In Silent Spring betrachtet Rachel Carson die westliche Beifußbürste. „Denn hier ist die Naturlandschaft beredt von dem Zusammenspiel der Kräfte, die sie geschaffen haben“, schreibt sie. „Es liegt vor uns wie die Seiten eines offenen Buches, in dem wir lesen können, warum das Land das ist, was es ist und warum wir seine Integrität bewahren sollten. Aber die Seiten liegen ungelesen. “Sie beklagt das Verschwinden einer bedrohten Landschaft, aber sie könnte genauso gut über Marker des Paläoklimas sprechen.
Um zu wissen, wohin Sie gehen, müssen Sie wissen, wo Sie waren. Dies gilt insbesondere für Klimaforscher, die die gesamte Bandbreite der Verschiebungen des Planeten verstehen müssen, um den Verlauf unserer Zukunft zu bestimmen. Aber wie kommen sie ohne Zeitmaschine an diese Art von Daten?
Wie Carson müssen sie die Seiten der Erde lesen. Glücklicherweise hat die Erde Tagebücher geführt. Alles, was jährliche Schichten niederlegt - Ozeankorallen, Höhlenstalagmiten, langlebige Bäume, winzige geschälte Meerestiere -, zeichnet die Zustände der Vergangenheit getreu auf. Um noch weiter zu gehen, schaufeln Wissenschaftler Sediment- und Eisbohrkerne aus dem Meeresboden und den eisigen Polen, die ihre eigenen Memoiren in Aschen- und Staubblasen sowie in Blasen aus lang eingeschlossenem Gas schreiben.
In gewisser Hinsicht haben wir also Zeitmaschinen: Jeder dieser Proxys erzählt eine etwas andere Geschichte, die Wissenschaftler zusammenweben können, um ein vollständigeres Verständnis der Vergangenheit der Erde zu erlangen.
Im März veranstaltete das National Museum of Natural History der Smithsonian Institution ein dreitägiges Earth's Temperature History Symposium, das Lehrer, Journalisten, Forscher und die Öffentlichkeit zusammenbrachte, um ihr Verständnis des Paläoklimas zu verbessern. In einem Abendvortrag erklärten Gavin Schmidt, Klimamodellierer und Direktor des Goddard Institute for Space Studies der NASA, und Richard Alley, ein weltberühmter Geologe an der Pennsylvania State University, wie Wissenschaftler das vergangene Klima der Erde nutzen, um die Klimamodelle zu verbessern, die wir zur Vorhersage verwenden unsere Zukunft.
Hier ist Ihr Leitfaden zu den Klimavergangenheiten der Erde - nicht nur das, was wir wissen, sondern auch, woher wir es wissen.
Wie sehen wir das vergangene Klima der Erde?
Es braucht ein wenig Kreativität, um die Inkarnationen der Erde zu rekonstruieren. Glücklicherweise kennen Wissenschaftler die wichtigsten natürlichen Faktoren, die das Klima beeinflussen. Dazu gehören Vulkanausbrüche, deren Asche die Sonne blockiert, Veränderungen in der Erdumlaufbahn, die das Sonnenlicht in verschiedene Breiten verschieben, die Zirkulation von Ozeanen und Meereis, die Anordnung der Kontinente, die Größe des Ozonlochs, Explosionen kosmischer Strahlen und Abholzung. Die wichtigsten davon sind Treibhausgase, die die Sonnenwärme, insbesondere Kohlendioxid und Methan, einfangen.
Wie Carson feststellte, zeichnet die Erde diese Veränderungen in ihren Landschaften auf: in geologischen Schichten, fossilen Bäumen, fossilen Muscheln und sogar kristallisiertem Rattenpinkeln - im Grunde alles, was wirklich alt ist und erhalten bleibt. Wissenschaftler können diese Tagebuchseiten öffnen und sie fragen, was zu dieser Zeit los war. Baumringe sind besonders fleißige Aufzeichner, die Niederschläge in ihren Jahresringen aufzeichnen. Eisbohrkerne können exzellent detaillierte Berichte über die saisonalen Verhältnisse führen, die fast eine Million Jahre zurückreichen.
Eisbohrkerne enthüllen jährliche Schichten von Schneefall, Vulkanasche und sogar Überreste längst toter Zivilisationen. (Goddard der NASA / Ludovic Brucker) Was kann uns ein Eiskern noch sagen?
