zu simulieren. Allerdings hängt die genaue Abfolge der abrupten Klimaänderungen wesentlich von der Konfiguration der Eisschilde ab, die in den Modellläufen vorgeschrieben wird, sowie von der Methode zur Verteilung des Schmelzwassers, das durch abschmelzende Landeismassen entsteht. 

Abbildung: Zeitlicher Verlauf von MPI-ESM-Simulationen mit unterschiedlichen Eisschildrandbedingungen und Methoden der Schmelzwasserverteilung. (a) Schmelzwassereintrag in den Ozean, (b) Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (AMOC) in 1.000 m Tiefe und 26°N geographischer Breite, (c) Nordatlantische Meeresoberflächentemperatur für Simulationen mit GLAC-1D (schwarz) und ICE-6G (rot) Eisschildrekonstruktionen sowie für Simulationen mit ICE-6G Eisschilden, aber einer global homogenen Verteilung von Schmelzwasser (blau) und ohne die Berücksichtigung von Schmelzwasser (grün). Graue Schattierungen markieren die ungefähren Zeitpunkte der Bølling-Allerød-Warmzeit (links) und der Jüngeren Dryas-Kaltzeit (rechts) gemäß Proxy-Daten (Abbildung modifiziert aus Kapsch et al., 2022).

Originalveröffentlichung:

Kapsch, M.-L., Mikolajewicz, U., Ziemen, F., und Schannwell, C. (2022) Ocean response in transient simulations of the last deglaciation dominated by underlying ice-sheet reconstruction and method of meltwater distribution. Geophysical Research Letters, 49. https://doi.org/10.1029/2021GL096767

Quelle: Max Planck Institut für Meteorologie

Zusammenhang zwischen abrupten Ozeanzirkulationsänderungen und dem Ende der Eiszeit

Die großen Eisschilde über Nordamerika und Skandinavien zerfielen vor etwa 10.000-20.000 Jahren. Die Ursachen für den Übergang zwischen eiszeitlichen und warmen Bedingungen werden in langsamen Veränderungen der Umlaufbahn der Erde und ihrer Ausrichtung zur Sonne gesehen, die sich in tausenden von Jahren vollziehen. Die damit einhergehenden klimatischen Veränderungen werden durch abrupte Veränderungen der globalen Ozeanzirkulation begleitet, die vergleichsweise schnell -das heisst in Jahrzehnten bis Jahrhunderten- ablaufen. Es wird angenommen, dass diese abrupten Veränderungen den allmählicheren externen Einfluss verstärken, indem sie den Austausch von Wärme und Kohlendioxid zwischen dem Ozean und der Atmosphäre verändern. Es war bisher ein Rätsel, warum diese Verbindung zwischen allmählichen Orbitalveränderungen und abrupten Änderungen der Ozeanzirkulation nicht schon vorher zu einem Zerfall der Eisschilde geführt haben. Anders gesagt: Warum hat der Zerfall gerade in der Zeit ab 20.000 Jahren stattgefunden, nicht aber zu anderen Zeitpunkten, welche ganz ähnliche Voraussetzungen erfüllten? Was ist das Besondere an einer Änderung der Ozeanzirkulation, die dann zum Ende einer Eiszeit führt - im Gegensatz zu früheren Zirkulationsänderungen, welche die Eiszeit aber nicht beenden?

Eine neue Studie unter der Leitung von Gregor Knorr vom Alfred Wegener Institut und einem internationalen Team bietet hierfür eine Erklärung an. Mit Hilfe von Klimasimulationen können die Autoren zeigen, dass der Grundzustand, insbesondere die Schichtung im Ozean zum Höhepunkt der Eiszeit ganz anders war als heute. Dadurch konnten darauffolgende Änderungen der Meeresströmungen am Ende der letzten Eiszeit zu einer stärkeren Erwärmungsrate in der Antarktis führten. Die Autoren argumentieren, dass dies zu einer verstärkten globalen Erwärmung und einem Anstieg von Treibhausgasen führte, und damit den Zerfall der Eisschilde beschleunigte. „Verschiebungen in der Ozeanzirkulation am Ende der letzten Eiszeit stellen insofern etwas Besonderes dar, weil sie tiefere Wassermassen anzapfen, die im Durchschnitt weniger kalt (im Vergleich zu mittleren Tiefen) und salziger als zu jedem anderen Zeitpunkt während eines Eiszeitzyklus sind“ betont Gregor Knorr, der Hauptautor der Studie.

