So funktioniert der natürliche Klimawandel

Vulkane können einen großen Einfluss auf das Klima der Erde ausüben – allerdings nur wirklich große Ausbrüche. Supereruptionen sind die höchste Explosionsstufe von Vulkanen. Sie schleudern etwa ein Billion Tonnen geschmolzenes Gestein aus dem Erdinnern in die Atmosphäre. Bild: Toby Elliott/unsplash

Sonne, Vulkane, Meeresströmungen

So funktioniert der natürliche Klimawandel

Das Klima ändert sich auch ohne menschgemachtes CO2. Was ist der Unterschied zum heutigen Klimawandel?

29. April 2021

Was ist der “natürliche Klimawandel”?

Wer über den „Klimawandel“ spricht, meint damit meist die Erderwärmung seit der Industrialisierung. Also die Veränderung des Klimas durch Treibhausgase, die Menschen in die Atmosphäre entlassen, indem sie Kohle, Gas und Öl verbrennen. Doch Klimaveränderungen hängen nicht nur davon ab.

Daneben gibt es sogenannte externe und interne Treiber, die seit Jahrmilliarden den natürlichen Klimawandel unseres Planeten steuern. Externe Klimatreiber wirken von außen auf das Klimasystem. Zu ihnen zählen unter anderem die Zusammensetzung der Atmosphäre, die Sonnen- und Vulkanaktivität, die Plattentektonik und die Bahn der Erde um die Sonne.

Unter „internen Klimatreibern“ verstehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dagegen die Wechselwirkung zwischen der Atmosphäre und den Ozeanen sowie den Eis- und Landflächen. Natürlicher und der vom Menschen verursachte Klimawandel lassen sich nur schwer vergleichen. Trotzdem ist es wichtig, die Veränderungen natürlicher Treiber zu kennen. Denn nur so lässt sich der vom Menschen verursachte Klimawandel einordnen.

Beeinflusst die Sonnenaktivität unser Klima?

Die Sonnenaktivität zählt zu den externen Klimatreibern. Ausschlaggebend sind dabei sogenannte Sonnenflecken. Das sind kleine von Magnetfeldern verursachte schwarze Punkte auf der Oberfläche unseres Zentralgestirns. Obwohl Sonnenflecken weniger Energie in Richtung unseres Planeten strahlen, gilt die Regel: Je mehr Sonnenflecken, desto aktiver ist die Sonne, desto höhere Energien wirken auf die Erde.

Eine starke Sonnenaktivität produziert nicht nur dunkle Flecken, sondern auch helle Fackelgebiete, die die Sonne um etwa 0,1 Prozent intensiver leuchten lassen. Dies führt auf unserem Planeten zu einem Temperaturanstieg von etwa 0,1 bis 0,2 Grad Celsius. Allerdings nicht dauerhaft, sondern in einem Rhythmus von durchschnittlich elf Jahren. Oder anders ausgedrückt: Alle elf Jahre bilden sich auf der Sonne besonders viele Flecken, wodurch die Temperatur steigt; in Phasen weniger Sonnenflecken sinkt sie wieder um bis zu 0,2 Grad Celsius.

Geringe Sonnenaktivität führte zur „Kleinen Eiszeit“

Der wohl bekannteste Zeitraum mit auffällig vielen Phasen geringer Sonnenaktivität ist die “Kleine Eiszeit” zwischen 1250 und 1850. In Europa führte sie zu einem massiven Temperaturrückgang mit Ernteausfällen und Hungersnöten. Trotzdem ist umstritten, wie groß der Einfluss geringer Sonnenaktivität tatsächlich ist. Parallel kam es zu vielen heftigen Vulkanausbrüchen, die ebenfalls Einfluss auf das Klima hatten. Wahrscheinlich sind schwache Sonnenstrahlung und vermehrte Vulkanausbrüche gemeinsam für Europas Tiefkühlkeller verantwortlich gewesen.

Einige Wissenschaftler gehen davon aus, dass wir uns wieder auf eine Phase mit sehr geringer Sonnenaktivität zubewegen. Die globale Durchschnittstemperatur könnte sich dadurch um 0,3 Grad Celsius senken. Wirklich kälter wird es dadurch aber nicht, dieser Effekt würde durch den vom Menschen verursachten Klimawandel aufgehoben.

Wie beeinflussen Vulkane unser Klima?

