Die Mittelalterliche Wärmeperiode in der Antarktis: Weshalb können die Klimamodelle sie nicht reproduzieren?

Vor tausend Jahren war es schon einmal so warm wie heute. Und das, obwohl sich der CO2-Gehalt der Atmosphäre auf einem niedrigen vordindustriellen Niveau befand. Wie passt das zusammen? IPCC-Wissenschaftler gerieten in Erklärungsnot. Kurzerhand wurde eine Hilfshypothese aufgestellt, dass die Erwärmung ja nur auf der Nordhemisphäre existierte. Auf der Südhalbkugel wäre es zum Teil sogar kälter gewesen, so dass sich der Effekt im globalen Durchschnitt aufheben würde. Man müsse sich daher keine Sorgen machen, dass die Klimamodelle die Erwärmung der Mittelalterlichen Wärmeperiode (MWP) nicht nachvollziehen können (Kapitel 5.3.5, WG1, IPCC AR5-Bericht). Die Modelle wären vorzüglich.

Aber so richtig nachgeschaut hatte man dann doch nicht. Im Rahmen unseres MWP-Kartierprojektes wollen wir den IPCC-Kollegen unter die Arme greifen und eine weltweite Faktenbasis zur MWP erstellen. Hierzu erstellen wir eine Google Maps Karte, auf der man die MWP-Studien einfach anklicken kann und die entsprechenden Kurven sogleich erscheinen. Rote Punkte markieren Studien, die die MWP nachweisen konnten. Nach Fertigstellung des Atlas sollten die Spekulationen endlich ein Ende haben. Hatte die MWP globalen Charakter? Wo war sie stark präsent, wo fehlte sie? In einer ersten Regional-Synthese beschäftigten wir uns mit Afrika. Hier war die Faktenlage ziemlich klar: Fast alle Fallstudien zeigten eine Erwärmung vor 1000 Jahren an. Eine langjährige Dürrezeit machte dem Kontinent schwer zu schaffen. Überraschende Ergebnisse, die wir an anderer Stelle noch nicht gesehen haben.

Mittlerweile haben wir eine zweite Region intensiv beackert. Heute wollen wir ihnen die Zwischenergebnisse aus der Antarktis vorstellen. Ohne zuviel vorwegnehmen zu wollen: Auch hier war es zur Zeit der MWP – von einigen Ausnahmen abgesehen – so warm wie heute.

 

Der antarktische Kontinent

Zur Orientierung einige Basisfakten, da vielleicht nicht jeder Leser täglich mit dem großen Südkontinent in Berührung kommt. Die Antarktis besteht aus zwei Teilen, der Ostantarktis und der Westantarktis. Der allergrößte Teil der 25 Millionen Kubikmeter Eises lagert im Ostteil. Nur etwa 10% davon befindet sich im Westteil. Zur Westantarktis gehört auch die Antarktische Halbinsel, die zum Südzipfel von Südamerika überleitet. Wenn man sich die Küste der Antarktis anschaut, fallen mehrere große Buchten auf. Die größten davon sind das Weddell-Meer und das Ross-Meer, die zusammen mit dem Transantarktischen Gebirge die Grenze zwischen Ost- unf Westantarktis bilden.

Abbildungsquelle: University of Washington

 

 

Die Datenlage

Ein großer Teil der Studien stammt von der Antarktischen Halbinsel. Hier ist das Klima nicht ganz so extrem wie im Kontinentinneren, daher sind Untersuchungen hier leichter durchzuführen. Trotzdem gibt es jedoch auch eine ganze Reihe von Studien aus der Ostantarktis. Hier wurden mehrere Eiskernbohrungen abgeteuft, die eine klimatische Rekonstruktion der letzten Jahrtausende und zum Teil sogar Jahrhunderttausende ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt der Studien liegt im Transantarktischen Gebirge am Rande des Ross-Meeres, wo die US-amerikanische McMurdo-Station eine geeignete Basis für Untersuchungen bildet.

Methodisch stützen sich die allermeisten Temperaturrekonstruktionen aus der Antarktis auf Sauerstoffisotope (deltaO18) und schweres Wasser (Deuterium). Auf dem kalten Südkontinent scheint diese Methode viel besser zu funktionieren als in Afrika, wo in vielen Fällen Niederschlagsveränderungen hinter den Sauerstoffisotopenverschiebungen stecken.

Wie viele andere Atlanten stellt auch Google Maps die Antarktis in einer stark verzerrten und ausgerollten Projektion dar. Das ist leider unvermeidbar, wenn man die ganze Welt kartiertechnisch abbilden möchte. Am besten, Sie orientieren sich an der hervorstechenden Antarktischen Halbinsel sowie dem angrenzenden Wedell-Meer mit der großen Birkner Insel. Die zweite große Bucht auf der Google Maps Karte zeigt das grau eingefärbte Ross Schelfeis sowie das Rossmeer. Eine Linie mit mehreren Datenpunkten reiht sich entlang des Transantarktischen Gebirges. Unsere Antarktis-Analyse zur Mittelalterlichen Wärmeperiode beginnen wir im Bereich der Antarktischen Halbinsel, springen dann zu den Eisbohrkernen der Ostantarktis und enden schließlich am Rand des Ross-Meeres.

