Inhaltsverzeichnis

  Inhaltsverzeichnis  2

  I Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen  4

  II Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  5

  IIa Abbildungen  5

  II b Tabellen  5

1.  Einleitung  6

2.  Klimabeeinflussende Faktoren auf verschiedenen Zeitskalen  8

2.1  Faktoren mit langfristigen Auswirkungen  8

2.2  Faktoren mit mittelfristigen Auswirkungen  9

2.3  Faktoren mit kurzfristigen Auswirkungen  10

3.  Das Klima im Präkambrium  12

3.1  Archaikum  12

3.2  Proterozoikum  14

4.  Das paläozoische Klima  17

4.1  Kambrium und Ordovizium  18

4.2  Silur und Devon  19

4.3  Karbon und Perm  20

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5.  Das warme Klima des Mesozoikums  23

5.1  Das Klima Pangäas  24

5.2  Treibhausklima während der Kreide  25

5.3  Der Meteoritenimpakt an der Kreide Tertiär-Grenze und die klimatischen Folgen  27

6.  Tertiär der Weg in ein neues Eiszeitalter  29

6.1  Belege für die Abkühlung  29

6.2  Ursachen für die Abkühlung  31

7.  Das quartäre Eiszeitalter Wechsel von Glazialen und Interglazialen  34

7.1  Steuermechanismen des quartären Klimas  35

7.2  Das Klima seit dem Abschmelzen der Inlandeismassen  38

8.  Schlussbetrachtung  42

9.  Schriftenverzeichnis  43

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I Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen

a - Jahre

BP – Before Present ClH - Chlorwasserstoff CH 4 - Methan CO - Kohlenmonoxid CO 2 - Kohlendioxid H 2 - Wasserstoff H 2 O(g) - Wasserdampf Ga – Milliarden Jahre Ka – Tausende Jahre Ma – Millionen Jahre N2 – Stickstoff ppb – parts per billion ppm – parts per million

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II Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

IIa Abbildungen

Abb.1: Abhängigkeit der globalen Temperatur vom CO 2 -Gehalt. Abb.2: Einfluss explosiver Vulkanausbrüche auf Temperatur der Stratosphäre und bodennaher Atmosphäre.

Abb.3: Von Cyanobakterien aufgebaute Stromatolithen. Abb.4: Dropstone in Nordwest-Namibia.

Abb.5: Verbreitung von Gletscherablagerungen im Neoproterozoikum. Abb.6: Übersicht über Klimaänderungen seit dem Proterozoikum. Abb.7: Paläogeographische Verhältnisse im Unterkarbon. Abb.8: Ergebnisse einer Modellsimulation für das Klima Pangäas. Abb.9: Entwicklung der ¹³ C-Verhältnisse seit Beginn des Mesozoikums. Abb.10: Vergleich der Temperaturunterschiede zwischen Pol und Äquator in der mittleren Kreide und heute.

Abb.11: Schwerefeldanomalien auf der Halbinsel Yucatan (Mexiko). Abb.12: Foraminifere mit einem Durchmesser von etwa 600 µm. Abb.13: Plattentektonische Bewegungen und Gebirgsbildungen während des Tertiärs.

Abb.14: Öffnung der Drake-Passage.

Abb.15: Schließung der Meerenge in Mittelamerika lässt den Golfstrom entstehen. Abb.16: Sauerstoffisotopenverhältnisse in Tiefseesedimenten des Nordatlantiks während des Quartärs.

Abb.17: Schematische Darstellung der 3 klimarelevanten Erdbahnparameter Exzentrizität, Obliquität und Präzession.

Abb.18: Freilegung der nährstoffreichen Sedimente der Schelfgebiete durch Meeresspiegelabsenkung während der Glaziale.

Abb.19: Übersicht über die Entwicklung des Klimas im Holozän. Abb.20: Anomalien der globalen Durchschnittstemperatur der Jahre 1861 bis 2000, bezogen auf die Durchschnittstemperatur von 1961 bis 1990.

