Wissenschaftler haben das Klima der Erde in den letzten 485 Millionen Jahren erfasst

Die am Donnerstag in der Zeitschrift Science veröffentlichte Zeitleiste gilt als die genaueste Rekonstruktion der Erdtemperaturen der Vergangenheit, die bisher erstellt wurde, so die Autoren. Sie entstand durch die Zusammenführung von über 150.000 fossilen Belegen mit hochmodernen Klimamodellen und verdeutlicht die starke Korrelation zwischen Kohlendioxid und globalen Temperaturen. Zudem zeigt sie auf, dass die Erde während des Großteils der Geschichte des komplexen tierischen Lebens in einem deutlich wärmeren Zustand war.

Die Studie legt nahe, dass die Durchschnittstemperatur der Erde an der heißesten Stelle 96,8 Grad Fahrenheit (36 Grad Celsius) erreichte – weit höher als die historischen 58,96 F (14,98 C), die der Planet im letzten Jahr erreichte.

Die Enthüllungen über die glühende Vergangenheit der Erde sind ein weiterer Grund zur Besorgnis über den modernen Klimawandel, sagte Emily Judd, eine Forscherin an der University of Arizona und dem Smithsonian, die sich auf alte Klimazonen spezialisiert hat und die Hauptautorin der Studie ist. Die Zeitleiste zeigt, wie schnelle und dramatische Temperaturschwankungen mit vielen der schlimmsten Momente der Welt verbunden waren – darunter ein Massenaussterben, das etwa 90 Prozent aller Arten auslöschte, und der Asteroideneinschlag, der die Dinosaurier auslöschte.

“Wir wissen, dass diese katastrophalen Ereignisse … die Landschaft dessen, wie das Leben aussieht, zu verändern”, sagte Judd. “Wenn sich die Umwelt so schnell erwärmt, können Tiere und Pflanzen nicht mehr mithalten.”

Zu keinem Zeitpunkt in den fast einer halben Milliarde Jahren, die Judd und ihre Kollegen analysierten, veränderte sich die Erde so schnell wie jetzt, fügte sie hinzu:

“Genauso wie ein massiver Asteroid die Erde trifft, ist das, was wir jetzt tun, beispiellos.”

485 Millionen Jahre Temperaturaufruhr

Die Zeitleiste umfasst fast das gesamte Phanerozoikum – das geologische Äon, das mit dem Auftauchen mehrzelliger, nicht-mikroskopischer Organismen begann und bis heute andauert.

Es zeigt ein globales Klima, das dynamischer und extremer war, als sich die Forscher vorgestellt hatten, sagte Jess Tierney, Klimawissenschaftler an der University of Arizona und Mitautor der Studie. Verglichen mit Grafiken, die ausschließlich auf Klimamodellen basieren und tendenziell kleinere und langsamere Temperaturschwankungen abbilden, ist die neue Zeitleiste voller plötzlicher Spitzen und abrupter Verschiebungen.

Aber in Übereinstimmung mit jahrzehntelanger Klimaforschung lehnt sich die Grafik eng an die Schätzungen des Kohlendioxids in der Atmosphäre an, wobei die Temperaturen proportional zu den Konzentrationen des wärmespeichernden Gases steigen.

“Kohlendioxid ist wirklich das Meisterzifferblatt”, sagte Tierney. “Das ist eine wichtige Botschaft … im Hinblick auf das Verständnis, warum Emissionen aus fossilen Brennstoffen heute ein Problem darstellen.”

Zu Beginn der Zeitachse, vor etwa 485 Millionen Jahren, befand sich die Erde in einem sogenannten Treibhausklima ohne polare Eiskappen und mit Durchschnittstemperaturen von über 30 Grad Celsius. In den Ozeanen wimmelte es nur so von Weichtieren und Gliederfüßern, und die allerersten Pflanzen begannen gerade erst, an Land Fuß zu fassen.

Die Temperaturen begannen in den nächsten 30 Millionen Jahren langsam zu sinken, als atmosphärisches Kohlendioxid aus der Luft gezogen wurde, bevor es vor etwa 444 Millionen Jahren in einen Zustand abstürzte, den Wissenschaftler als Kalthaus bezeichnen. Die Eisschilde breiteten sich über die Pole aus und die globalen Temperaturen fielen um mehr als 10 Grad Celsius. Es wird angenommen, dass diese schnelle Abkühlung das erste der “Big Five” Massenaussterben der Erde ausgelöst hat – etwa 85 Prozent der marinen Arten verschwanden, als der Meeresspiegel sank und sich die Chemie der Ozeane veränderte.

Eine noch dramatischere Verschiebung ereignete sich am Ende des Perm, vor etwa 251 Millionen Jahren. Massive Vulkanausbrüche setzten Milliarden Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre frei, wodurch die Temperatur des Planeten in etwa 50.000 Jahren um etwa 10 Grad Celsius anstieg. Saurer Regen fiel über die Kontinente; Die marinen Ökosysteme brachen zusammen, als die Ozeane kochend heiß und sauerstoffarm wurden.