Abbildung: Lokalitäten der analysierten MWP-Fallstudien  

 

Abbildung: Zoom der Antarktischen Halbinsel. Nummern geben Lokalitäten der analysierten MWP-Fallstudien an.

 

1) Strother et al. 2014: Fan Lake on Annenkov Island

Unsere Expedition beginnt auf Annenkov Island, einer unbewohnte Insel etwa 13 km vor der Südküste von Südgeorgien. Ein Forscherteam um Stephanie Strother von der britischen Northumbria University untersuchte hier Pollen in Seesedimenten und konnte auf dieser Basis eine Klimarekonstruktion der letzten 7000 Jahre erstellen. Die Wissenschaftler fanden zwischen 350-1550 n. Chr. eine Wärmephase, die von kälteren Temperaturen flankiert war, nämlich der Kälteperiode der Völkerwanderungszeit und der Kleinen Eiszeit.

 

2) Noon et al. 2003: Signy Island

Etwa 1000 km südwestlich von Annenkov liegt Signy Island. Noon et al. (2003) haben hier die Sauerstoffisotope von Kalkstein in einem See analysiert und für eine Sommer-Temperaturrekonstruktion herangezogen. Die Autoren fanden starke Erwärmungsphasen in der Zeit 900-1000 n. Chr. sowie 1100-1300 n. Chr., unterbrochen durch eine etwas kühlere Zwischenepisode. Die Abbildung entspricht modifiziertem Zoom aus der Originalarbeit (mit Dank an CO2Science.org).

 

3) Khim et al. 2002: Core A9-EB2, eastern Bransfield Basin

Ein koreanisches Forscherteam um Boo-Keun Khim untersuchte die magnetische Suszeptibilität (MS) eines Bohrkerns im östlichen Bransfield Becken. Die Wissenschaftler fanden ein ausgeprägtes MS-Minimum zwischen 1050-1550 n.Chr., das eine Phase erhöhter biologischer Produktivität unter wärmeren Bedingungen anzeigt. Um 1550 schnellte die MS dann nach oben als das Leben allmählich von Sand und Ton zurückgedrängt wurde. Die kalten Bedingungen der Kleinen Eiszeit hielten bis 1850 an, als die MS wieder abnahm und das Leben zurückkehrte.

 

4) Barnard et al. 2014: Piston Core JPC-24, Bransfield Basin

Etwa 100 km westlich hat eine Gruppe zweier Universitäten aus dem texanischen Houston um Alex Barnard einen weiteren Bohrkern ausgewertet. Wiederum wurde eine Warmphase gefunden, die die Forscher auf 400-1500 n.Chr. datierten. Entsprechende Kältephasen flankierten die MWP.

 

5) Hall 2007: Collins Ice Cap, King George Island

Auf King George Island befinden sich eine ganze Reihe von Forschungsstationen. Da bot es sich an, einmal zum lokalen Gletscher zu gehen, Moosreste zu sammeln und sie per C14-Methode zu datieren. Das Alter gibt dann an, dass zur entsprechenden Zeit kein Eis an der Stelle gelegen haben kann, weil ja ansonsten kein Moos dort hätte wachsen können. Brenda Hall hat sich dieser Aufgabe angenommen und dokumentierte, dass der Gletscher um 1300 n.Chr. an der heutigen Position endete, oder sogar noch dahinter. Die Temperaturen müssen damals den heutigen ähnlich gewesen sein. Ab 1300 n.Chr. schob sich der Gletscher auf King George Island dann vor, im Zusammenhang mit der heraufziehenden Kleinen Eiszeit. Dieser Eisvorschub war der stärkste der vergangenen 3500 Jahre.

 

6) Lu et al 2012: Core JPC2 in Firth of Tay

Eine US-amerikanisch-britische Gruppe um Zunli Lu bestätigte die MWP in einem Sedimentkern im Firth of Tay anhand der sogenannten Ikaite Krystallisationsmethode.

