Anthropozän

Eine neue Epoche der Klima- und Erdgeschichte

Der Begriff "Anthropozän" wurde 2002 von dem Nobelpreisträger für Chemie Paul Crutzen geprägt. Crutzen stellte in einem Artikel der Wissenschaftszeitschrift Nature dar, dass seit 200-300 Jahren der Mensch ganz entscheidend die natürliche Umwelt verändere, zunehmend nicht mehr nur lokal, sondern global. Als wichtigste Veränderung sieht Crutzen den Klimawandel durch die Erhöhung der atmosphärischen Konzentration von Treibhausgasen. Daneben erwähnt er das antarktische Ozonloch, die Nutzung von 30-50 % der globalen Landoberfläche durch den Menschen, die Ausbeutung der Meere durch die Fischerei, Landschaftsveränderungen durch Deichbauten, Flussumlenkungen u.a. Phänomene.

Im Februar 2008 haben Wissenschaftler der Londoner Geologischen Gesellschaft Crutzens Vorschlag aufgegriffen und weiter ausgearbeitet. Sie heben hervor, dass das Holozän die stabilste Klimaphase seit mindestens 400 000 Jahren war, mit Temperaturschwankungen innerhalb einer Amplitude von ca. 1 °C, und damit eine wesentliche Grundlage für die Entwicklung der menschlichen Zivilisation darstellte. Inzwischen aber habe der Anstieg der Treibhausgas Kohlendioxid und Methan ein Niveau erreicht, das schon in diesem Jahrhundert zu einem Temperaturanstieg vergleichbar mit dem Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum vor rund 50 Millionen Jahren führen könne. Der gegenwärtige CO₂-Gehalt sei ähnlich wie der im mittleren Pliozän, 4 Millionen Jahre vh., als allerdings der Meeresspiegel 10-20 m höher lag. Das Klima der Erde werde vielleicht zurückkehren in wärmere Phasen, wie sie zuletzt im Miozän oder Pliozän, vor mehr als drei Mio. Jahren, vorherrschten. Möglicherweise werde damit die Epoche des Quartärs zu Ende gehen. Die Autoren schlagen vor, das Anthropozän mit dem Jahr 1800 beginnen zu lassen.

Geologische Epochen werden traditionell nach den Merkmalen von Gesteinsschichten bestimmt (stratigraphische Methode). Inzwischen haben zahlreiche Untersuchungen gezeigt, dass auch das Anthropozän seine spezifischen stratigraphischen Merkmale aufweist. In Sedimentschichten finden sich zunehmend 'technische Fossilien' wie Aluminium, Betonreste, Plastikteilchen, Kohlenstoffverbindungen aus der Verbrennung fossiler Energieträger, Fallout aus Atombombenversuchen u.a. Zudem weist die Atmosphäre Kohlendioxid- und Methanmoleküle aus anthropogenen Aktivitäten auf und zeigt eine Erwärmung seit 1900 um 0,9 °C, was deutlich über den Schwankungen der letzten 14 000 Jahre liegt. Auch der Meeresspiegel steigt schneller als sonst im späten Holozän. Hinzu kommt, dass das Artensterben sich unter dem menschlichen Einfluss deutlich beschleunigt hat. Das Tempo der Veränderungen hat besonders seit Mitte des 20. Jahrhunderts zugenommen, weshalb vielfach hier der Beginn des Anthropozäns angesetzt wird.

Wann begann das Anthropozän?