"Wow, es gibt so viel", sagt Alley, der fünf Feldsaisonen damit verbracht hat, Eis vom grönländischen Eisschild zu entfernen. Überlegen Sie, was ein Eiskern eigentlich ist: ein Querschnitt von Schneefallschichten, die Jahrtausende zurückreichen.
Wenn Schnee den Boden bedeckt, enthält er kleine Lufträume, die mit atmosphärischen Gasen gefüllt sind. An den Polen vergraben und verdichten sich ältere Schichten zu Eis und verwandeln diese Räume in Luftblasen, wie die Forscher Caitlin Keating-Bitonti und Lucy Chang in Smithsonian.com schreiben . Die Wissenschaftler verwenden die chemische Zusammensetzung des Eises selbst (das Verhältnis der schweren und leichten Sauerstoffisotope in H2O), um die Temperatur abzuschätzen. In Grönland und der Antarktis fördern Wissenschaftler wie Alley unvorstellbar lange Eisbohrkerne - einige mehr als drei Kilometer lang!
Eisbohrkerne geben Auskunft darüber, wie viel Schnee in einem bestimmten Jahr gefallen ist. Sie enthüllen aber auch Staub, Meersalz, Asche von weit entfernten Vulkanausbrüchen und sogar die Verschmutzung, die durch römische Klempnerarbeiten verursacht wurde. "Wenn es in der Luft ist, ist es im Eis", sagt Alley. Im besten Fall können wir Eisbohrkerne auf ihre genaue Jahreszeit datieren und ihre jährlichen Schichten wie Baumringe hochzählen. Und Eisbohrkerne bewahren diese exquisiten Details, die hunderttausende Jahre zurückreichen, und machen sie zu dem, was Alley als „Goldstandard“ paläoklimatischer Proxys bezeichnet.
Warten Sie, aber ist die Erdgeschichte nicht viel länger?
Ja, das ist richtig. Paläoklimaforscher müssen Jahrmillionen zurückreichen - und dafür brauchen wir Dinge, die älter sind als Eisbohrkerne. Glücklicherweise hat das Leben eine lange Geschichte. Der Fossilienbestand des komplexen Lebens reicht etwa 600 Millionen Jahre zurück. Das heißt, wir haben eindeutige Proxies für Klimaveränderungen, die ungefähr so weit zurückreichen. Eines der wichtigsten sind die Zähne von Conodonten - ausgestorbene, aalähnliche Kreaturen -, die 520 Millionen Jahre alt sind.
Einige der in dieser Zeit am häufigsten verwendeten Klimapräparate sind jedoch noch winziger. Foraminiferen (bekannt als "Forame") und Kieselalgen sind einzellige Wesen, die dazu neigen, auf dem Meeresboden zu leben, und sind oft nicht größer als die Periode am Ende dieses Satzes. Weil sie über die ganze Erde verstreut sind und seit dem Jura existieren, haben sie Wissenschaftlern einen soliden Fossilienbestand hinterlassen, um vergangene Temperaturen zu untersuchen. Mit Sauerstoffisotopen in ihren Schalen können wir die Meerestemperaturen rekonstruieren, die vor mehr als 100 Millionen Jahren lagen.
"In jeder Landzunge, in jedem geschwungenen Strand, in jedem Sandkorn gibt es eine Geschichte von der Erde", schrieb Carson einmal. Wie sich herausstellt, verstecken sich diese Geschichten auch in den Gewässern, die diese Strände geschaffen haben, und in Kreaturen, die kleiner sind als ein Sandkorn.
Foraminifera. (Ernst Haeckel) Wie viel Sicherheit haben wir für die tiefe Vergangenheit?
Für Paläoklimaforscher ist das Leben entscheidend: Wenn Sie Indikatoren für das Leben auf der Erde haben, können Sie die Temperatur anhand der Verteilung der Organismen interpretieren.
Aber wenn wir so weit zurückgegangen sind, dass es nicht einmal mehr Konodontenzähne gibt, haben wir unseren Hauptindikator verloren. In der Vergangenheit müssen wir uns auf die Verteilung von Sedimenten und Markern vergangener Gletscher verlassen, die wir extrapolieren können, um grobe Klimamuster anzuzeigen. Je weiter wir zurückgehen, desto weniger Proxies haben wir und desto weniger detailliert wird unser Verständnis. "Es wird immer nebliger", sagt Brian Huber, ein Paläobiologe aus Smithson, der zusammen mit seinem Kollegen, dem Paläobiologen, dem Wissenschaftler und Kurator Scott Wing, an der Organisation des Symposiums mitgewirkt hat.