Vulkane können einen großen Einfluss auf das Klima der Erde ausüben – allerdings nur wirklich große Ausbrüche. Supereruptionen sind die höchste Explosionsstufe von Vulkanen. Sie schleudern etwa eine Billion Tonnen geschmolzenes Gestein aus dem Erdinnern in die Atmosphäre. Die dabei ebenfalls freigesetzten Schwefeldioxide und Aerosole gelangen dabei bis in die Stratosphäre, also in eine Höhe von zehn bis 50 Kilometern. Dort verteilen sie sich rund um den Planeten und reflektieren einen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung zurück in den Weltraum. Folge: Die Temperaturen sinken, zumindest kurzfristig.

Natürlicher Klimawandel: Gigantische Ausbrüche lassen Temperaturen sinken

Als 1991 der Pinatubo auf den Philippinen ausbrach, sank der globale Temperaturdurchschnitt zeitweise um 0,4 Grad Celsius. Ein solcher Kühleffekt wird auch “vulkanischer Winter” genannt. Es gibt aber auch Supervulkane, deren Magmakammern um ein Vielfaches größer sind als die normalen Vulkane.

Der Toba auf Sumatra ist so ein Supervulkan. Als er vor etwa 74.000 Jahren das letzte Mal ausbrach, schleuderte er im Vergleich zum Pinatubo ungefähr 100-mal mehr Aerosol und Schwefeldioxid in die Stratosphäre. Manche Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Temperaturen dadurch global um 3,5 Grad Celsius sanken und zu den kühlsten 1000 Jahren der letzten Eiszeit geführt haben.

Wie kam es zu den starken CO2-Änderungen der Vergangenheit?

Aktuell beträgt der CO2-Gehalt der Atmosphäre 417 Teile pro eine Million Luftteile, kurz ppm. Während der gesamten Erdgeschichte hat sich dieser Wert ständig geändert. Zum Beispiel gab es in den letzten 420 Millionen Jahren Phasen, in denen die CO2-Konzentration über 2000 ppm betrug, in anderen Phasen aber bei nur 100 ppm lag.
CO2-Variation der letzten 420 Millionen Jahre. Eigene Darstellung basierend auf dem Datensatz von Foster et al. (2017)

Hohe CO2-Werte lassen sich einmal zurückführen auf Phasen globaler Vulkanaktivität. Bei Vulkanausbrüchen gelangten große Mengen an CO2 in die Atmosphäre. Andererseits entlassen Vulkane auch an ihren Rändern CO2 in die Atmosphäre, ohne dass sie dazu ausbrechen müssen. Generell gilt: Je aktiver Vulkane sind, desto stärker entgasen sie. Der Ätna auf Sizilien gilt als der stärkste ausgasende Vulkan der Welt.

Ein weiterer Grund sind enorme Massen kalkhaltiger Gesteine, die aus den Ozeanen herausgehoben wurden, an der Erdoberfläche verwitterten und dabei riesige Mengen von Kohlendioxid freisetzten.

Versunkene Urwälder speicherten CO2

Phasen mit sehr niedriger CO2-Konzentration haben andere Ursachen. Während sich die Erdplatten gegeneinander verschoben, gelangten gewaltige Mengen an Mineralen an die Erdoberfläche. Diese konnten nur verwittern, indem sie der Atmosphäre gigantische Mengen Kohlendioxid entzogen.

Vor rund 300 Millionen Jahren bildete sich zudem eine gigantische CO2-Senke. Über Jahrmillionen versanken riesige Urwälder in sumpfigen Böden und mit ihnen das in den Bäumen gespeicherte CO2. Folge: Der CO2-Gehalt sank von 1000 ppm auf 100 ppm. Es sind übrigens die versunkenen Urwälder, die wir Menschen heute in Form von Kohle, Erdöl und Erdgas nutzen und so das damals gespeicherte Kohlendioxid in die Atmosphäre entlassen.

In den letzten 800.000 Jahren aber war der CO2-Gehalt der Atmosphäre relativ konstant. Eisbohrkerne aus der Antarktis belegen, dass er nie oberhalb von 290 ppm lag, was sich seit Beginn der Industrialisierung dramatisch geändert hat.

CO2-Eiskerndaten aus der Antarktis. Eigene Darstellung basierend auf dem Datensatz der EPICA Community Members (2004)

Wie wird der CO2-Gehalt der Atmosphäre gesteuert?

Kohlendioxid ist ein wichtiges Treibhausgas und ein wesentlicher Klimatreiber. Steigt der CO2-Gehalt in der Atmosphäre an, hat das direkten Einfluss auf die Temperatur unseres Planeten: Die globale Durchschnittstemperatur klettert nach oben. Würde das CO2 und alle anderen Treibhausgase komplett entfernt, müssten wir uns im wahrsten Sinne des Wortes warm anziehen. Denn die Durchschnittstemperatur läge bei minus 18 Grad Celsius.