“Wir wissen, dass es das schlimmste Aussterben im Phanerozoikum ist”, sagte Tierney. “Analog dazu sollten wir uns Sorgen um die menschliche Erwärmung machen, weil sie so schnell ist. Wir verändern die Temperatur der Erde in einem Tempo, das alles übersteigt, was wir kennen.”

Die Studie macht auch deutlich, dass die Bedingungen, an die der Mensch gewöhnt ist, ganz anders sind als die, die die Geschichte unseres Planeten geprägt haben. Für den größten Teil des Phanerozoikums, so die Forschung, lagen die Durchschnittstemperaturen bei über 22 Grad Celsius (71,6 °F), mit wenig oder gar keinem Eis an den Polen. Kalthausklima – einschließlich unseres aktuellen – herrschte nur in 13 Prozent der Fälle vor.

Dies sei eine der ernüchterndsten Enthüllungen der Forschung, sagte Judd. Das Leben auf der Erde hat ein Klima ertragen, das weitaus heißer ist als das,das die Menschen jetzt durch die Emissionen der Erderwärmung erzeugen. Aber der Mensch entwickelte sich während der kältesten Epoche des Phanerozoikums, als die globalen Durchschnittstemperaturen nur 11 Grad Celsius betrugen.

Ohne schnelle Maßnahmen zur Eindämmungder Treibhausgasemissionen, sagen Wissenschaftler, könnten die globalen Temperaturen bis zum Ende des Jahrhunderts fast 17 Grad Celsius erreichen – ein Niveau, das in der Zeitachse seit dem Miozän vor mehr als 5 Millionen Jahren nicht mehr erreicht wurde.

“Wir haben unsere Zivilisation um diese geologischen Landschaften eines Eishauses herum aufgebaut”, sagte Judd. “Obwohl das Klima wärmer war, haben die Menschen nicht in einem wärmeren Klima gelebt, und es gibt viele Konsequenzen, mit denen die Menschen in dieser Zeit konfrontiert sind.”

Ein paläontologisches Puzzle

Das Projekt begann vor fast einem Jahrzehnt, als Wissenschaftler des Smithsonian eine neue Fossilienhalle für das National Museum of Natural History entwickelten. Im Gegensatz zu den meisten anderen paläontologischen Exponaten, die dazu neigen, die Seltsamkeit von Dinosauriern und anderen uralten Kreaturen ins Rampenlicht zu rücken, versuchte die neue Halle, Parallelen zwischen der Vergangenheit der Erde und den heutigen Klimaveränderungen zu ziehen.

Aber als die Kuratoren beschlossen, ein Diagramm der Erdtemperatur während des Phanerozoikums zu installieren, stellten sie fest, dass es keine einzige Zeitleiste gab. Obwohl die Wissenschaftler Schätzungen aus unterschiedlichen Datensätzen und Rekonstruktionen kürzerer Zeitintervalle zusammenschustern konnten, ließ der Ansatz viel Raum für Unsicherheiten und Fehler.

“Das war wissenschaftlich nicht sehr zufriedenstellend”, sagte Scott Wing, der Kurator für fossile Pflanzen des Museums und einer der Autoren der neuen Studie. Er und seine Kollegen wollten eine Schätzung des Klimas der Vergangenheit auf “statistisch rigorose Weise” erstellen.

Die erste Aufgabe bestand darin, eine Datenbank mit Klima-Proxies zu erstellen – Teile fossiler Beweise, die darauf hindeuten, wie die Welt einst aussah. Zum Beispiel spiegelt die Vielfalt des Sauerstoffs, die in den Zähnen ausgestorbener, aalähnlicher Kreaturen gefunden wird, die als Conodonten bekannt sind, die Wassertemperatur in den Ozeanen wider, in denen sie lebten. Die chemische Zusammensetzung der Fette aus uralten Algen gibt Aufschluss darüber, wie sie ihre Zellwände aufgebaut haben, um mit der Hitze fertig zu werden.

Die Datenbank beschränkte sich jedoch auf Beweise aus den Ozeanen, die nur 70 Prozent der Erdoberfläche bedecken. Und jeder Proxy könnte die Temperatur nur an einem bestimmten Ort zu einem einzigen Zeitpunkt anzeigen. Selbst bei 150.000 Datenpunkten, so Judd, sei es so, als würde man versuchen, ein Puzzle mit nur 1 Prozent der Teile zusammenzusetzen.

