Die Erde befindet sich seit etwa 12.000 Jahren im Zeitalter des Holozäns, einer auf eine Kaltzeit folgende wärmeren Periode. Im Verlauf dieser Epoche gab es jedoch etwa 22 abrupt auftretende kältere Phasen, die bis zu mehreren Jahrhunderten andauerten und zur Ausdehnung von Gletschern führten.
"Bis jetzt gab es für dieses Phänomen keine überzeugende Erklärung. Es schien immer etwas zu fehlen", sagt die vom SNF geförderte Alice Paine von der Universität Basel. Vermutet wurden unter anderem der Einfluss von nach Süden treibenden Eisbergen, Schwankungen der Sonnenaktivität oder Änderungen von Meeresströmungen.
Die Postdoktorandin ist nun zusammen mit einem internationalen Team einer weiteren Idee genauer nachgegangen: der Aktivität von Vulkanen. Ihre im Fachjournal Nature Communications publizierte Studie belegt, dass Eruptionen sehr wahrscheinlich der Auslöser für die lang andauernden Kälteperioden waren. Die Forschenden liefern auch eine überzeugende Erklärung für den Mechanismus dahinter.
Gleichzeitige Vulkanausbrüche und Gletscherwachstum
Das Team trug aus verschiedensten Quellen sämtliche Informationen zu starken Vulkanausbrüchen im Holozän zusammen. Davon gab es 51 Stück, viele davon im Westpazifik entlang des sogenannten Pazifischen Feuerrings. In dieser Region befinden sich viele aktive Vulkane, da dort Platten der Erdkruste aneinanderstoßen und sich übereinander schieben, was gewaltige, explosive Eruptionen auslösen kann.
Der Zeitpunkt der Vulkanereignisse konnte mithilfe von Eisbohrkernen aus der Arktis und der Antarktis sowie durch Datierung von in Ascheablagerungen eingeschlossenen organischen Materialien mit äußerster Genauigkeit bestimmt werden. Eine aktualisierte Datierung des Vulkangesteins lieferte zusätzliche Informationen.
Diese Informationen verglichen die Forschenden dann mit dem Auftreten der länger andauernden Kälteperioden im Holozän. Die Datierung dieser Phasen erfolgte vorwiegend anhand von Informationen zur maximalen Ausdehnung von Gletschern. Dies geschah durch die Analyse von Moränen, dem Gesteinsmaterial, das die Eiszungen mitschieben.
Das Resultat: Mehr als achtzig Prozent der Gletscherausdehnungen fanden im gleichen Zeitraum wie mindestens einer der Vulkanausbrüche statt. "Durch die Kombination der Ergebnisse unserer statistischen Analyse mit bestehenden paläoklimatischen Rekonstruktionen sind wir sehr sicher, dass dies kein Zufall ist. Hinzu kommt, dass die Analyse auch alle bisherigen Erkenntnisse zu den Mechanismen unter einen Hut bringt", so Paine.
Temperaturverhältnisse geraten aus dem Gleichgewicht
Gemäß diesen bringt ein Vulkanausbruch die Energiebalance der Erde manchmal so durcheinander, dass sich das Klima global verändert: Durch die Eruption werden Schwefelpartikel in die Atmosphäre geschleudert, die das einfallende Sonnenlicht reflektieren. Dadurch kühlt die Erdoberfläche auf der nördlichen Halbkugel ab.
Das arktische Meereis dehnt sich aus, wodurch der Ozean weniger Wärme an die Atmosphäre abgibt. Dies verändert den Verlauf der Meeresströmungen. Ein regenreiches Tiefdruckgebiet rund um den Äquator verschiebt sich zudem nach Süden - und die kalte Zone vergrößert sich.
"Die ganzen Effekte verstärken sich gegenseitig, das funktioniert nach dem Schneeball-Prinzip", so Paine. Irgendwann ist es dann so kalt, dass die Gletscher anfangen zu wachsen, besonders in höheren Lagen wie in der Schweiz.
Damit dies passiert, müssen allerdings einige Randbedingungen erfüllt sein. Ist der Vulkanausbruch beispielsweise zu schwach, so gelangen die Schwefelpartikel nicht bis in die obere Atmosphäre. Ist er hingegen zu stark, so kann die Staubsäule durch das Gewicht in sich zusammenfallen, so dass vergleichsweise wenig Schwefel in die höhere Atmosphäre gelangt.
Paine betont: Das Phänomen sei nicht zu verwechseln mit dem, was 1816 im "Jahr ohne Sommer" passiert ist. Damals führte die Eruption des Vulkans Tambora im heutigen Indonesien zu einem Temperaturabfall von mehreren Grad, was weltweit Missernten und Hungersnöte auslöste. Der Effekt hielt allerdings nur ein Jahr an, bis die Staubpartikel wieder aus der Atmosphäre verschwunden waren.
Bei den längerfristigen Kältephasen sei dies anders. "Die Schwefelpartikel bringen den Schneeball lediglich ins Rollen. Doch ihre Auswirkungen auf das System Erde halten Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte an, lange nachdem die Partikel wieder aus der Atmosphäre ausgewaschen wurden."
Prognosen sind schwierig
Eine große Frage ist, ob eine solche durch Vulkane ausgelöste Kältephase auch in naher Zukunft eintreten könnte. "Bei den von uns untersuchten Ereignissen befand sich das Klima sozusagen im natürlichen Zustand," gibt die Forscherin zu Bedenken. Aktuell befände es sich aber durch den menschlichen Einfluss in einem noch nie dagewesenen Zustand.
Einige Forschende glauben, dadurch könnte das Klima bei Ereignissen wie Vulkanausbrüchen viel leichter kippen. Andere halten dagegen, ein Vulkanausbruch sei heute nicht mehr als ein Wassertropfen auf einem heißen Stein - angesichts der gerade stattfindenden massiven Veränderungen der Atmosphäre. "Je mehr sich unser Klima verändert, desto komplexer werden die Abläufe," so Paine. "Hier gibt es noch eine riesige Wissenslücke zu schließen."
Pressekontakt:
Alice R. Paine
Departement Umweltwissenschaften
Universität Basel
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E-Mail: alice.paine@unibas.ch