Das "späte" Anthropozän

Noch ist von der Internationalen Kommission für Stratigraphie (International Commission on Stratigraphy), die für solche Fragen zuständig ist, nicht offiziell über die Aufnahme des Anthropozäns als eigene geologische Epoche entschieden. Und noch ist in der Wissenschaft die Diskussion darüber nicht beendet, wann der Beginn des Anthropozäns angesetzt werden soll. Hier stehen sich die Vertreter eines sehr späten (um 1950), eines späten (um 1800), eines mittleren (um 1600) und eines sehr frühen Beginns (vor rund 7000 Jahren) gegenüber. Erstere verweisen darauf, dass sich die Einwirkungen des Menschen auf seine Lebensumwelt erst seit der Mitte des 20. Jahrhunderts soweit beschleunigt und verstärkt haben, dass von einer gravierenden Veränderung der Erde gesprochen werden kann. Sie verweisen etwa auf den rasanten Anstieg der Weltbevölkerung und Verstädterung, auf den beschleunigten Anstieg der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre, auf die Versauerung des Ozeans, auf die hohe Belastung der Natur durch chemische Schadstoffe, auf das zunehmende Artensterben und auf die Freisetzung von Radionukliden durch Atombombenexplosionen. Es ist aus diesem Kreis sogar vorgeschlagen worden, den Tag der ersten Atombombenexplosion, den 16. Juli 1945, zum exakten Beginn des Anthropozäns zu deklarieren. Die Vertreter eines späten Beginns, zu denen auch der ‚Erfinder‘ des Begriffs Anthropozän, Paul Crutzen gehört, plädieren dagegen dafür, das Anthropozän mit der industriellen Revolution beginnen zu lassen, da zu dieser Zeit die Prozesse, die sich später immer mehr beschleunigten, deutlich eingesetzt hätten. Dabei wird auf das Wachstum der Bevölkerung auf der Erde verwiesen, auf den zunehmenden Energieverbrauch vor allem aus fossilen Rohstoffen sowie auf den Anstieg der CO₂-Emissionen.

Abb. 1: Vorkoloniale Landnutzung, Epidemien um 1600 und die Folgen

Das "mittlere" Anthropozän

Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern schlägt vor, die 'Epoche des Menschen' mit der Neuzeit beginnen zu lassen, genauer mit der Entdeckung Amerikas durch Kolumbus im Jahre 1492. Durch das Aufeinandertreffen der alten mit der neuen Welt habe es weltweite Auswirkungen gegeben. Der europäischen Invasion auf dem amerikanischen Doppelkontinent sind in wenigen Jahrzehnten bis zu 90% der etwa 50 Millionen Ureinwohner zum Opfer gefallen, vor allem durch eingeschleppte Seuchen, aber auch durch Zwangsarbeit, Kriege, Zwangsumsiedlungen und Hunger. Die vorhandene, relativ weit entwickelte Agrarwirtschaft brach aus Mangel an Arbeitskräften zusammen. Auf den brach liegenden Feldern siedelte sich natürliche Vegetation an, die erhebliche Mengen an Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnahm, was im 16. Jahrhundert eine Absenkung der globalen CO₂-Konzentration um 7-10 ppm zur Folge hatte und die kälteste Phase der Kleinen Eiszeit einleitete. Hinzu kam ein globaler Austausch von Anbaupflanzen und Nutztieren. Kartoffeln, Mais, Tomaten und andere Anbaufrüchte gelangten durch Transporte über den Ozean von der neuen in die alte Welt, Pferde, Rinder, Zuckerrohr, Bananen etc. von der alten in die neue. Die Welt wurde zum ersten Mal in der Menschheitsgeschichte global.

Das "frühe" Anthropozän

Abb. 2: Die beobachtete Entwicklung der Kohlendioxid- und Methan-Konzentration in den letzten 10 000 Jahren sowie der wahrscheinliche natürliche Trend ohne anthropogene CO₂- und CH₄-Emissionen. Außerdem ist die Abnahme der Sonneneinstrahlung gezeigt.

Die Vertreter der sogenannten „frühen Anthropozän Hypothese“ sind im Kontext des Klimawandels insofern von besonderem Interessen, als nach ihren Untersuchungen wir längst am Beginn einer neuen Eiszeit stehen würden, wenn der Mensch nicht schon vor einigen tausend Jahren in das Klimasystem eingegriffen hätte. Als Begründer dieser These gilt der amerikanische Forscher W.F. Ruddiman. Nach ihm hat der Einfluss des Menschen auf die Zusammensetzung der Atmosphäre weit vor dem Industriezeitalter begonnen. Die Methankonzentration zeigte bereits ab 5000 v.h. einen menschlichen Einfluss, die CO₂-Konzentration sogar seit 8000 Jahren v.h.