Die Forscher könnten mit Hilfe eines Klimamodells ein besseres, größeres Bild erhalten – aber diese Simulationen könnten stark variieren, je nachdem, welche Annahmen sie über das Verhalten der Erde getroffen haben, und die Wissenschaftler hätten keine Möglichkeit zu wissen, welches Ergebnis das richtige ist. Also wandte sich das Team einer Technik namens Datenassimilation zu, die reale Beweise mit Klimamodellen kombiniert, um strengere und genauere Ergebnisse zu erzielen.

“Es ist eine Möglichkeit, diese Handvoll Puzzleteile mathematisch mit diesen möglichen Bildern zu integrieren und herauszufinden, zu welchem Bild diese Teile gehören.” Sagte Judd.

Obwohl die Datenassimilation für moderne Wettervorhersagen weit verbreitet ist und verwendet wurde, um Rekonstruktionen der Temperatur über kürzere Zeiträume zu erstellen, ist die am Donnerstag veröffentlichte Zeitleiste die längste und detaillierteste, die Wissenschaftler je erstellt haben.

Sie ist auch genauer als andere Schätzungen, sagte Benjamin Mills, ein Paläoklimaforscher an der Universität von Leeds in England, der nicht an der Studie beteiligt war, weil sie den Ansatz der Datenassimilation verwendet.

“Dies wird dazu beitragen, die treibenden Prozesse hinter langfristigen Temperaturänderungen und die natürlichen Mechanismen zur Stabilisierung oder Destabilisierung des Erdklimas zu bewerten”, schrieb Mills in einer Analyse, die zusammen mit der Zeitleiste veröffentlicht wurde.

“All die Dinge, die wir nicht wissen”

Die neue Temperatur-Zeitleiste wirft so viele Fragen auf, wie sie beantwortet, sagte Wing. Die Feststellung globaler Durchschnittstemperaturen von mehr als 35 Grad Celsius impliziert, dass einige Teile des Planeten sogar noch heißer waren – während der wärmsten Teile der Kreidezeit könnten die Durchschnittstemperaturen im Inneren der Kontinente beispielsweise 50 Grad Celsius erreicht haben. Selbst die widerstandsfähigsten modernen Arten würden in einer so heißen Umgebung verdorren.

“Es ist ein Hinweis auf all die Dinge, die wir nicht darüber wissen, wie das Klima in den Treibhäusern funktioniert”, sagte Wing.

Vielleicht waren Organismen, die sich während der Treibhaus-Ära entwickelt haben, viel besser an extreme Hitze angepasst als die heute lebenden Pflanzen und Tiere, fügte er hinzu. Oder vielleicht waren die globalen Temperaturen in diesen Zeiträumen viel gleichmäßiger, wobei nur wenige Gebiete viel kälter oder wärmer als der Durchschnitt wurden.

Michael Mann, ein Klimawissenschaftler an der University of Pennsylvania, der für seine Analysen vergangener globaler Temperaturen bekannt ist, sagte, er sei auch überrascht von der Vermutung, dass der Planet so warm geworden sei.

Der Befund unterstütze die Befürchtung vieler Wissenschaftler, dass Rückkopplungsschleifen im Erdsystem zu viel höheren Temperaturen führen könnten, als die meisten Klimamodelle vorhersagen, schrieb er in einer E-Mail. Es ist aber auch möglich, dass die Datenassimilation von einer zu starken Erwärmung ausgeht und Faktoren fehlen, die einen außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt verhindern könnten.

“Während ich den Autoren für diese ehrgeizige und durchdachte Studie applaudiere, bin ich skeptisch, was die spezifischen, quantitativen Schlussfolgerungen angeht”, sagte Mann.

Wing räumte ein, dass es noch viel zu tun gibt. Er und seine Kollegen wollen die Zeitleiste weiter verfeinern, indem sie Daten von landgestützten Proxys, wie z. B. fossilen Blättern, hinzufügen. Sie hoffen auch, dass es Forschern helfen wird, den zukünftigen Klimawandel zu modellieren, indem es ihnen ermöglicht, wärmere Perioden aus der Vergangenheit der Erde zu untersuchen.

Und für die Milliarden von Menschen, die jetzt die heißesten Jahre aller Zeiten erleben – und einer noch heißeren Zukunft entgegensehen – sagte Judd, sollte die Zeitleiste als Weckruf dienen. Selbst im schlimmsten Fall wird die vom Menschen verursachte Erwärmung die Erde nicht über die Grenzen der Bewohnbarkeit hinaus treiben. Aber es wird Bedingungen schaffen, wie es sie in den 300.000 Jahren, in denen unsere Spezies existiert, noch nie gegeben hat – Bedingungen, die in Ökosystemen und Gemeinschaften verheerende Schäden anrichten könnten.

“Solange ein oder zwei Organismen überleben, wird es immer Leben geben. Das macht mir keine Sorgen”, sagte Judd. “Meine Sorge ist, wie menschliches Leben aussieht. Was es bedeutet, zu überleben.”

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