Ein ehrgeiziger Versuch, das Klima der Erde während der letzten 485 Millionen Jahre zu verstehen, brachte eine Geschichte drastischer Schwankungen und deutlich höherer Temperaturen ans Licht, als die Wissenschaft bislang annahm. Dies ist eine Erinnerung an das Ausmaß der Veränderungen, die der Planet bereits durchgemacht hat.
Die am Donnerstag im Fachmagazin Science veröffentlichte Zeitleiste sei die genaueste Rekonstruktion der Temperaturen der Erde in der Vergangenheit, sagten die Autoren. Sie wurde durch die Kombination von mehr als 150.000 Fossilienfundstücken mit modernsten Klimamodellen erstellt und zeigt den engen Zusammenhang zwischen Kohlendioxid und globalen Temperaturen. Zudem enthüllt sie, dass es während des Großteils der Geschichte komplexer Tierarten auf der Erde viel wärmer war.
Das Projekt begann vor fast einem Jahrzehnt, als Wissenschaftler des Smithsonian Institute eine neue Fossilienhalle für das National Museum of Natural History entwarfen. Im Gegensatz zu den meisten anderen paläontologischen Ausstellungen, die eher die Merkwürdigkeiten von Dinosauriern und anderen urzeitlichen Lebewesen in den Vordergrund stellen, sollte die neue Halle Parallelen zwischen der Vergangenheit der Erde und den heutigen Klimaveränderungen ziehen.
Doch als die Kuratoren beschlossen, die Temperatur der Erde im Laufe des Phanerozoikums aufzuzeichnen, stellten sie fest, dass es keinen einheitlichen Zeitrahmen gab. Zwar konnten die Wissenschaftler Schätzungen aus unterschiedlichen Datensätzen und Rekonstruktionen kürzerer Zeiträume zusammenschustern, doch dieser Ansatz ließ viel Raum für Unsicherheit und Fehler.
Die erste Aufgabe bestand darin, eine Datenbank mit Klimaindikatoren zu erstellen – Fossilienfunde, die Hinweise darauf geben, wie die Welt in der Vergangenheit aussah. So spiegelt beispielsweise die Sauerstoffsättigung in den Zähnen ausgestorbener aalartiger Lebewesen, die als Conodonten bekannt sind, die Wassertemperatur in den Ozeanen wider, in denen diese Lebewesen lebten. Die chemische Zusammensetzung der Fette in urzeitlichen Algen zeigt, wie diese ihre Zellwände aufgebaut haben, um mit der Hitze fertig zu werden.
Doch die Datenbank beschränkte sich auf Daten aus den Ozeanen, die nur 70 Prozent der Erdoberfläche bedecken. Und jeder Proxy konnte nur die Temperatur an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt anzeigen. Selbst mit 150.000 Datenpunkten, so Judd, sei es, als würde man versuchen, ein Puzzle mit nur einem Prozent der Teile zusammenzusetzen.
Mithilfe eines Klimamodells könnten Forscher ein besseres, umfassenderes Bild erhalten – doch diese Simulationen könnten je nach den Annahmen, die sie über das Verhalten der Erde treffen, stark voneinander abweichen, und die Wissenschaftler hätten keine Möglichkeit zu wissen, welches Ergebnis richtig ist. Daher griff das Team auf eine Technik namens Datenassimilation zurück, die reale Beweise mit Klimamodellen kombiniert, um strengere und genauere Ergebnisse zu erzielen.
Die Studie legt nahe, dass die Durchschnittstemperatur auf der Erde auf ihrem Höhepunkt 36 Grad Celsius betrug – deutlich mehr als die historischen 14,98 Grad Celsius, die der Planet im letzten Jahr erreichte.
Die Zeitlinie umfasst fast das gesamte Phanerozoikum – das geologische Zeitalter, das mit der Entstehung nichtmikroskopischer, vielzelliger Organismen begann und bis heute andauert. Sie zeigt ein dynamischeres und extremeres globales Klima, als sich die Forscher vorgestellt hatten, sagte Jess Tierney, Klimaforscher an der University of Arizona und Co-Autor der Studie. Verglichen mit Diagrammen, die ausschließlich auf Klimamodellen basieren und tendenziell kleinere, langsamere Temperaturschwankungen darstellen, ist die neue Zeitlinie voller plötzlicher Spitzen und abrupter Veränderungen.