Abb. 3: Karte der Ursprungszentren der Landwirtschaft (Jahre v.h.) und ihrer Ausbreitung.

Die natürliche Methankonzentration ist nach Ruddiman eng mit dem 23 000-Jahre-Zyklus der Präzession gekoppelt, weil dieser den tropischen Monsun beeinflusst. Bei höherer Einstrahlung im Sommer werden die Landmassen stärker erwärmt und es kommt dadurch vor allem in den Tropen zu stärkeren Monsun-Niederschlägen. Feuchtgebiete werden überflutet, und es kommt zur verstärkten anaeroben Zersetzung von biologischem Material und infolgedessen zu höheren Methanemissionen. Das CH₄-Maximum im frühen Holozän lag bei ungefähr 11 000 bis 10 500 Jahre v.h. Danach nahm die Solarstrahlung bis zur Gegenwart stetig ab, und die Methankonzentration ging zunächst ebenfalls zurück. Vor etwa 5000 Jahren stieg sie jedoch von einem Minimum bei rund 600 ppb wieder langsam auf den vorindustriellen Wert von ca. 700 ppb (heute: ca. 1800 ppb) an. Diese Trendumkehr ist nach Ruddiman durch natürliche Faktoren nicht zu erklären. Ruddiman und andere Wissenschaftler nehmen vielmehr an, dass die Ursache im Beginn des Reisanbaus auf bewässerten Feldern in China und Indien liegt. Der Reisanbau begann bereits vor 7500 Jahren v.h.; um 5000 organisierten dann die entwickelten Gesellschaften in China und Indien den Nassreisanbau.

Zwischen Kohlendioxid und den orbitalen Parametern ist die Beziehung weniger eindeutig als bei Methan. Der CO₂-Gehalt der Atmosphäre schwankt mit allen drei Zyklen der Bahn der Erde um die Sonne, was zu Überlagerungen und größerer Unsicherheit in der Zuordnung führt. Eine Möglichkeit, den CO₂-Trend im Holozän zu beurteilen, besteht in einem Vergleich mit früheren Warmzeiten. Hier zeigt sich, dass der CO₂-Gehalt nach dem Ende der vorangegangenen Eiszeit zunächst schnell angestiegen ist und dann über mehr als 10 000 Jahre bis zum Beginn der nächsten Eiszeit stetig abgenommen hat. Im Holozän sehen wir zunächst ebenfalls einen deutlichen Anstieg der CO₂-Konzentration auf 268 ppm zwischen 10 000 und 11 000 Jahre v.h. und anschließend eine Abnahme auf 261 ppm vor 8000 Jahren. Dann jedoch begann der CO₂-Gehalt wieder zu steigen und erreichte vorindustriell 280-285 ppm (aktuell: 400 ppm), wofür es in früheren Warmzeiten keine Parallele gibt. Vielmehr sollte die CO₂-Konzentration entsprechend den vorhergegangenen Warmzeiten vor Beginn der Industrialisierung bei 240-245 ppm gelegen haben, rund 40 ppm weniger als der tatsächliche Wert. Für diesen ungewöhnlichen Verlauf des CO₂-Trends sind natürliche Erklärungen versucht worden, die jedoch nach Ruddiman nicht überzeugen konnten. Vielmehr sei auch hier eine anthropogene Ursache anzunehmen. Ab etwa 8000 v.h. begann sich der Ackerbau, der um 11 000 v.h. im Vorderen Orient entstanden war, in die bewaldeten Regionen Südost- und Mitteleuropas auszubreiten, was mit starken Waldrodungen und CO₂-Emissionen verbunden war. Zu ähnlichen Prozessen kam es in China und Indien und einige Jahrtausende später in den Hochkulkturen Mittel- und Südamerikas.

