Das Erdsystem auf tektonischen Zeitskalen

Die langfristige Entwicklung von Treibhaus- zu Eishausbedingungen während des Känozoikums (der letzten etwa 65 Millionen Jahre) ist durch stufenartige Vergletscherungen in den hohen Breitengraden gekennzeichnet, die die anfänglichen Wurzeln für unser heutiges Klima mit bipolaren Vergletscherungen und großen Temperaturunterschieden von Äquator zu Pole darstellen. Daher kann das Känozoikum als einzigartiges Testfeld dienen, um ein quantitatives, prozessbasiertes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, Rückkopplungen und Schwellenwerte dieser globalen Veränderungen zu entwickeln. In diesem Zusammenhang zielt unsere Forschung darauf ab, zwischen klassischen Hypothesen für Vergletscherungen zu differenzieren, die beispielsweise tektonische Veränderungen und damit verbundene Änderungen der Meereszirkulation oder den Rückgang des atmosphärischen CO2 in Kombination mit der Orbitalkonfiguration der Erde umfassen.

Forschungen zum Klima des Känozoikums können unsere Perspektive auf dynamische Komponenten im Klimasystem erweitern, die möglicherweise schnell zu einem neuen Klimazustand führen, wenn die globale Temperatur einen kritischen Schwellenwert überschreitet. Diese Komponente unserer Forschung schließt daher den Kreis zwischen vergangenem, natürlich bedingtem und zukünftig vom Menschen bedingtem Erwärmungsklima.

Das Studium des Klimas des Känozoikums ist sowohl hinsichtlich der Sammlung von Klimarekonstruktionen als auch aus der Sicht der Klimamodell-Fähigkeiten anspruchsvoll. Letzteres wird durch gezielte Modellentwicklungsarbeiten ermöglicht, die zur Etablierung des Alfred-Wegener-Instituts-Erdsystemmodells führten, das die Simulation des Erdsystems von der klassischen gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Dynamik auf die Berücksichtigung der Dynamik von Vegetation und Eisschilden ausweitet. Die Kombination der Anforderungen nach ausreichender räumlicher Auflösung, um Details vergangener Geographien in unseren Simulationen einerseits, und nach ausreichender rechnerischer Effizienz für die notwendige langfristige Modellsimulation andererseits, wird durch einen neuartigen numerischen Ansatz im Ozeanmodell FESOM erleichtert.

Die Abbildung zeigt eine Land-Meer-Konfiguration im mittleren Miozän (vor etwa 15 Millionen Jahren), wie sie in ein komplexes Erdsystemmodell integriert ist. Zum Beispiel werden Änderungen in ozeanischen Durchgängen, wie die Verbindung zwischen Pazifik und Atlantik sowie der Atlantik-Indischer-Ozean-Durchgang über das Mittelmeer, als kritische Faktoren für die globale Klimaevolution während des Känozoikums (der letzten etwa 65 Millionen Jahre) betrachtet.