Thermohaline Zirkulation der Vergangenheit

Das jüngere Dryas- und das 8.2 ka-Ereignis

Abb. 1: Der Laurentische Eisschild mit seinene Grenzen vor 21000 und vor 13000 Jahren. Die blauen Pfeile zeigen die wichtigsten kontinentalen Abflüsse, 1 über das Missippi-Tal, 2 über den Hudson-River, 3 über den St. Lorenz-Strom.

Im Gegensatz zu dem relativ stabilen Klima des Holozäns, d.h. der letzten 10 000 Jahre, zeigt das Klima der letzten Kaltzeit, der sogenannten Würm-Kaltzeit zwischen 10 000 und 100 000 v.h., starke Schwankungen zwischen warmen und kalten Phasen, besonders ausgeprägt im nordatlantischen Raum. Die bekannteste und am besten erforschte plötzliche Klimaänderung dieser Art ist das sogenannte Jüngere Dryas-Ereignis am Ende der letzten Kaltzeit vor rund 13 000 bis 11 500 Jahren.

Die Temperatur sank zu Beginn dieser Periode in wenigen Jahrzehnten um mehrere Grad, und auch die Erwärmung am Ende dieser Phase war sehr abrupt und betrug in großen Teilen der nördlichen Hemisphere bis zu 10 °C in 50 Jahren. Die Ursache für den plötzlichen Temperaturabfall lag nach heutiger Erkenntnis in einem Aussetzen oder einer deutlichen Schwächung der Tiefenkonvektion im Nordatlantik, die die am Ende der letzten Kaltzeit gerade wieder belebte Warmwasserheizung durch den Golf- und Nordatlantikstrom abstellte. Als Grund für das Aufhören der Tiefenkonvektion wird eine plötzliche und gewaltige Schmelzwasserzufuhr über die Labradorsee in das Absinkgebiet der thermohalinen Zirkulation angenommen.

Auf dem nordamerikanischen Kontinent zog sich aufgrund der Erwärmung vor Beginn der Jüngeren Dryas-Zeit der Laurentische Eisschild in dem Gebiet allmählich zurück. Das Schmelzwasser sammelte sich in einer großen Senke, die das Gewicht der Eismassen zuvor in die Kontinentalkruste gedrückt hatte. Der Abfluß erfolgte zunächst nach Süden über das heutige Mississippi-Tal. Dann aber schmolz auch das Eis, das bis dahin einen Abfluß nach Osten über das Hudson-Tal und das Tal des heutigen St.-Lorenz-Stroms versperrt hatte, und gab den Weg in den Nordatlantik frei. Die plötzliche Süßwasserszufuhr verringerte rapide den Salzgehalt und damit die Dichte im Oberflächenwasser des Nordatlantiks und brachte die Tiefenkonvektion zum Erliegen. Die Rückkehr eiszeitlicher Verhältnisse im nordatlantischen Raum war die Folge. Sie währten so lange, bis die Süßwasserzufuhr nach dem weitgehenden Auslaufen des Binnensees und Abschmelzen der Eismassen aufhörte und sich durch erhöhten Salzgehalt die Tiefenwasserbildung der thermohalinen Zirkulation in der Form einstellte, wie wir sie bis heute kennen.

Wenige Tausend Jahre später gab es ein ähnliches Ereignis, das als 8.2 ka-Ereignis bezeichnet wird, weil es ungefähr 8200 Jahre vh. anzusiedeln ist. Dabei kam es zu einer plötzlich Süßwasserzufuhr in den Nordatlantik durch die Hudsonstraße in die Labradorsee. Vorausgegangen war das Schmelzen der letzten Bestandteile des Laurentischen Eisschildes in der Region der heutigen Hudsonbai. Südliche davon bildeten sich zunächst große Schmelzwasserseen, vor allem der Agassiz- und der Ojibway-See. Nach dem Zerfall der letzten Bestandteile des Eisschildes entwässerte der Agassiz-See durch die Hudsonbai in die Labradorsee. Durch diese Süßwasserzufuhr wurde die thermohaline Zirkulation deutlich abgeschwächt und die Temperaturen auf Grönland fielen in kurzer Zeit um 3 °C. Die Phase des 8.2 ka-Ereignisses dauerte ca. 100-160 Jahre.

Dansgaard-Oeschger- und Heinrich-Ereignisse

Das Jüngere Dryas-Ereignis wurde lange Zeit als einmalig betrachtet. Inzwischen lässt sich aus Proxydaten von Meeressedimenten, Korallen und anderen Quellen ableiten, dass es während der letzten Vereisung mehrere Ereignisse mit einer abgeschalteten, aber auch mit einer verstärkten thermohalinen Zirkulation ähnlich der heutigen gegeben hat. Die THC zeigte während der letzten Kaltzeit drei typische Modi. Der eine Modus (A) glich dem heutigen mit einer starken Bildung von Tiefenwasser im Normeer von ungefähr 20 Sv (1 Sverdrup = 1 Million m³/s). Bei dem anderen Modus (B) versiegte die Tiefenwasserbildung im nördlichen Nordatlantik und verlagerte sich in die Region südlich von Island und reduzierte sich auf die Hälfte. Bei einem dritten, seltener vorkommenden Modus C war die thermohaline Zirkulation im Nordatlantik ganz abgeschaltet. Je schwächer die thermohaline Zirkulation im Nordatlantik ausgebildet war, desto mehr breitete sich das Antarktische Bodenwasser nach Norden aus (siehe Abb. 2). Modellrechnungen lassen vermuten, dass der Modus B der typische kaltzeitliche Modus war, während die Modi A und C unter glazialen Bedingungen eher instabil waren und nur relativ kurzfristig vorkamen.

