Die natürliche Variabilität der atmosphärischen CO2 Konentration seit der letzten Eiszeit anhand von Messungen an antarktischen Eisbohrkernen

Monnin, Eric (2004). Die natürliche Variabilität der atmosphärischen CO2 Konentration seit der letzten Eiszeit anhand von Messungen an antarktischen Eisbohrkernen (Unpublished). (Dissertation, Universität Bern, Philosophisch–naturwissenschaftliche Fakultät, Physikalisches Institut, Abteilung für Klima– und Umweltphysik)

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Die aktuelle jährlich Zunahme der CO2-Konzentration von 1.5 ppmv (Millionstel Volumenanteile) [IPCC, 2001; Keeling and Whorf, 2004] ist eine der vielen Folgen menschlicher Einwirkungen in die Natur. Seit den ersten Messungen der CO2-Konzentration der Erdatmosphäre im Jahre 1958 ist die CO2-Konzentration von 315 ppmv auf 373 ppmv (Stand 2002) angestiegen [Keeling and Whorf, 2004]. Der Grund für diese Zunahme liegt in der Verbrennung fossiler Energieträger.
CO2 ist nach Wasserdampf das wichtigste Treibhausgas. Zusammen mit der Erhöhung der anderen Treibhausgase Methan, N2O sowie CFC’s ist der CO2-Anstieg der Grund, dass der Grossteil der in den letzten 50 Jahren beobachteten Erwärmung menschlichen Aktivitäten zuzuschreiben ist [IPCC, 2001].
Angesichts dieser Tatsachen ist es von grossem Interesse, die CO2-Konzentration der Vergangenheit zu kennen. Einerseits ist es wichtig, die heutigen, vom Menschen beeinflussten CO2-Konzentrationen mit den natürlich vorkommenden Konzentrationen und deren Variabilität vergleichen zu können. Andererseits ist es für das Verständnis unseres Klimasystems und somit auch für Voraussagen des zukünftigen Klimas sehr hilfreich, vergangene Klimaänderungen und CO2-Konzentrationen vergleichen zu können.
Polare Eisbohrkerne enthalten Luftblasen mit eingeschlossener Luft aus der Vergangenheit. Die Analyse dieser Luft ermöglicht eine Rekonstruktion der damaligen CO2-Konzentration. Figur 1.1 zeigt den Verlauf der CO2-Konzentration der letzten 420’000 Jahre anhand von Messungen an den Eisbohrkernen von Vostok [Petit et al., 1999], Taylor Dome [Indermühle et al., 2000; Indermühle et al., 1999], Dome C [Monnin et al., 2001; Monnin et al., 2004] (Kapitel 3 und 7 dieser Arbeit), DML [Siegenthaler et al., 2004](Kapitel 8), Siple [Neftel et al., 1985] und direkten atmosphärischen Messungen nach 1958 [Keeling and Whorf, 2004]. Aus diesen Messreihen ist klar ersichtlich, dass die CO2-Konzentration in den letzten 420'000 Jahren noch nie so hoch war wie heute mit 373 ppmv. Die natürlichen CO2-Konzentrationen variierten in dieser Zeit in einem Bereich zwischen 180 und 280 ppmv.
Das Klima der letzten 420’000 Jahre war von 4 Eiszeiten geprägt, die durch Warmzeiten in einem Zyklus von etwa 100’000 Jahren unterbrochen wurden. Ein Vergleich der CO2-Konzentration mit der Temperatur zeigt eine sehr gute Korrelation. In den Warmzeiten beträgt die CO2-Konzentration jeweils zwischen 260 und 280 ppmv, in den Eiszeiten sind CO2-Konzentrationen von etwa 200 ppmv üblich.
In Kapitel 2 wird ein Überblick der Konzentration der Treibhausgase CO2, Methan und N2O der letzten 60’000 Jahre präsentiert. In dieser Zeit zeigen alle drei Treibhausgase signifikante Änderungen, die im Falle von CO2 eine gute Korrelation mit den Antarktistemperaturen und im Falle von Methan mit den Grönlandtemperaturen aufweisen.
