Das Rätsel der Eiszeiten, Teil VI: Hypothesen im Überfluss
Man findet allgemein Blogs und Artikel aus einer Ecke, die wir die „Klimakonsens-Ecke“ nennen können, mit dem Inhalt, dass wir die Gründe kennen, die die Eiszeiten verursacht haben. Diese Gründe waren Änderungen der Sonneneinstrahlung in höheren Breiten durch die orbitalen Änderungen, die in den Teilen IV und V beschrieben worden sind. Das Ganze läuft unter der Rubrik „Milankovitch-Theorie“. Während diese Auffassung in vielen Studien der Klimawissenschaft vorherrscht, wird der Fall immer klarer. Oder, vielleicht sollte ich besser sagen: Es wird immer klarer, dass der Gegenstand von Klarheit eigentlich weit entfernt ist. Er ist im Gegenteil höchst verschwommen.
Smith & Gregory (2012) schreiben beispielsweise:
Allgemein wird akzeptiert, dass das Timing der Eiszeiten mit Änderungen der Sonneneinstrahlung, die aus dem Erdorbit um die Sonne resultieren (Hays et al. 1976 ; Huybers und Wunsch 2005), verbunden ist. Diese solaren Strahlungs-Anomalien müssen durch Rückkopplungs-Prozesse innerhalb des Klimasystems verstärkt worden sein, einschließlich der Änderungen der atmosphärischen Treibhausgas-Konzentrationen (Archer et al. 2000) und dem Wachstum von Eisschilden (Clark et al. 1999). Während es von Hypothesen hinsichtlich der Details dieser Rückkopplungen nur so wimmelt, bleibt keine von Kritik verschont. Wir können also keinesfalls behaupten zu wissen, wie das System Erde die Klimata geschaffen hat, die wir in zahlreichen Proxy-Aufzeichnungen finden.
So weit Smith & Gregory (2012).
Immer noch gibt es in jedem Bereich Ausreißer. Ein einzelnes paper demonstriert noch keinen Konsens – zu was auch immer. Unternehmen wir also einen Spaziergang durch diese von Smith & Gregory angesprochenen Unsicherheiten.
Einstrahlung im Winter der Nordhemisphäre in hohen Breiten
Kukla (1972) schreibt:
Die Verbindung zwischen dem Milankovitch-Mechanismus und dem Klima bleibt unklar. Sommerliche Verläufe der halbjährlichen Einstrahlung auf 65°N werden normalerweise zusammen mit der Hypothese angeboten, dass die einfallende Strahlung direkt den Rückzug oder die Vorstöße von Gletschern beeinflusst und somit das globale Klima kontrolliert.
Schon vor langer Zeit wurde diese Hypothese in Frage gestellt, und zwar von Croll (1875) und Ball (1891). Heutige Satellitenmessungen rechtfertigen Crolls Konzept der Klimaformation in vollem Umfang, wobei die Meeresströmungen eine grundlegende Rolle bei der Verteilung von Wärme und Feuchtigkeit über den Kontinenten spielen. Das vereinfachende Modell von Koppen und Wegener muss daher definitiv aufgegeben werden.
…Es zeigte sich, dass die prinzipiell kalten Perioden innerhalb der Genauigkeitsgrenzen radiometrischer Datierungen genau parallel mit Intervallen abnehmender Einstrahlung auf der Nordhemisphäre auftraten und umgekehrt. Große Klimaänderungen nahmen ihren Anfang in den Wintern auf den Kontinenten der Nordhemisphäre.
Interessehalber für Geschichts-Freaks: Kukla schreibt auch noch:
Zwei Fakten sind sehr wahrscheinlich:
(1) Im Jahre 2100 wird der Globus kälter sein als heute (Bray 1970), und
(2) eine vom Menschen verursachte Erwärmung wird im globalen Maßstab zu jener Zeit kaum erkennbar sein.
So weit zu Kukla.