Die anthropogene CO₂-Emissionsrate war vor der Industrialisierung mit 0,04 GtC/Jahr wesentlich geringer als die der letzten rund 200 Jahre mit 0,8 GtC/Jahr, hat sich aber über den langen Zeitraum von 7800 Jahren auf 320 GtC summiert. Die CO₂- und CH₄-Zunahmen durch menschliche Aktivitäten betrugen 35 ppm bzw. 230 ppb. Die CH₄-Zunahme kann plausibel durch landwirtschaftliche Aktivitäten erklärt werden. Bei CO₂ muss zusätzlich eine Reaktion des Ozeans angenommen werden. Ein wärmerer Ozean kann weniger CO₂ aufnehmen. Daher ist auch die klimatische Wirkung durch frühe anthropogene Kohlendioxid-Emissionen durchaus erheblich. Der globale Erwärmungseffekt durch die vorindustriellen anthropogenen Methan- und Kohlendioxidemissionen beläuft sich nach Ruddiman auf 0,8 °C und ist damit ähnlich hoch wie die globale Erwärmung seit Beginn der Industrialisierung bis heute. In den hohen Breiten beträgt aufgrund der dortigen Rückkopplungsprozesse dieser Effekt sogar 2 °C. Tatsächlich aber hat sich die Erde seit dem frühen Holozän aber nicht erwärmt, sondern abgekühlt. Der Grund ist, dass die kontinuierliche Abnahme der Solarstrahlung der vorindustriellen anthropogenen Erwärmung entgegenwirkte. Die tatsächliche Abkühlung wäre z.B. in der Kanadischen Arktis um 2 °C höher ausgefallen, wenn es keine anthropogenen Treibhausgasemissionen gegeben hätte. Eine Konsequenz wäre gewesen, dass sich seit etwa 5000 v.h. im nordöstlichen Kanada nach der abgeklungenen letzten Eiszeit erneut ein Eisschild gebildet hätte, womit der Beginn einer neuen Eiszeit eingeläutet worden wäre.

Gegen diese Hypothese hat es allerdings auch gravierende Einwände gegeben, die vor allem die angenommenen anthropogenen CO₂-Emissionen als zu hoch kritisieren. Nach Modellstudien wird die Beziehung zwischen der CO₂-Zunahme nach 7000 vh. um 20 ppm und der neolithischen Agrar-Revolution hiernach nicht gestützt. Die modellierten CO₂-Emissionen durch anthropogene Landnutzung setzen zu spät ein und sind mengenmäßig zu gering. Hinzu kommt, dass wahrscheinlich der Ozean einen deutlichen Beitrag an der Zunahme des CO₂-Gehalts im Mittleren Holozän (7000-5000 vh.) geleistet hat. Außerdem könnte der Aufbau von Feuchtgebieten nach dem Ende der letzten Eiszeit, der in früheren Kalkulationen nicht berücksichtigt wurde, eine relevante Senke gewesen sein. Weitere terrestrische Senken kamen in hohen nördlichen Breiten dadurch hinzu, dass durch den fortgesetzten Rückzug der Eisschilde Böden und Vegetation sich weiter ausbreiten konnten. Anthropogene Landnutzungs-Emissionen, die es durch die Expansion landwirtschaftlicher Aktivitäten zweifellos gab, von den natürlichen terrestrischen CO₂-Flüssen zu unterscheiden, ist kaum möglich. Nach dem Mittleren Holozän (nach 5000 vh.) kam es durch Änderung der solaren Einstrahlung zu einer leichten Abkühlung, die zu einem Rückzug der Wälder in hohen Breiten sowie der Sahara-Vegetation und damit zu Kohlenstoff-Emissionen geführt haben. Neben dem Ozean sind also auch natürliche terrestrische Prozesse an dem globalen CO₂-Kreislauf beteiligt und die menschliche Landnutzung war nicht die einzige Quelle einer höherer CO₂-Konzentrationen. Die Modellexperimente von Brovkin et al. (2019) bestätigen zusätzlich die Bedeutung des Ozeans und kommen zu dem Ergebnis, dass der Ozean bis ins späte Holozän eine Quelle von Kohlendioxid war und anthropogene Quellen erst seit Beginn der Industrialisierung den atmosphärischen CO₂-Gehalt beeinflusst haben.