Es stellt sich die Frage, ob die Korrelation von Antarktistemperatur und CO2 auch in den Details des CO2-Verlaufs im Übergang von der letzten Eiszeit ins Holozän zu sehen ist. Detaillierte Messungen in Kapitel 3 am Dome C Eisbohrkern zeigen, dass der CO2-Anstieg von 76 ppmv über vier Intervalle mit unterschiedlichen Anstiegsraten erfolgte. Die Korrelation von CO2 und Temperatur auf Dome C ist auch während dieser Zeit sehr gut, doch zeigen zwei schnelle CO2-Anstiege, die synchron mit schnellen Klimaänderungen in Grönland eintreten, dass Klimaveränderungen im Norden ebenfalls einen Einfluss auf die CO2-Konzentration haben.
Unsere Kenntnisse über die Ursachen des CO2-Anstiegs von der letzten Eiszeit ins Holozän sind immer noch mit vielen Ungewissheiten behaftet. Die möglichen Ursachen der CO2 Variationen liegen in Änderungen der Temperatur, Biologie (Eisendüngung), Eisbedeckung, Meerespiegel und Zirkulation der Ozeane. Die genaue Kenntnis des CO2-Verlaufs eröffnet die Möglichkeit, die zeitliche Übereinstimmung von verschiedenen klimatischen Ereignissen mit den Änderungen der CO2-Konzentration vergleichen zu können. In Kapitel 4 werden Rekonstruktionen der Temperatur im Indischen Ozean präsentiert. Die gute Korrelation zwischen der Ozeantemperatur und der CO2-Konzentration stützen die Annahme, dass die Erwärmung der Ozeanoberfläche einen Beitrag zum CO2-Anstieg geleistet hat.
In Kapitel 5 werden Messungen der Kalziumablagerungen der letzten 60’000 Jahren auf Dome C gezeigt. Der nicht vom Meersalz stammende Anteil des Kalziums ist ein Indikator für den windgetriebenen Eiseneintrag in den Ozean. Sehr starke Änderungen der Kalziumkonzentrationen in der Eiszeit, als die CO2-Konzentration nur kleineren Variationen unterlag, weisen auf einen limitierten Einfluss der Eisendügung auf die CO2-Konzentration hin.
Trotz der Komplexität des Themas wird in Kapitel 6 versucht, durch den Vergleich verschiedener Datensätze am Dome C-(Antarktis) und GRIP-Eisbohrkern (Grönland) die wichtigsten Mechanismen des Eiszeit-Holozän CO2-Anstiegs quantitativ zu erfassen.
Das Holozän zeichnet sich durch ein warmes und besonders stabiles Klima aus. Dass die CO2-Konzentration während dieser Zeit dennoch von 260 auf 280 ppmv angestiegen ist, haben Indermühle et al. [1999] anhand von Messungen an Taylor Dome Eisproben gezeigt. Messungen an den Dome C- und DML-Eisbohrkernen von Kapitel 7 bestätigen die Amplitude dieses Anstiegs. Es existieren aber Unstimmigkeiten bezüglich dem zeitlichen Verlauf des CO2-Anstiegs, die auf Unterschiede in den jeweiligen Zeitskalen zurückzuführen sind.
Durch Messungen an Eisbohrkernen wissen wir, dass die vorindustrielle CO2-Konzentration 280 ppmv war. Trotzdem bestehen kleine Unstimmigkeiten zwischen verschiedenen Messreihen bezüglich kleinen Variationen von einigen ppmv im letzten Jahrtausend. Detaillierte Messungen an DML Proben in Kapitel 8 können einen Grossteil dieser Ungewissheiten lösen.
Bei jeder Messung stellt sich die zentrale Frage nach deren Fehler. Kapitel 9 und 10 umfassen eine kritische Analyse der Zuverlässigkeit der in dieser Arbeit vorgestellten CO2-Messungen.

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