Doch im Einklang mit jahrzehntelanger Klimaforschung liegt die Grafik nahe an Schätzungen des atmosphärischen Kohlendioxids, wobei die Temperaturen proportional zur Konzentration dieses wärmespeichernden Gases steigen. Leider können wir aus dieser Studie nicht erkennen, ob der Temperaturanstieg zum Anstieg des CO2-Gehalts geführt hat (wie in paläoklimatologischen Studien der aktuellen Zwischeneiszeit beobachtet) oder umgekehrt. Tatsächlich nimmt bei sehr langen Untersuchungszeiträumen wie diesem die zeitliche Präzision ab, je weiter wir in die Vergangenheit zurückgehen, und dies erlaubt es uns nicht, sehr abrupte Veränderungen zu erkennen, die sich über einige Dutzend oder Hunderte von Jahren ereignen.
Zu Beginn der Zeitlinie, vor etwa 485 Millionen Jahren, herrschte auf der Erde ein sogenanntes Treibhausklima, ohne Polkappen und mit Durchschnittstemperaturen über 30 °C. In den Ozeanen wimmelte es von Weichtieren und Gliederfüßern, und die ersten Pflanzen begannen gerade, an Land Fuß zu fassen.
In den nächsten 30 Millionen Jahren begannen die Temperaturen langsam zu sinken, da der Luft Kohlendioxid entzogen wurde, bevor sie vor etwa 444 Millionen Jahren in einen Zustand abstürzten, den Wissenschaftler als kalten Treibhauseffekt bezeichnen. Eisschichten breiteten sich über den Polen aus und die globalen Temperaturen sanken um mehr als 10 Grad Celsius. Diese rasche Abkühlung gilt als Auslöser des ersten der „großen fünf“ Massenaussterben der Erde – etwa 85 % der Meeresarten verschwanden, als der Meeresspiegel sank und sich die Chemie der Ozeane veränderte.
Eine noch dramatischere Veränderung ereignete sich am Ende des Perms 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 °C anstieg. Auf allen Kontinenten fiel saurer Regen. Die marinen Ökosysteme brachen zusammen, als die Ozeane zu kochen begannen und ihnen Sauerstoff entzogen wurde.
Die Studie macht auch deutlich, dass die Bedingungen, an die die Menschen gewöhnt sind, sich stark von jenen unterscheiden, die die Geschichte unseres Planeten geprägt haben. Die Forschung legt nahe, dass die Durchschnittstemperaturen während des größten Teils des Phanerozoikums über 22°C lagen und es an den Polen kaum oder gar kein Eis gab. Kaltes Klima – einschließlich unseres eigenen – herrschte nur 13 % der Zeit. Geographisch betrachtet befinden wir uns derzeit in einer Kaltperiode, trotz der globalen Erwärmung, die seit dem Ende der Kleinen Eiszeit vor 150 Jahren zu beobachten ist.
Die neue Temperatur-Zeitlinie wirft ebenso viele Fragen auf, wie sie beantwortet, sagte Wing. Dass weltweit Durchschnittstemperaturen von über 35 Grad Celsius festgestellt wurden, bedeutet, dass es in manchen Teilen des Planeten sogar noch wärmer war – während der wärmsten Zeit der Kreidezeit beispielsweise könnten die Durchschnittstemperaturen im Inneren der Kontinente 50 Grad Celsius erreicht haben. Selbst die widerstandsfähigsten modernen Arten würden in einer derart glühend heißen Umgebung verkümmern.
„Es ist ein Hinweis auf all die Dinge, die wir über die Funktionsweise des Treibhausklimas nicht wissen“, sagte Wing.
Vielleicht waren die Organismen, die sich während des Treibhauseffekts entwickelten, viel besser an extreme Hitze angepasst als die heute lebenden Pflanzen und Tiere, fügte er hinzu. Oder vielleicht waren die globalen Temperaturen während dieser Zeiträume viel gleichmäßiger, und nur wenige Regionen wurden viel kälter oder wärmer als der Durchschnitt.