II b Tabellen

Tab.1: Geologische Zeittafel.

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1. Einleitung

Das Thema Klimawandel genießt spätestens seit dem diesjährigen UN-Klimabericht in den Medien Omnipräsenz. Leser und Zuschauer werden mit Fragen nur so überhäuft. Wodurch kann man den Klimawandel aufhalten? Welche ökologischen und ökonomischen Folgen hat eine globale Erwärmung? Was passiert, wenn die Polkappen schmelzen? Kommt gar der Golfstrom ins Stocken und die Menschheit steht am Rande einer neuen Eiszeit?

Fragen, die nur mit Hilfe der Paläoklimaforschung beantwortet werden können. Eine genaue Kenntnis der klimatischen Entwicklung auf der Erde ist Voraussetzung um aktuelle und zukünftige Klimaänderungen richtig beurteilen zu können. Dabei lautet das Motto: aus der Vergangenheit für die Zukunft lernen. Die heutige weltweite Durchschnitts-

temperatur liegt bei etwa 15°C. Diese unterliegt jedoch Schwankungen, die von 11°C Durchschnittstemperatur in den Glazialen (Kalt- bzw. Eiszeiten) bis zu 24°C in den großen Warmzeiten (z.B.

älteres Tertiär) reichen können (JUNGE & EISSMANN 2003: 346). Es muss geklärt werden, welches die determinierenden Faktoren sind, die diese Veränderungen verursachen. Eine detaillierte Kenntnis der Funktionsweise des Klimasystems ist elementar um Ursachen und Folgen von Klimaveränderungen verstehen zu können. Welche Vorgänge im System Erde, verändern auf welche Art und Weise die globale und regionale Verteilung von Temperatur und Niederschlägen.

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In welchem Maße haben etwa plattentektonische Prozesse Einfluss auf das Klimasystem? Was sind natürliche Steuermechanismen für den Anteil von Treibhausgasen wie Kohlendioxid oder Methan in der Atmosphäre? Wodurch werden Eiszeiten her-vorgerufen?

Ziel dieser Arbeit ist es, diese und andere Fragen näher zu beleuchten um das Klima, als Ergebnis vielfältiger innersystemarer Wechselwirkungen, besser zu verstehen. Dabei soll zunächst ein Überblick über Faktoren gegeben werden, die das Klima auf verschiedenen Zeitskalen entscheidend bestimmen. Anschließend soll die Klimageschichte vom Archaikum bis ins Holozän (siehe Tab. 1) beschrieben werden. Auf-grund des immensen thematischen Umfangs und des begrenzten Rahmens, kann diese Arbeit viele Aspekte nur streifen sowie einige Klimahypothesen exemplarisch aufgreifen.

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2. Klimabeeinflussende Faktoren auf verschiedenen Zeitskalen

Dauer und Geschwindigkeit mit der das System Erde und damit das Klima auf Umweltveränderungen reagieren sind höchst unterschiedlich. Die Spannweite reicht von Einflüssen, die sich langsam vollziehen und über Jahrmillionen (z.B. Kontinentaldrift) wirken über Faktoren, die das Klima über viele Jahrtausende (z.B. Änderung der Erdbahnparameter) steuern bis zu solchen, die nur eine Wirkung von Tagen bis Monaten (z.B. Vulkanausbrüche) erzielen. Im folgenden Kapitel sollen einführend einige dieser Steuermechanismen des Klimas vorgestellt werden. Die Bezeichnungen kurz-, mittel- und langfristig sind jeweils in geologischen Zeiträumen zu verstehen.

2.1 Faktoren mit langfristigen Auswirkungen

Die grundlegenden Voraussetzungen für das Klima einer Region bildet die Lage im Gradnetz der Erde, da dies Art und Intensität der Insolation determiniert. Somit ist die Kontinentalverschiebung eine elementare Steuergröße des globalen Klimas. Auf-grund der Geschwindigkeit der Plattenverschiebung, ist sie in geologisch großen Zeiträumen wirksam.