Eigenoszillationen des Klimasystems
Broecker & Denton (1990) schreiben:
Obwohl wir davon überzeugt sind, dass das Erdklima in gewisser Weise auf orbitale Zyklen reagiert, weisen wir den Standpunkt einer direkten Verbindung zwischen Saisonabhängigkeit und Größe der Eisschilde mit der Konsequenz eines sich ändernden Klimas in weit entfernten Gebieten zurück. Eine solche Verbindung kann synchrone Klimaänderung gleicher Größenordnung in beiden polaren Hemisphären nicht erklären. Auch kann sie nicht als Erklärung für die Schnelligkeit des Übergangs von voll eiszeitlichen in voll zwischeneiszeitliche Bedingungen dienen. Falls die globalen Klimata wirklich von Änderungen der Saisonabhängigkeit getrieben werden, muss es eine andere Verbindung geben.
Wir schlagen vor, dass Eiszeitzyklen im Quartär von abrupten Neuanordnungen des Systems Ozean-Atmosphäre angetrieben werden durch orbital induzierte Änderungen im Transport von Süßwasser, die die Salzverteilung im Ozean beeinflussen. Diese Neuanordnungen markieren Änderungen zwischen stabilen Zuständen der Wechselwirkung des Systems Ozean-Atmosphäre. Obwohl wir glauben, dass Eiszeitzyklen durch orbitale Änderungen getrieben werden, sehen wir keine Grundlage für die Zurückweisung der Möglichkeit, dass die Zustandsänderungen Teil einer sich selbst erhaltenden internen Oszillation sind, die selbst noch beim Fehlen von Änderungen der Erdorbit-Parameter funktionieren würde. Falls das so sein sollte, wie von Saltzman et al. (1984) gezeigt, können orbitale Zyklen lediglich ein selbstoszillierendes Klimasystem modulieren.
Bestehende Daten vom Gletschersystem der Erde implizieren folglich, dass der jüngste Rückzug simultan und abrupt in beiden polaren Hemisphären eingesetzt hat. Dies trotz der Tatsache, dass die sommerlichen Einstrahlungs-Signale in den Breiten der zentralen Eiszeitaufzeichnungen außer Phase waren. Obwohl Änderungen der orbitalen Geometrie der Erde sehr wahrscheinlich der Grund für Eiszeitzyklen sind (Hays et al. 1976, Imbrie et al. 1984), bleibt die Natur der Verbindung zwischen jahreszeitlicher Einstrahlung und dem globalen Klima eine im Wesentlichen unbeantwortete Frage.
So weit Broecker & Denton (1990).
Streng genommen ist dies eine „Nicht-Ganz-Milankovitch-Theorie” (und es gibt Nebenaspekte dieser Theorie, die hier nicht behandelt werden). Ich habe diese Studie in den Vordergrund gerückt, weil Wallace S. Broecker ein sehr einflussreicher Klimawissenschaftler auf diesem Gebiet ist, und weil sein paper die thermohaline Zirkulation (THC) im Klima der Vergangenheit angesprochen hat. Er hat viele papers geschrieben und scheint allgemein an einem „Milankovitch-Aspekt“ bei seinen Theorien festzuhalten.
Temperaturgradient zwischen niedrigen und hohen Breiten
George Kukla, Clement, Cane, Gavin & Zebiak (2002) schreiben:
Obwohl allgemein angenommen wird, dass die Verbindung zwischen Einstrahlung und Klima in hohen nördlichen Breiten im Sommer zu suchen ist, zeigen unsere Ergebnisse, dass der Beginn der jüngsten Vereisung mit einer Änderung der Einstrahlung während der Übergangsjahreszeiten in den niedrigen Breiten verbunden war.
Ein einfaches Ozean-Atmosphäre-Modell zeigt, dass Änderungen im jahreszeitlichen Zyklus der Einstrahlung die Variabilität der El Nino Southern Oscillation (ENSO) verändert haben können, so dass es etwa doppelt so viele ENSO-Warmereignisse zu Beginn der Eiszeit gegeben hat wie während der letzten Zwischeneiszeit. Dies zeigt, dass die Eisbildung in den kühler gewordenen hohen Breiten durch einen sich erwärmt habenden tropischen Pazifik beschleunigt worden sein könnte. Seit Anfang des 19. Jahrhunderts wurde die Verbindung zwischen Einstrahlung und Klima in den hohen Breiten der Nordhemisphäre gesehen, wo die sommerliche Einstrahlung signifikant variiert.