Abb. 4: Bevölkerungsdichte (a) und die anthropogene Änderung der natürlichen Feueraktivität (b) während des Höhepunkts der letzten Eiszeit um 21 000 Jahren vh. Dunkelblau: Eisbedeckung; hellblau: Wasser.

Gab es ein "ganz frühes" Anthropozän?

Ein Einfluss des Menschen auf das Klimasystem wird von einigen Forschern sogar noch früher für möglich gehalten. Kaplan et al. (2016) nehmen zumindest für Europa einen klimarelevanten Eingriff des Menschen in die natürliche Vegetation bereits während des Höhepunkts der letzten Eiszeit um 21 000 Jahre vh. an. Sie gehen von einem Widerspruch zwischen Modellberechnungen und Erkenntnissen aus Pollenfunden über die Vegetationsbedeckung in Mittel- und Südeuropa aus. Während nach Pollenfunden die eisfreien Gebiete Europa während des Höhepunkts der letzten Eiszeit weitgehend von Steppe und Tundra bedeckt waren, zeigen Klimamodelle, dass große Teile Europas klimatisch durchaus für Wälder geeignet waren. Kaplan et al. (2016) erklären diesen Unterschied durch das Abbrennen von Bäumen durch den Homo Sapiens, der bereits vor 48 000 Jahren nach Europa vorgedrungen war und sich vor 20 000 Jahren vor allem im Südwesten Frankreichs und Nordosten Spaniens aufgehalten hat. Obwohl die Anzahl der natürlichen Brände durch die anthropogenen Feuer nur mäßig erhöht wurde, hätten letztere dennoch eine starke Reduzierung der Waldbedeckung um ca. 30 % zur Folge gehabt, da die Bäume aufgrund der niedrigen Temperaturen, geringer Niederschläge, starker Klimaschwankungen und eines geringen CO₂-Gehalts deutlich geschwächt waren. Diese Eingriffe des Homo Sapiens blieben jedoch regional begrenzt und zeigten keine globalen Spuren, weshalb sie den Kriterien einer neuen geologischen Epoche nicht genügen dürften.

Das Ende des Eiszeitalters?

Die gegenwärtige Klimaepoche, das Holozän, wird als jüngste Warmzeit des Eiszeitalters verstanden, das vor etwa 2,7 Mio. Jahre begann und bei dem sich Warm- und Kaltzeiten abwechseln. Die entscheidende Ursache für die Schwankungen zwischen kälteren und wärmeren Phasen wird in der Variabilität der Erdbahnparameter gesehen. Der Antrieb durch die Erdbahnparameter kann heute recht genau berechnet werden. Der Beginn einer neuen Eiszeit hängt allerdings nicht nur von der Sonneneinstrahlung ab, sondern auch von der atmosphärischen CO₂-Konzentration. Nur wenn der Kohlendioxidgehalt unter das vorindustrielle Niveau sinkt, würde bei der aktuellen Konfiguration der Erdbahnparameter eine neue Eiszeit möglich sein. Das vergangene schnelle Wachstum kontinentaler Eisschilde auf der Nordhalbkugel, das warme Klimaepochen beendet hat, wird im allgemeinen auf eine reduzierte Einstrahlung im Sommer in den höheren Breiten zurückgeführt. Gegenwärtig befindet sich diese sommerliche Einstrahlung bei 65 °N nahe bei ihrem Minimum, ohne dass es jedoch Anzeichen einer neuen Eiszeit gibt. Bei ähnlichen orbitalen Verhältnissen wie z.B. vor ca. 800 000 Jahren hat es in der Vergangenheit den Beginn einer Eiszeit gegeben, allerdings bei einem CO₂-Gehalt von 240 ppm. Bei einem ähnlichen CO₂-Gehalt sollte auch das gegenwärtige Interglazial innerhalb der nächsten 1500 Jahre enden. Aber bereits vor Beginn der industriellen Revolution lag der Kohlendioxid-Gehalt bei 280 ppm, was möglicherweise auf die vorindustrielle Landnutzung zurückzuführen ist. Bei einem CO₂-Gehalt von 240 ppm hätte es nach Berechnungen von Klimamodellen den Beginn eines schnellen Wachstums von Eisschilden bereits einige Tausend Jahre vor heute geben müssen. Die Erde wäre also längst auf dem Weg zu einer neuen Eiszeit, wenn der CO₂-Gehalt nur um 40 ppm geringer gewesen wäre, als er es vorindustriell war.