Stephen Barker, Co-Autor von der Schule für Erd- und Umweltwissenschaften an der Universität Cardiff, UK kommentiert: "Dies liefert eine Erklärung dafür, warum es z.B. vor etwa 40.000 Jahren trotz ähnlicher Bedingungen nicht zu einem Ende der Eiszeit kam.“ Die Entschlüsselung der kritischen Ozeanprozesse in einer sich erwärmenden Erde ist für das Auffinden von Kippunkten im Klimasystem ganz entscheidend, ergänzt Gerrit Lohmann, Mitautor der Studie.

Abbildung: Differenz zwischen glazialen und interglazialen Temperatur-Anomalien die als Reaktion auf eine Abschwächung der atlantischen Umwälzzirkulation im Ozean auftreten. Gezeigt werden hier Bedingungen zwischen den Modelljahren 100 und 200 als Mittel über 100 Jahre, zonal gemittelt über den atlantischen Sektor (angepasste Version der Abbildung 5 des Artikels von Knorr et al., 2021). 

Original Publikation: Knorr, G., Barker, S., Zhang, X., Lohmann, G., Gong, G., Gierz, P., Stepanek, C., L. B. Stap: A salty deep ocean as a prerequisite for glacial termination. Nature Geoscience 14, 930–936 (2021). https://doi.org/10.1038/s41561-021-00857-3 

Abrupte Veränderungen in der Vergangenheit liefern Hinweise auf kaskadenartig reagierende Kipppunkte und "Frühwarnsignale" im Erdsystem

Kann der Klimawandel zu abrupten Änderungen in Teilen des Erdsystems führen, welche Auswirkungen hätten diese Ereignisse auf die Gesellschaft, und lassen sie sich vorhersagen? In dem in Nature Geoscience veröffentlichten Artikel hat ein internationales Team von Natur- und Sozialwissenschaftler*innen abrupte Veränderungen in der Vergangenheit der Erde untersucht, um mögliche künftige Änderungen besser abschätzen zu können. Sie nutzten gut dokumentierte abrupte Veränderungen der letzten 30.000 Jahre der Erdgeschichte, um zu veranschaulichen, wie sich abrupte Veränderungen durch die physikalischen, ökologischen und gesellschaftlichen Komponenten des Erdsystems fortpflanzen.

Prof. Victor Brovkin vom Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) und Leitautor der Studie, sagt: "Für den Menschen ist es entscheidend, abschätzen zu können, was möglicherweise passiert; wir müssen wissen, welche Überraschungen vor uns liegen. Es klingt vielleicht überraschend, aber um in die Zukunft zu blicken, müssen wir in die Vergangenheit schauen. Die Chance, abrupte Veränderungen und Kipppunkte zu erkennen - wenn kleine Veränderungen zu großen Auswirkungen führen - hängt von der Fülle der Daten ab und davon, wie weit wir in die Vergangenheit schauen können. Deshalb ist die Analyse von abrupten Veränderungen und deren kaskadenartigen Folgen, die aus geologischen Archiven herausgelesen werden können, von enormer Bedeutung."