Die Einstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre (TOA) während der Sommersonnenwende bei 65°N wird gewöhnlich herangezogen, um den solaren Antrieb globaler Klimaänderungen zu belegen. Dies steht im Widerspruch zu den Ergebnissen von Berger et al. (1981), die die variierende monatliche Einstrahlung an der TOA in verschiedenen Breiten auf beiden Hemisphären mit den maritimen Sauerstoffisotopen von Hays et al. (1976) korrelierten. Die höchste positive Korrelation fand sich nicht im Juni, sondern im September, und auch nicht in hohen Breiten, sondern in den drei Bändern geographischer Breiten, die die Tropen repräsentieren (25°N, 5°N und 15°S).
Auf den ersten Blick scheinen die Implikationen unserer Ergebnisse nicht eingängig zu sein. Dies zeigt, dass die frühe Bildung von Gletschereis nicht mit einer Abkühlung einhergegangen war, sondern mit einer relativen Erwärmung der tropischen Ozeane. Jüngste Analogien zeigen, dass das sogar mit einer vorübergehenden Zunahme der global gemittelten jährlichen Mitteltemperatur einhergegangen sein könnte. Falls das stimmt, wäre der Hauptauslöser für Vereisungen nicht die Ausdehnung der Schneebedeckung in den subpolaren Gebieten, sondern eher die Zunahme des Temperaturgradienten zwischen niedrigen und hohen Breiten.
So weit George Kukla, Clement, Cane, Gavin & Zebiak (2002).
Ein Puzzle I
George Kukla et al. (2002) schreiben:
Am Ende der letzten Zwischeneiszeit vor über 100.000 Jahren sind die Umweltbedingungen auf der Erde, ähnlich wie heute, abrupt in einen ausgeprägt kälteren Zustand gewechselt. Gletscher wuchsen, der Meeresspiegel sank und die Wüsten dehnten sich aus. Die gleichen Veränderungen gab es auch davor schon viele Male, verbunden mit periodischen Verschiebungen des Erdorbits um die Sonne. Der Mechanismus dieser Änderung, das wichtigste Puzzlesteinchen der Klimatologie, bleibt unbekannt.
So weit George Kukla et al. (2002).
Gradient der Einstrahlung von niedrigen zu hohen Breiten
Maureen Raymo & Kerim Nisancioglu (2003) schreiben:
Auf der Grundlage von Klimaproxy-Aufzeichnungen der letzten 0,5 Millionen Jahre hat sich ein allgemeiner wissenschaftlicher Konsens gebildet, dass Variationen der sommerlichen Einstrahlung in hohen nördlichen Breiten zehntausende Jahre lang einen dominanten Einfluss auf das Klima haben. Die Logik hinter fast einem Jahrhundert währenden Überlegungen zu diesem Thema lautet, dass sich in Zeiten mit reduzierter sommerlicher Einstrahlung etwas Schnee und Eis von Jahr zu Jahr haben halten können – auch während der Schmelzsaison. Eine leichte Zunahme von Jahr zu Jahr zusammen mit einer positiven Schnee-Albedo-Rückkopplung könnte eventuell zu Bedingungen mit voller Vereisung führen. Gleichzeitig wird angenommen, dass die kühlen Sommer von milden Wintern begleitet werden, die mittels Temperatur-Feuchte-Rückkopplung zu einer größeren winterlichen Schnee-Akkumulation führen. Beide Effekte, also geringere Schneeschmelze über den Sommer und größere Schnee-Akkumulation über den Winter, scheinen eine logische und physikalisch haltbare Erklärung für das Wachsen und Schrumpfen von Eisschilden zu sein, wenn sich die Einstrahlung in hohen Breiten ändert.
Dann verweisen sie auf die Probleme mit dieser Hypothese und kommen zu ihrer eigenen Theorie:
Wir sagen, dass der Gradient der Einstrahlung zwischen hohen und niedrigen Breiten die dominante Rolle hinsichtlich des Klimas vor 3 bis 1 Million Jahren spielt, und zwar durch dessen Einfluss auf den polwärts gerichteten Fluss von Feuchtigkeit, die der Treibstoff für das Wachstum der Eisschilde ist.
Und sie schließen mit einem bedeutsamen Kommentar:
Falls es gelänge, ein Modell zu konstruieren, das die Eigenschaften erster Ordnung hinsichtlich der Geschichte der Eiszeiten auf der Erde während des Plio-Pleistozäns abbilden kann, wäre dies ein wichtiger Schritt vorwärts für das Verständnis der dynamischen Prozesse, die die globale Klimaänderung treiben.