Wie zeigt uns das Paläoklima die Bedeutung von Treibhausgasen?
Wie der Name schon sagt, wirken Treibhausgase, indem sie Wärme einfangen. Im Wesentlichen bilden sie eine isolierende Decke für die Erde. (Hier erfahren Sie mehr über die grundlegende Chemie.) Wenn Sie sich ein Diagramm vergangener Eiszeiten ansehen, können Sie sehen, dass CO2-Werte und Eiszeiten (oder globale Temperatur) übereinstimmen. Mehr CO2 entspricht wärmeren Temperaturen und weniger Eis und umgekehrt. "Und wir kennen die Richtung der Verursachung hier", bemerkt Alley. „Es geht hauptsächlich um CO2 zu (weniger) Eis. Nicht umgekehrt."
Wir können auch auf bestimmte Momentaufnahmen zurückblicken, um zu sehen, wie die Erde auf vergangene CO2-Spitzen reagiert. Beispielsweise wurde in einer Zeit extremer Erwärmung während des Känozoikums der Erde vor etwa 55, 9 Millionen Jahren genügend Kohlenstoff freigesetzt, um die CO2-Menge in der Atmosphäre etwa zu verdoppeln. Die infolgedessen heißen Bedingungen verursachten Chaos und verursachten massive Wanderungen und Aussterben; so ziemlich alles, was lebte, bewegte sich oder starb aus. Pflanzen welken. Ozeane angesäuert und erhitzt auf die Temperatur von Badewannen.
Leider könnte dies ein Vorbote dafür sein, wohin wir gehen. „Das ist es, was Klimamodellierern Angst macht“, sagt Huber. „Bei dem Tempo, in dem wir unterwegs sind, werden wir die Zeit zurückdrehen, um diese Zeiten extremer Wärme zu bewältigen.“ Deshalb hilft uns das Verständnis der Rolle von Kohlendioxid beim vergangenen Klimawandel, den zukünftigen Klimawandel vorherzusagen.
Das hört sich ziemlich schlecht an.
Ja.
Ich bin wirklich beeindruckt, wie viele Paläoklimadaten wir haben. Aber wie funktioniert ein Klimamodell?
Gute Frage! In der Wissenschaft können Sie nur dann ein Modell erstellen, wenn Sie die Grundprinzipien verstehen, die dem System zugrunde liegen. Die bloße Tatsache, dass wir in der Lage sind, gute Modelle herzustellen, bedeutet, dass wir verstehen, wie dies alles funktioniert. Ein Modell ist im Wesentlichen eine vereinfachte Version der Realität, basierend auf dem, was wir über die Gesetze der Physik und Chemie wissen. Ingenieure bauen mithilfe mathematischer Modelle Strukturen, auf die sich Millionen von Menschen verlassen, vom Flugzeug bis zur Brücke.
Unsere Modelle basieren auf einem Datenrahmen, von dem ein Großteil aus den paläoklimatischen Proxies stammt, die Wissenschaftler aus allen Teilen der Welt gesammelt haben. Deshalb ist es so wichtig, dass Daten und Modelle miteinander kommunizieren. Wissenschaftler testen ihre Vorhersagen anhand von Daten aus der fernen Vergangenheit und versuchen, auftretende Diskrepanzen zu beheben. „Wir können in die Vergangenheit reisen und die Ergebnisse dieser Modelle bewerten und validieren, um bessere Vorhersagen darüber zu treffen, was in Zukunft passieren wird“, sagt Schmidt.
Hier ist ein Modell:
Es ist hübsch. Ich höre jedoch, dass die Modelle nicht sehr genau sind.
Modelle sind von Natur aus immer falsch. Denken Sie an sie als Annäherung, unsere beste Vermutung.