Gesteuert wird das CO2 über gewaltige Austauschkreisläufe zwischen der Atmosphäre, den Ozeanen und dem Land. Konkret kann man sich das so vorstellen: Gelangt CO2 in die Atmosphäre, wird ein großer Teil des Gases direkt wieder der Atmosphäre entzogen. An Land geschieht das zum Beispiel durch die Fotosynthese der Vegetation. Weil auch Bäume und Pflanzen atmen, geben sie aber einen Teil des CO2 wieder an die Atmosphäre ab. Am Ende ihres Lebenszyklus schließlich zersetzen Insekten und Bakterien die Biomasse von Pflanzen sowie Bäumen und binden das Kohlendioxid so in den Boden ein. Da aber auch Mikroorganismen atmen, gelangt ein Teil des CO2 über diesen Weg wieder in die Atmosphäre.

Ozeane speichern riesige Mengen CO2

In den Ozeanen laufen vergleichbare Prozesse ab. Sie nehmen CO2 aus der Atmosphäre auf und zersetzen es chemisch. Den Kohlenstoff nutzen anschließend Tiere für den Aufbau ihrer Schalen oder Kalkskelette. Nach ihrem Tod werden sie chemisch zersetzt und der Kohlenstoff gelangt als CO2 wieder in die Atmosphäre zurück. In den letzten 800.000 Jahren wurde der CO2-Gehalt der Atmosphäre durch diese Vorgänge im Gleichgewicht gehalten.


Was macht die Erwärmung mit den Ozeanen? Hier lesen.


Wie verändert sich das Klima, wenn sich Erdplatten verschieben?

Wenn sich die Erdplatten bewegen, können sie das gesamte Klima verändern – sie werden zu externen Klimatreibern, das heißt, sie bewirken eine Klimaveränderung von außen.

Ein Beispiel: Als die nord- und südamerikanischen Erdplatten sich vor vier Millionen Jahren gegeneinander verschoben, entstand eine Landbrücke (heutiges Mittelamerika). Diese Barriere verhinderte, dass warme und salzreiche tropisch-atlantische Wassermassen in den östlichen Pazifik flossen. Stattdessen wurden sie in die hohen nördlichen Breiten umgelenkt. Dieser Vorgang gilt als Geburtsstunde des warmen Golfstroms, der seitdem das Klima in Europa beeinflusst.

Kalte Meeresströmung um die Antarktis

Ein anderes Beispiel ereignete sich am Südpol vor 60 Millionen Jahren. In mehreren Phasen löste sich die südamerikanische von der antarktischen Platte. Die Drake-Meeresstraße entstand. Vor ungefähr 35 Millionen Jahren löste sich die australische von der antarktischen Platte und die Tasmanische Meeresstraße öffnete sich. Da es nun zwischen der antarktischen und den andern Kontinentalplatten keine Landbrücken mehr gab, konnte sich eine sehr kalte Meeresströmung ausbilden. Die verläuft einmal um die Antarktis herum. Diese Strömung trug dazu bei, dass die Antarktis zum ersten Mal komplett zufror. Bis heute stabilisiert sie das antarktische Kälteklima.

Was passiert, wenn der Golfstrom abbricht?

Der Golfstrom ist wichtig für das Klima in Europa. Er transportiert tropische Wärme und Feuchte bis in die hohen nördlichen Breiten. Im Film „The Day After Tomorrow“ von Roland Emmerich versiegt der Golfstrom wegen abschmelzender Polkappen. Folge: Es kommt zu einer neuen Eiszeit. Wie realistisch ist das Szenario?

Vor 8.200 Jahren fand ein Ereignis statt, dass uns zeigt, was dann passieren könnte. Klimaforschende nennen es das „8.2-Event“: Zu Beginn der heutigen Warmzeit, vor etwa 11.700 Jahren, waren die mächtigen Eisschilde noch nicht vollständig abgeschmolzen. Vor 8.200 Jahren brach der nordamerikanische Eisschild aber schließlich durch steigende Temperaturen endgültig zusammen. Riesige Schmelzwassermassen konnten nun aus den großen nordamerikanischen Seen in den Nordatlantik fließen.


Was passiert, wenn alles Eis der Arktis geschmolzen ist, erklären wir hier.