So weit Maureen Raymo & Kerim Nisancioglu (2003).
Wir werden in einem späteren Artikel auf die Ergebnisse schauen, die die GCMs (Global Circulation Models) hinsichtlich Beginn und Ende von Eiszeiten liefern.
Sommerliche Einstrahlung in hohen Breiten der Nordhemisphäre
Roe (2006) schreibt.
Die Milankovitch-Hypothese wird weithin als einer der Eckpfeiler der Klimawissenschaft angesehen. Überraschenderweise bleibt die Hypothese trotz umfangreicher Forschungen bzgl. der Verbindung zwischen der globalen Eismenge und Änderungen der Einstrahlung infolge Variationen des Erdorbits nicht klar definiert. In dieser Studie wird eine spezifische Hypothese formuliert, wobei grundlegende physikalische Gesetze herangezogen werden, um zu zeigen, dass es viel informativer ist, die zeitliche Rate der Änderungen des globalen Eisvolumens zu betrachten als sich auf das absolute globale Eisvolumen zu konzentrieren. Mit dieser einfachen und dynamisch-logischen Änderung der Perspektive zeigen wir, dass die verfügbaren Aufzeichnungen eine direkte gegenphasige und verzögerungsfreie Beziehung der Rate der Änderung des globalen Eisvolumens und der sommerlichen Einstrahlung in hohen nördlichen Breiten stützen.
So weit Roe (2006), der es mit sehr hübschen, an die Hypothese angepassten Graphen versieht.
Sommerlänge auf der Südhemisphäre
Huybers & Denton (2008) schreiben:
Wir zeigen, dass die Dauer des Sommers auf der Südhemisphäre eher das antarktische Klima als die Intensität des Sommers der Nordhemisphäre prägt, mit der es sich (oftmals irreführend) mit variiert. Unserer Ansicht nach stammt die fast interhemisphärische Klimasymmetrie im Zeitmaßstab der Bahnschiefe und der Präzession aus einer Reaktion des Nordens auf die lokale Sommerintensität und einer südlichen Reaktion der lokalen Sommerlänge.
So weit Huybers & Denton (2008), die es mit sehr hübschen, an ihre Hypothese angepassten Graphen versehen.
Erwärmung in der Antarktis verändert den atmosphärischen CO2-Gehalt
Wolff et al. (2009) schreiben:
Der Übergang von einem eiszeitlichen zu einem zwischeneiszeitlichen Klima wird gebremst durch Variationen des Erdorbits. Allerdings wird die detaillierte Abfolge von Ereignissen, die zum Ende eiszeitlicher Bedingungen führen, kontrovers diskutiert. Vor allem ist unklar, ob die nördliche oder die südliche Hemisphäre dieses Ende bestimmen. Hier präsentieren wir eine Hypothese für den Beginn und die Fortsetzung eiszeitlicher Verhältnisse, die sich auf die Beobachtung stützt, dass die ursprünglichen Stadien des Endes einer Vereisung nicht unterscheidbar sind von Ereignissen in der Antarktis, die unter der Bezeichnung "Antarktische Isotopische Maxima" bekannt sind. Zu denen kommt es in Eiszeiten häufig. Derartige Erwärmungen in der Antarktis beginnen im Allgemeinen sich mit dem Einsetzen eines warmen Dansgaard-Oeschger-Ereignisses in der Nordhemisphäre umzukehren.
Allerdings folgt der Erwärmung in der Antarktis in den Frühstadien der Abschwächung einer Eiszeit nicht eine abrupte Erwärmung im Norden. Wir zeigen, dass das Fehlen einer antarktischen Klima-Umstellung die Erwärmung im Süden ermöglicht und der damit verbundene Anstieg des atmosphärischen CO2-Gehaltes einen Punkt erreicht, an dem der volle Eisrückgang unvermeidlich wird. Unserer Ansicht nach geht das Ende von Eiszeiten zusammen mit anderen Erwärmungen, die nicht zum Ende der Eiszeit führen, von der Südhemisphäre aus, aber nur spezielle Bedingungen auf der Nordhemisphäre ermöglichen es dem Klima, seine Änderung hin zu zwischeneiszeitlichen Bedingungen abzuschließen.
So weit Wolff et al. (2009).