Aber fragen Sie sich: Geben uns diese Vermutungen mehr Informationen als bisher? Liefern sie nützliche Vorhersagen, die wir sonst nicht hätten? Erlauben sie uns, neue, bessere Fragen zu stellen? „Wenn wir all diese Teile zusammenfügen, erhalten wir etwas, das dem Planeten sehr ähnlich ist“, sagt Schmidt. „Wir wissen, dass es unvollständig ist. Wir wissen, dass es Dinge gibt, die wir nicht aufgenommen haben. Wir wissen, dass wir etwas Falsches eingebaut haben. Aber die Grundmuster, die wir in diesen Modellen sehen, sind erkennbar… als die Muster, die wir die ganze Zeit in Satelliten sehen. “
Wir sollten also darauf vertrauen, dass sie die Zukunft vorhersagen.
Die Modelle reproduzieren getreu die Muster, die wir in der Vergangenheit, Gegenwart und in einigen Fällen in der Zukunft der Erde sehen. Wir sind jetzt an dem Punkt angelangt, an dem wir frühe Klimamodelle - jene der späten 1980er und 1990er Jahre, an denen Schmidts NASA-Team gearbeitet hat - mit der Realität vergleichen können. „Als ich Student war, sagten uns die frühen Models, wie es sich erwärmen würde“, sagt Alley. „Das passiert gerade. Die Modelle sind erfolgreich vorhersagend und erklärend: Sie funktionieren. “Je nachdem, wo Sie stehen, können Sie sagen:„ Oh goody! Wir hatten recht! “Oder„ Oh nein! Wir hatten recht. "
Um die Genauigkeit der Modelle zu überprüfen, greifen die Forscher direkt auf die von Alley und anderen gesammelten Daten zum Paläoklima zurück. Sie führen Modelle in die ferne Vergangenheit und vergleichen sie mit den tatsächlich vorhandenen Daten.
„Wenn wir alte Klimazonen reproduzieren können, in denen wir wissen, was passiert ist, können wir mit diesen Modellen sehr gut wissen, was in Zukunft passieren wird“, sagt Linda Ivany, Paläoklimaforscherin an der Syracuse University. Ivanys Forschungsproxys sind antike Muscheln, deren Muscheln nicht nur die jährlichen Bedingungen, sondern auch einzelne Winter und Sommer, die 300 Millionen Jahre zurückreichen, aufzeichnen. Dies macht sie zu einer wertvollen Möglichkeit, Modelle zu überprüfen. "Je besser die Modelle die Vergangenheit wiederherstellen können", sagt sie, "desto besser können sie die Zukunft vorhersagen."
Das Paläoklima zeigt uns, dass sich das Klima auf der Erde dramatisch verändert hat. Bedeutet das nicht, dass die heutigen Veränderungen in einem relativen Sinne keine große Sache sind?
Wenn Richard Alley versucht, die Schwere des vom Menschen verursachten Klimawandels zu erklären, ruft er oft ein bestimmtes jährliches Phänomen hervor: die Waldbrände, die jedes Jahr in den Hügeln von Los Angeles lodern. Diese Brände sind vorhersehbar, zyklisch und natürlich. Aber es wäre verrückt zu sagen, dass es in Ordnung ist, Brandstifter auch Feuer machen zu lassen, da Feuer die Norm sind. Ebenso bedeutet die Tatsache, dass sich das Klima in Millionen von Jahren verändert hat, nicht, dass künstliche Treibhausgase keine ernsthafte globale Bedrohung darstellen.
"Unsere Zivilisation basiert auf einem stabilen Klima und Meeresspiegel", sagt Wing, "und alles, was wir aus der Vergangenheit wissen, besagt, dass sich Klima und Meeresspiegel radikal ändern, wenn Sie viel Kohlenstoff in die Atmosphäre bringen."
Seit der industriellen Revolution haben menschliche Aktivitäten dazu beigetragen, den Globus um 2 Grad Celsius zu erwärmen, ein Viertel dessen, was Schmidt als „Eiszeiteinheit“ ansieht - die Temperaturänderung, die die Erde zwischen einer Eiszeit und einer Nichteiszeit durchläuft. Die heutigen Modelle sagen eine weitere Erwärmung um 2 bis 6 Grad Celsius bis 2100 voraus - mindestens 20-mal schneller als in den letzten 2 Millionen Jahren.
Natürlich gibt es Unsicherheiten: „Wir könnten darüber debattieren, ob wir ein bisschen zu optimistisch sind oder nicht“, sagt Alley. "Aber nicht viel Debatte darüber, ob wir zu beängstigend sind oder nicht." In Anbetracht dessen, wie richtig wir vorher waren, sollten wir die Geschichte auf eigene Gefahr ignorieren.