Abb. 2: Schematische Darstellung der drei Modi der thermohalinen Zirkulation im Pleistozän. NADW = Nordatlantisches Tiefenwasser, AABW = Antarktisches Bodenwasser

Worin liegt die Ursachen für den aus heutiger Sicht erstaunlich häufigen Wechsel der THC von dem einen in den anderen Modus? Modell-Untersuchungen haben gezeigt, dass die THC während Kaltzeiten sehr sensibel auf Änderungen der Süßwasserzufuhr schon in einer Größenordnung von 0,1 Sv reagiert. Während die Tiefenwasserbildung der heutigen THC geographisch auf das Gebiet des Nordmeers, d.h. am Südrand der Meereisbedeckung beschränkt ist, da südlich davon die Meeresoberflächentemperaturen zu warm für ein Absinken sind, lag die bevorzugte Absinkzone während des Glazials deutlich weiter südlich. Eine leichte Verringerung der Süßwasserzufuhr im Nordmeer konnte aber die Absinkzone innerhalb weniger Jahrzehnte in das Gebiet nördlich von Island verlagern. Dadurch konnte sich warmes Wasser von Süden an Island vorbei nach Norden schieben und hier innerhalb kurzer Zeit eine Erwärmung von 5-10 °C auslösen, die aus den geologischen Daten als Dansgaard-Oeschger-Ereignis bekannt ist. Solche Ereignisse gab es im letzten Glazial mindesten zwanzig Mal in einem typischen Zeitabstand von 1500 Jahren. Umgekehrt konnte eine starke Erhöhung der Süßwasserzufuhr auch das Absinken südlich von Island unterbinden und die THC ganz abschalten, was der Auslöser extrem kalter Perioden war, die als Heinrich-Events bekannt sind.

Bei den Heinrich-Events weiß man, dass die Ursache für die Süßwasserzufuhr im Kalben des Laurentischen Eisschildes lag, da die nach Osten abdriftenden Eisberge auf dem Meeresboden glaziale Sedimente in einer Mächtigkeit von einigen Metern in der Labradorsee bis zu mehreren Zentimetern im östlichen Atlantik hinterlassen haben. Auch bei den Dansgaard-Oeschger-Ereignissen haben die großen Eisschilde wahrscheinlich eine wichtige Rolle gespielt. Die THC könnte nach Modellberechnungen dadurch angekurbelt worden sein, dass mehr Niederschlag über den Eisschilden als Schnee niederging und langfristig liegenblieb, als die Eisschilde an Masse durch Abschmelzen und Gletscherabbrüche an den Nordatlantik abgaben. Dadurch verlor der Nordatlantik mehr Süßwasser durch Verdunstung, als er durch Zufluss und schmelzende Eisberge gewann. Der Salzgehalt und die Dichte erhöhten sich, wodurch die Tiefenwasserproduktion in das Gebiet nördlich von Island verlagert wurde.

Die Frage bleibt, wodurch die beiden Abweichungen vom Normalverhalten der glazialen THC letztlich angestoßen wurden. Hier gehen einige Forscher von externen Auslösern aus, z.B. relativ kleinen Schwankungen der Solarstrahlung. Andere halten aufgrund von Modellsimulationen eine interne Wechselwirkung zwischen thermohaliner Zirkulation und den an den Nordatlantik angrenzenden Eismassen für ausreichend. Danach führte unter glazialen Bedingungen das Wachstum der kontinentalen Eismassen zu einem fortgesetzten Entzug von Süßwasser und ließ die THC von dem stabilen Modus B in den instabilen Modus A übergehen. Die damit einhergehende Erwärmung verstärkte zunächst die Verdunstung und damit die Tiefenwasserproduktion im Modus A. Zugleich wuchsen durch den intensivierten Wasserkreislauf die kontinentalen Eismassen und breiteten sich soweit in Richtung Küste und nach Süden aus, bis es an den Rändern zu großen Geltscherabbrüchen kam, die das Verhältnis von Süßwasserzufuhr und Verdunstung umkehrten, die Tiefenwasserproduktion im Nordmeer versiegen und die THC wieder in den Modus B zurückfallen ließen. Die seltenen Heinrich-Events (Modus C) wurden im Anschluss daran in einigen Fällen durch besonders starke Kalbungen ausgelöst.

Literatur

• H. Kienert (2011): Thermohaline Meeresströmungen in Kalt- und in Warmzeiten, in: José L. Lozán et al. (Hrsg.): Warnsignal Klima: Die Meere - Änderungen und Risiken. Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg, 65-71; aktualisierte Fassung online
• Wefer, G. (1998): Ursachen der Klimaschwankungen im Quartär, in: J.L.Lozán, H. Graßlund P.Hupfer (Hg.): Warnsignal Klima, Hamburg, S. 55-58
• Rahmstorf, S. (2002): Warum das Eiszeitklima Kapriolen Schlug, Spektrum der Wissenschaft

Weblinks

• Abrupte Klimawechsel
• Simulation der Temperaturgegensätze auf Nord-und Südhalbkugel als Video
• Globale Erwärmung als Auslöser einer abrupten Klimaänderung? Climate Press Nr. 18, Mai 2004
• Umweltbundesamt (UBA), Presse-Information 056/2008 vom 29.07.2008:
  Könnte sich das Klima drastisch und abrupt ändern?
• UBA-Papier zu möglichen „Kipp-Punkten“ im Klimasystem (PDF-Datei)

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Kontakt: Dieter Kasang