Eine Möglichkeit, eine bevorstehende abrupte Veränderung in zeitlichen oder räumlichen Mustern zu entschlüsseln, ist eine neuartige, leistungsfähige Methode, die der sogenannten Frühwarnsignale. Dr. Sebastian Bathiany, Co-Autor vom Helmholtz-Zentrum Hereon, erklärt: "Es gibt nützliche statistische Indikatoren, die als Vorboten von abrupten Veränderungen interpretiert werden können. Dazu gehören die sogenannte Verlangsamung von zeitlichen Fluktuationen vor abrupten Veränderungen, z.B. in der ozeanischen Zirkulation, oder die erhöhte räumliche Varianz beispielsweise der Vegetationsbedeckung vor dem Ende der Afrikanischen Feuchteperiode. Gleichzeitig muss man vorsichtig sein, da einige abrupte Veränderungen, wie die Überflutung des Schwarzen Meeres vor etwa 9.500 Jahren, mit solchen Methoden nicht erkannt werden können". 

Für die Studie war es wichtig, den konzeptionellen Rahmen einschließlich der Terminologie für die Analyse festzulegen. Prof. Martin Claussen, Co-Autor vom MPI-M, kommentiert: "Wie abrupt ist abrupt? Es gibt viele Definitionen von „Abruptheit“, die immer im Kontext mit der Fragestellung zu sehen sind. Die Änderungen in den meisten Aufzeichnungen, die in unserer Studie ausgewertet wurden, sind etwa zehnmal schneller als die Änderungen der relevanten Antriebe".

Eine Karte ausgewählter atmosphärischer, ozeanografischer, ökosystemischer und gesellschaftlicher Aufzeichnungen mit abrupten Veränderungen oder Kipppunkten in den letzten 20.000 Jahren, die im Artikel diskutiert werden (Abb. 3 aus Brovkin et al., 2021).

Abrupte Veränderungen im Erdsystem sind nicht auf einen bestimmten Bereich beschränkt, sondern können kaskadenartig durch Raum und Zeit wirken. Dr. Jonathan Donges, ein Co-Autor vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), kommentiert: "Eis-Ozean-Wechselwirkungen, zum Beispiel während des Beginns der Bølling-Allerød-Erwärmung in der Mitte des Übergangs von der letzten Eiszeit zur aktuellen holozänen Warmzeit, führten zu kaskadenartigen Änderungen wie zum Beispiel zum Sauerstoffmangel in der Tiefsee, zu Änderungen in der Vegetationsbedeckung auf dem Land und schließlich in der CO₂- und CH₄-Konzentration in der Atmosphäre. Diese Veränderungen könnten auch miteinander interagieren und sich gegenseitig verstärken und sich auf verschiedenen räumlichen Skalen ausbreiten, so dass sie vermutlich auch die menschlichen Jäger-Sammler-Gesellschaften zu dieser Zeit zu beeinflusst haben“.

Prof. Michael Barton, Arizona State University, USA, merkt an: "Wir sind zunehmend besorgt über das Potenzial für abrupte Veränderungen durch menschliche Einflüsse in den kommenden Jahrzehnten. Ebenso wichtig sind jedoch gesellschaftliche Dynamiken, die scheinbar widerstandsfähige menschliche Systeme anfällig für abrupte wirtschaftliche oder politische Veränderungen durch ansonsten überschaubare Umweltschwankungen machen und sogar zu deren Zusammenbruch führen können. Die Untersuchung vergangener sozio-ökologischer Kipppunkte kann uns wichtige Erkenntnisse liefern, die wir für die den Umgang mit möglichen zukünftigen Kipppunkte benötigen."

"Die jüngste Vergangenheit der Erde zeigt uns, wie abrupte Veränderungen im Erdsystem kaskadenartige Auswirkungen auf Ökosysteme und menschliche Gesellschaften auslösten, während sie um Anpassung kämpften", sagte Prof. Tim Lenton, Direktor des Global Systems Institute an der Universität Exeter, UK. "Wir stehen jetzt wieder vor dem Risiko kaskadenartiger Kipppunkte - aber dieses Mal haben wir sie selbst verursacht, und die Auswirkungen werden global sein. Angesichts dieses Risikos könnten wir einige Frühwarnsignale gebrauchen: Beispiele aus der Vergangenheit zeigen, dass sich verschiedene klimatische, ökologische oder soziale Systeme immer langsamer von Störungen erholen, bevor sie einen Kipppunkt erreichen – und wo sie sich überhaupt nicht mehr erholen."