Weil kaltes Süßwasser eine geringere Dichte als Salzwasser hat, lagerte es sich in riesigen Wasserlinsen in den oberen Schichten des Nordatlantiks ab. Der Golfstrom, selbst ein warmer Oberflächenstrom, war noch nicht salzig genug, um diese Süßwasserlinsen zu durchbrechen. Der Golfstrom wird damit unterbrochen. Dies führte dazu, dass der Golfstrom während des “8.2-Events” in einen fast 100-jährigen Dornröschenschlaf fiel mit der Folge, dass Europa einen Temperaturabsturz von zwei Grad Celsius erlebte.

Golfstrom heute so schwach wie seit 1000 Jahren nicht

Und heute? Erst Anfang 2021 hatten Forschende des Potsdamer Instituts für Klimafolgenforschung dazu eine Studie im Fachmagazin „Nature Geoscience“ veröffentlicht. Sie zeigt, dass der Golfstrom heute so schwach ist, wie seit 1000 Jahren nicht mehr. Ursache dafür ist der menschengemachte Klimawandel. Durch das Abschmelzen des grönländischen Eisschildes und erhöhte Niederschläge wird dem Nordatlantik zunehmend Süßwasser zugeführt. Der Golfstrom ist auch dadurch schwächer geworden. Wird er noch schwächer, könnte das zu einer Zunahme von Extremwetterereignissen in ganz Europa führen.

Jan Tolzmann
Jan Tolzmann ist promovierter Klimawissenschaftler, hat als Meteorologe auf einer Wüstenforschungsstation in Namibia und auf Grönland gearbeitet. Seine Schwerpunkte sind Klimawandel und Nachhaltigkeit.

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5 Kommentare;

  1. „Zum Beispiel gab es in den letzten 420 Millionen Jahren Phasen, in denen die CO2-Konzentration über 2000 ppm betrug, in anderen Phasen aber bei nur 100 ppm lag“.

    Später heißt es:

    „Eisbohrkerne aus der Antarktis belegen, dass er nie oberhalb von 290 ppm lag, was sich seit Beginn der Industrialisierung dramatisch geändert hat“.

    Vorher hieß es doch, dass die Konzentration mal bei über 2000 ppm betrug. Wie kann man dann später sagen dass er nie oberhalb von 290 ppm lag? Ich würde mich freuen, wenn mir das jemand kurz erläutern könnte.

  2. Das Ereignis 9/11/2001 hat Erinnerung geprägt. Der Flugverkehr in den USA und weltweit kam zum Erliegen.
    Danach berichteten Augenzeugen und Medien, dass die Luft, der Himmel noch nie so klar war. Der Luftverkehr trägt offensichtlich zur Luftverschmutzung bei, Sonnenstrahlen konnten diesmal ungehindert die Erde erwärmen.
    Derzeitige Corona-Pandemie führt erneut zum Erliegen des Luftverkehrs. Wieder ist die Luft sauber wie nie, die Sonne erwärmt die Erde ungehindert.
    Hitzerekorde wurden in diesem Jahr dort gemessen, wo sonst Kondensstreifen (und Eis-Wolken) den Himmel bedecken.
    In den Klimadiagrammen findet Klimaerwärmung mit Beginn der 1990er statt. Also zeitgleich mit Ende des Ostblocks.
    Mit Ende des Ostblocks wurden dortige Industrien still gelegt und die Luftverschmutzung beendet.
    Für mich besteht daher ein Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und „Klimaerwärmung“: Folglich wenn die Luft sauber ist, wird es wärmer.

  3. Egal wie das Wetter ist – in den Medien ist alles „Klimawandel“. Der offensichtlich Grund für diese Dauer-Alarmstimmung ist die Parteien-Politik: Parteien überbieten sich gegenseitig mit „Klimaschutz“. Aber nicht das „Klima“ hat den Nutzen, sondern vor allem die Industrie. Zum Beispiel werden E-Autos mit weniger Arbeitern und billiger hergestellt, aber teurer als „Verbrenner“ verkauft.

  4. wichtiger Beitrag – finde in vielen Artikeln zum Klimawandel fehlt die Erwähnung bzw. Einordnung des natürlichen Klimawandels

  5. Phantastisch, wie das alles zusammen funktioniert . Trotzdem sollten wir bei allem was wir meinen tun zu müssen SEHR VORSICHTIG sein, da es keine 2te Erde gibt.

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Jan Tolzmann: Jan Tolzmann ist promovierter Klimawissenschaftler, hat als Meteorologe auf einer Wüstenforschungsstation in Namibia und auf Grönland gearbeitet. Seine Schwerpunkte sind Klimawandel und Nachhaltigkeit.