Klimamodellsimulationen zeigen eine Lebensdauer von anthropogenem CO₂ von mehreren Tausend Jahren. Durch die lange Lebensdauer des anthropogenen CO₂ in der Atmosphäre werden die vom Menschen verursachten Emissionen von Kohlendioxid einen starken Einfluss auf den Beginn der nächsten Eiszeit haben. Selbst bei einer gesamten kumulativen Emission von 500 GtC, ein Wert, der nur wenig über dem gegenwärtigen liegt, würde die Entwicklung der Eisschilde auf der Nordhalbkugel über Jahrtausende durch den CO₂-Gehalt beeinflusst werden. Bei kumulativen CO₂-Emissionen von 1000 Milliarden Tonnen Kohlenstoff (GtC) ist die Möglichkeit des Beginns einer neuen Eiszeit für die nächsten 100 000 Jahre stark reduziert, und bei 1500 GtC ist sie für denselben Zeitraum äußerst unwahrscheinlich. Mit Ausnahme des RCP2.6-Szenarios werden alle RCP-Szenarien des IPCC-Berichts von 2013 die 1000 GtC-Marke bereits im 21. Jahrhundert überschreiten. Daher kann davon ausgegangen werden, dass der anthropogene Einfluss den Beginn einer nächsten Eiszeit über die Dauer von bisherigen Eiszeit-Zyklen hinaus unmöglich macht.

Die Wahrscheinlichkeit scheint daher tatsächlich relativ hoch, dass die Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre durch den Menschen Folgen haben wird, die die Wiederkehr einer nächsten Eiszeit verhindern könnten. Das rapide Abschmelzen des arktischen Meereises und das wahrscheinliche, wenn auch längerfristige Abschmelzen des Grönlandeises werden Bedingungen schaffen, die die geringfügigen Schwankungen der Erdbahnparameter möglicherweise zu wenig zur Wirkung kommen lassen werden, um eine neue Eiszeit (Kaltzeit) einzuleiten.

Dabei sind die neuen Klimaverhältnisse nur ein Merkmal, wenn auch vielleicht das entscheidende, des neuen Zeitalters. Der Mensch prägt in vielerlei Hinsicht seine Umwelt selbst und sieht sich zunehmend veranlasst, die Folgen zu bewältigen. Damit nimmt er radikal Abschied von seinem früheren Verhältnis zur Natur, auf die er keinen Einfluss hatte, und sieht sich mehr und mehr einer Umwelt gegenüber, die sein eigenes Produkt ist, das auf ihn zurückwirkt, das er aber auch zu beherrschen lernen muss, will er nicht sein eigenes Opfer werden.

Literatur

• Horn, E., H. Bergthaller (3. Auflg. 2022): Das Anthropozän zur Einführung, Hamburg

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Kontakt: Dieter Kasang