Diese Veröffentlichung ist ein Ergebnis des Workshops "Abrupt changes, thresholds, and tipping points in Earth history and future implications", der im November 2018 in Hamburg stattfand. Der Workshop wurde offiziell von den Projekten Analysis, Integration and Modeling of the Earth System (AIMES) und Past Global Changes (PAGES) von Future Earth unterstützt.

Originalveröffentlichung:

Brovkin, V., Brook, E., Williams J.W., Bathiany, S., Lenton, T.M., Barton, M., DeConto, R.M., Donges, J.F., et al. (2021) Past abrupt changes, tipping points and cascading impacts in the Earth system, Nature Geoscience, doi: 10.1038/s41561-021-00790-5

Source: Max Planck Institute for Meteorology

Erholung der atlantischen Meridionalzirkulation in CMIP Zukunftsszenarien

Die Autoren diskutieren Ergebnisse der CMIP-Zukunftsszenarien RCP4.5 und RCP8.5, die sie mit dem AWI-ESM wiederholen. Das AWI-ESM ist ein Modell, das auf AWI-CM basiert (Rankow et al., 2018, Sidorenko et al., 2015), das um ein interaktives Vegetationsmodell und ein interaktives Eismodell für die nördliche Hemisphäre erweitert wurde. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Auswirkungen des Süßwassereintrags durch Schmelzwasser in den Nordatlantik auf den Atlantische Meridionale Zirkulation (AMOC).

Die Ergebnisse zeigen, dass AMOC in beiden Experimenten, das heißt mit und ohne interaktiven Eismodell für beide Zukunftsszenarien langsamer wird, sich jedoch gegen Ende des 21. Jahrhunderts (RCP4.5) und zu Beginn des 22. Jahrhundert (RCP8.5) zu erholen beginnt.

Dennoch hat ein Eismodell eine Auswirkung auf die Modellergebnisse, denn das interaktive Eismodell erhöht die dekadische Variabilität indem sie dem Süßwassereintrag Akkumulationseffekte auf der Eisoberfläche hinzufügt und so die Nettoabflussraten vom Eis verringert.  

Die Autoren argumentieren, dass Experimente in denen die grönländischen Schmelzprozesse durch einfaches Einbringen des Süßwassers an Ozeanpunkten parametrisiert werden, kritisch zu bewertet sind: hier fehlt insbesondere der Ausgleichseffekt durch die interaktive Eisdecke. Zudem wird diskutiert, dass die eine verstärkte Nettoverdunstung   über dem Atlantik den Salzgehalts erhöht und so als Haupttreiber für die Erholung des AMOC fungieren könnte.

Abb.:Zeitserien aus 11-Jahresmitteln und räumliche Veränderung der grönländischen Eisschilde in den gekoppelten Simulationen; Schattierte Bereiche entsprechen der 1 Standardabweichung. (a) Gesamtvolumen der Eisdecke, ausgedrückt als umgerechnet in den Meeresspiegelanstieg, (b) Oberflächenabfluss aus dem Eisschildmodell, (c) Eisdickenzunahme, (d) Abfluss, (e) Änderung des Gesamtvolumens der Eisdecke, (f) Oberflächenabfluss aus Atmosphärenmodell. Für CTRL werden nur die letzten 100 Jahre berücksichtigt. (g und h) Anomalie der Dicke der Eisdicke für die Jahre 2170 - 2199 der Experimente RCP4.5-Eis bzw. RCP8.5-Eis, (i und j) die Oberflächenmassenbilanz der Eisdicke für die Jahre 2170 - 2199 der Experimente RCP4.5-Eis und RCP8.5-Eis.

Ackermann, L. , Danek, C. , Gierz, P. and Lohmann, G. (2020) AMOC Recovery in a Multicentennial Scenario Using a Coupled Atmosphere‐Ocean‐Ice Sheet Model. Geophysical Research Letters, 47 (16). e2019GL086810. DOI 10.1029/2019GL086810.