Ein Puzzle II
In einem paper zum Strahlungsantrieb während Eiszeiten und dem Versuch, die Klimasensitivität zu berechnen, stellen Köhler et al. (2010) fest:
Natürliche Klimavariationen während des Pleistozäns sind immer noch nicht zur Gänze verstanden. Auch wissen wir nicht, wieviel sich die mittlere jährliche Temperatur im Detail ändert oder welche Prozesse für die Größenordnung der Temperaturvariationen verantwortlich sind.
Noch eine Perspektive
Abschließende Kommentare von dem immer wieder faszinierenden Carl Wunsch:
Die schon lange im Raum stehende Frage, wie ein geringer Milankovitch-Antrieb derartig gewaltige Änderungen zwischen Eiszeiten und Zwischeneiszeiten auslösen kann, wird dadurch beantwortet, dass er das nicht macht.
Der Reiz, Zyklen von Eiszeiten und Zwischeneiszeiten mit dem Milankovitch-Antrieb zu erklären, ist eindeutig: es ist eine deterministische "Story"….
Beweise, dass der Milankovitch-Antrieb die Aufzeichnungsdaten „beherrscht“, vor allem in der Eiszeit/Zwischeneiszeit von 100 ka-Jahren, sind sehr dünn und irgendwie nicht plausibel unter dem Umstand, dass die größte hochfrequente Variabilität irgendwo anders liegt. Diese Ergebnisse sind kein Beweis für die stochastische Steuerung der Pleistozän-Vereisungen und auch nicht dafür, dass deterministische Elemente auch nur teilweise ein Faktor sind. Aber die Hypothese des stochastischen Verhaltens sollte nicht einfach so verworfen werden, hat sie doch zumindest eine ähnlich starke Grundlage wie orbitale Effekte. Es ist allgemein die Ansicht in der paläoklimatischen Gemeinschaft, dass die Beschreibung eines Systems als ‚stochastisch‘ gleichbedeutend ist mit ‚unerklärlich‘.
Nichts könnte weiter von der Wahrheit entfernt liegen (z. B. Gardener 1985): stochastische Prozesse enthalten reichlich Physik und Kinematik, die beschrieben und verstanden und sogar vorhergesagt werden können.
Résumé
Dies ist keine erschöpfende Liste von Hypothesen, weil ich definitiv einige nicht gesehen habe (Carl Wunsch beispielsweise nennt in einer anderen Studie mindestens 30 Theorien). Es ist auch möglich, dass ich einige Schlüsselpunkte von mindestens einer Hypothese oben falsch interpretiert habe (und entschuldige mich bei den jeweiligen Autoren, falls das so sein sollte). Der Versuch, die Eiszeiten zu verstehen und der Versuch, die Denkansätze der Klimawissenschaft bzgl. Eiszeiten zu überblicken, sind beides abschreckende Aufgaben.
Was nach all dem klar sein sollte, ist der Umstand, dass es keine „Milankovitch-Theorie“ gibt. Es gibt viele Theorien mit einer gemeinsamen Prämisse: solare Strahlungs-Veränderungen via orbitaler Änderungen „erklären“ den Beginn und das Ende von Eiszeiten. Aber dann kommen sie alle mit jeweils sich widersprechenden Theorien daher, wie diese Änderungen beeinflusst werden. Daher ist höchsten eine dieser Theorien richtig. Und meine gegenwärtige Perspektive – und einer offensichtlichen gemäß der Lektüre von über 50 Studien zu den Gründen der Eiszeiten – ist: die Anzahl der irreführend „Milankovitch-Theorien“ genannten Theorien, die korrekt sind, ist gleich Null.
Link: http://scienceofdoom.com/2013/11/11/ghosts-of-climates-past-part-six-hypotheses-abound/
Die bisherigen Teile:
Teil I und II: http://www.eike-klima-energie.eu/climategate-anzeige/das-raetsel-der-eiszeiten-teil-i-und-ii/
Teil III: http://www.eike-klima-energie.eu/climategate-anzeige/das-raetsel-der-eiszeiten-teil-iii-hays-imbrie-shackleton/
Teil IV: http://www.eike-klima-energie.eu/climategate-anzeige/das-raetsel-der-eiszeiten-teil-iv-umlaufbahnen-jahreszeiten-und-mehr/