Entscheidend für eine Eisbildung auf der Erde kann u.a. die Lage einer Landmasse an einem geographischen Pol sein. Dies ist die Voraussetzung für die Akkumulation von Schnee und initialer Gletscherbildung, die über die Eis-Albedo-Rückkopplung weiter verstärkt werden kann. Durch die Entstehung weißer Flächen, die einen größeren Teil der solaren Einstrahlung reflektieren als dunkle Flächen, kühlt sich die Erdoberfläche weiter ab, wodurch die Voraussetzungen für die Vergrößerung der Eisfläche geschaffen sind. Weiterhin können durch Kontinentalverschiebung der Verlauf der globalen Meeresströmungen verändert werden, so bildete die Isolation der Antarktis die Voraussetzung für die einsetzende Eisbildung während des Tertiärs (siehe Kapitel 6.2) (SCHÖNWIESE 1995: 141ff). Wie jedoch aus der Arbeit Ruddimans hervorgeht, ist es auch möglich, dass Landmassen sich in polarer Lage befinden können ohne dass es zum Aufbau von Gletschern kommt. Dies war etwa vor 425325 Ma und vor 125-35 Ma der Fall (RUDDIMAN 2001: 110ff). Somit ist erwiesen, dass eine polare Lage eines Kontinents nicht zwingender maßen die Bildung von Gletschern zur Folge haben muss.

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Neben der Verschiebung der Landmassen im Gradnetz der Erde haben plattentektonische Prozesse auch noch auf andere Weise Klimarelevanz. Es wird diskutiert, dass die Geschwindigkeit des Sea Floor Spreadings maßgeblich den CO 2 -Gehalt und damit die Stärke des Treibhauseffekts beeinflusst. Bei schnellem Auseinanderdriften der Platten wird an mittelozeanischen Rücken mehr Magma gefördert, wodurch wiederum mehr CO 2 emittiert wird. Außerdem werden durch schnellere Bewegung der Platten mehr Karbonate mit hohem Kohlenstoffgehalt subduziert und aufgeschmolzen.

Über Vulkane wird dieses aufgeschmolzene Gesteinsmaterial wieder an die Erdoberfläche befördert, was erneut mit CO 2 -Freisetzung 2001:116ff). Darüber hinaus hat die tektonische Heraushebung von Gebirgen wohl einen Einfluss auf den CO 2 -Gehalt der Atmosphäre. Durch die Auffaltung und Hebung wird neues, unverwittertes Gesteinsmaterial der Erosion ausgesetzt.

Nachdem das Ausgangsgestein durch physikalische Verwitterung zerkleinert wurde, kann es nun durch chemische aufgearbeitet werden, wodurch der Atmosphäre CO 2 entzogen wird. Orogenesen sorgen also für neue Ausgangsstoffe für die chemische Verwitterung, wodurch mehr CO 2 gebunden wird und sich das Klima abkühlt (RUDDIMAN 2001: 121ff). Das gegenwärtige gemäßigte Klima ist nur in einem relativ kleinen Kohlendioxid-Fenster möglich. Den exponentiellen Zusammenhang zwischen CO 2 -Gehalt und Temperatur zeigt Abbildung 1 anschaulich.

2.2 Faktoren mit mittelfristigen Auswirkungen

Faktoren, die das Klima im Maßstab von Jahrtausenden beeinflussen sind die Variationen der Erdbahnparameter, welche in Kapitel 7.1 detailliert behandelt werden. Im Einzelnen sind dies die Präzession, die Variation der Erdachsneigung oder Obliquität und die Variation der Exzentrizität der Erdumlaufbahn. Diese drei Variationen überlagern einander und bestimmen maßgeblich die Insolation, die den verschiedenen geographischen Breiten zur Verfügung steht. Milankovitch versuchte 1920 die Höhe-

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