Natürliche Methanemissionen - vom Glazial bis heute

In ihrem Artikel in Climate oft the Past konnten Kleinen, Mikolajewicz und Brovkin (Max-Planck-Institut für Meteorologie) zeigen, dass die Änderungen der Methankonzentration zwischen dem letzten glazialen Maximum (LGM, vor etwa 20000 Jahren) und dem vorindustriellen späten Holozän (PI) vor ca. 300 Jahren vollständig durch Veränderungen der natürlichen Methanemissionen, die durch Umweltveränderungen verursacht wurden, erklärt werden können.

Natürliche Nettoemissionen von Methan im heutigen Klima. Credit: Thomas Kleinen

Kleinen, Thomas , Mikolajewicz, Uwe und Brovkin, Victor (2020) Terrestrial methane emissions from the Last Glacial Maximum to the preindustrial period. Climate of the Past, 16 (2). pp. 575-595. DOI 10.5194/cp-16-575-2020.

Quelle: Max-Planck-Institut für Meteorologie

Aktuelle Highlights: PalMod Publikationen

Zwei Wege, auf denen Heinrich-Ereignisse das Eiszeit-Klima beeinflussten

Ein Team von Wissenschaftlern um Dr. Florian Ziemen am Max-Planck-Institut für Meteorologie hat festgestellt, dass Heinrich Ereignisse, Klimaschwankungen in der Eiszeit, durch die Abfolge von zwei Mechanismen verursacht wurden. Das Kalben von Eisbergen, das die Ozeanzirkulation beeinflusste, und Höhenverluste des Laurentischen Eisschildes, die die Atmosphärenzirkulation beeinflussten. Durch die Verwendung einer neuartigen Modellkonfiguration waren sie in der Lage, das Zusammenspiel der Effekte zu untersuchen. So konnten sie erstmals die Abfolge der beiden Effekte in einer Simulation beobachten.

Citation: Ziemen, F., Kapsch, M.-L., Klockmann, M., & Mikolajewicz, U. (2019). Heinrich events show two-stage climate response in transient glacial simulations. Climate of the Past, 15, 153-168

Küstenerosion in der Arktis verstärkt die globale Erwärmung   [September 2018]  Der Verlust arktischer Permafrostböden durch die Erosion der Küste könnte künftig zu einer Verstärkung des Treibhauseffekts führen. Das zeigen Untersuchungen von Sedimentproben aus dem ochotskischen Meer an der Ostküste Russlands, die AWI-Wissenschaftler analysiert haben. Ein Verlust von Permafrostböden in dieser Region führte zum Ende der letzten Eiszeit gleich mehrfach zu einer plötzlichen Zunahme der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre. zur Pressemitteilung (AWI) Citation: Winterfeld, M. et al., Deglacial mobilization of pre-aged terrestrial carbon from degrading permafrost. Nat. Commun. 9, 3666 doi: 10.1038/s41467-018-06080-w (2018).

Sea level fall during glaciation stabilized atmospheric CO2 by enhanced volcanic degassing   [Juli 2017] Während der letzten 800.000 Jahre zeigten antarktische Temperaturen und atmosphärischer Kohlendioxidgehalt eine im Wesentlichen gleichgerichtete Entwicklung. Doch der Übergang in die letzte Eiszeit verlief anders: Vor ca. 80.000 Jahren sanken die Temperaturen, der Kohlendioxidgehalt aber blieb stabil. Ein internationales Forscherteam unter gemeinsamer Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel und des Alfred-Wegener-Instituts Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung hat nun mit Hilfe von Modellrechnungen herausgefunden, dass ein Zusammenspiel aus abfallendem Meeresspiegel und zunehmender Vulkanaktivität zu der Anomalie geführt haben könnte. Die Ergebnisse erscheinen heute in der internationalen Fachzeitschrift Nature Communications. Citation: Hasenclever, J. et al. Sea level fall during glaciation stabilized atmospheric CO2 by enhanced volcanic degassing. Nat. Commun. 8, 15867 doi: 10.1038/ncomms15867 (2017).

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