 

 

7) Mulvaney et al. 2012: JRO ice core, James Ross Island

Von der James Ross Island stammt eine Studie von Mulvaney et al. (2012). Überraschenderweise konnte in dieser Untersuchung keine Erwärmung vor 1000 Jahren nachgewiesen werden. Stattdessen beschreiben die Autoren einen Temperaturanstieg um 1600, der in die aktuelle Moderne Wärmeperiode überführt. Es ist unklar, weshalb die MWP hier nicht zum Vorschein kommt. Dies ist umso seltsamer, da alle anderen Studien im Bereich der Antarktischen Halbinsel die MWP sehr gut abbilden. Handelt es sich vielleicht um eine lokale Entwicklung, die für die Gesamtregion nicht repräsentativ ist? In einigen Übersichtsdarstellungen wird die Mulvaney-Arbeit als Kronzeuge für eine angeblich fehlende MWP in der Antarktis zitiert. Eine unhaltbare Argumentation, wenn man sich die Gesamtheit aller Datenpunkte anschaut. Außer einer lokalen Anomalie könnte es sich auch um eine fehlerhafte Rekonstruktion handeln. Ist das verwendete Deuterium wirklich so ein guter Temperaturproxy in diesem Fall, wie es die Autoren glauben? Stimmt die Altersdatierung? Hier ist auf jeden Fall eine Überprüfung angezeigt, um den “Outlier” besser zu verstehen.

 

8 )  Hall et al 2010: Anvers Island

Weiter geht es in Anvers Island. Dort haben Hall et al. Moose und Schalen in kürzlich vom schmelzenden lokalen Gletscher freigelegten Flächen gesammelt und mit der Radiokarbon-Methode zeitlich datiert. Es zeigte sich, dass der Gletscher 1030-1300 n.Chr. bereits schon einmal an der heutigen Position endete, oder sogar dahinter. Die Temperaturen waren damals mindestens auf dem heutigen Niveau, sagen die Forscher.

 

9) Domack & Mayewski 1999, Shevenell et al. 2011: Piston Core PD92-30 & ODP 1098, Palmer Deep

Mehrere Studien haben Bohrkerne im Palmer Deep zum Thema. Als Methoden kamen die magnetische Suszeptibilität (MS) sowie Tex86-Temperaturrekonstruktionen zum Einsatz. Domack & Mayewski (1999) fanden Wärmephase 900-1100 n.Chr. und 1250-1400 n. Chr. Die Wärmephasen sind durch geringe MS und erhöhte biologische Produktivität geknnzeichnet. Shevenell et al. (2011) publizierten Tex86-Temperaturen, die jedoch nicht die zeitliche Auflösung der MS-Daten erreichten. Insgesamt fand die Gruppe um Amelia Shevenell, dass zwischen 400-1500 n.Chr. eine Warmphase herrschte, die dann abrupt mit einem Temperatursturz von der Kleinen Eiszeit abgelöst wurde.

 

10) Guglielmin et al. 2015: Rothera Point, Marguerite Bay

Die südlichste Studie von der Antarktischen Halbinsel stammt vom Rothera Point an der Marguerite Bay. Alterdatierungen von Moosen ergaben, dass die Gletscher hier irgendwann zwischen 1040-1200 n.Chr. oder davor zurückgewichen sind. Damals waren die Gletscher so lang wie heute oder gar kürzer. Zwischen 1330-1440 n.Chr. wuchsen die Gletscher dann wieder und schoben sich vor.

 

11) Wagner et al. 2004: Lake Terrasovoje, Amery Oasis

Machen wir nun eine Riesensprung an die Küste der Ostantarktis. Eine Gruppe um Bernd Wagner von der Universität Leipzig hat sich Kieselalgen in Seensedimente im Lake Terrasovoje angeschaut. Die paläontologischen Daten verglichen die Wissenschaftler mit geochemischen Parametern. Wagner und Kollegen konnten eine Wärmephase identifizieren, die von 500-1000 n.Chr. andauerte. Zu dieser Zeit wurden erhöhte Mengen an organischer Materie unter reduzierenden Bedingungen abgelagert.

 

12) Hemer & Harris 2003: AM02 core on Amery Ice Shelf

Diatomeen bzw. Kieselalgen spielten auch in einer Bohrkern-Studie vom Amery Eisschelf eine Rolle. Um 1250 n.Chr. war der Eisschelf kleiner als heute. Der Eisrand hatte sich damals auf eine Position zurückgezogen, die sich landwärts der heutigen befindet.

 

13) Dome Summit South (DSS) – Law Dome ice core

Dahl-Jensen et al. (1999) und Roberts et al. (2001) untersuchten Sauerstoffisotope und Deuterium am Law Dome (Dome Summit South, DSS) Eiskern und fanden Wärmeperioden 700-1050 n.Chr. und 1350-1750 n.Chr., mit einer dazwischengeschalteten kälteren Episode. Eine starke Abkühlung ereignete sich 1750, was den Beginn der Kleinen Eiszeit anzeigt. Die Wiedererwärmung ereignete sich recht spät, nämlich erst um 1950.

 

 

14) Masson et al. 2000: Dome B Ice Core

Verlassen wir die Küste und gehen weit auf den antarktischen Eisschild hinauf. Hier wurde der “Dome B” Eiskern gewonnen (zweite Kurve in Abbildung unten), in dem über die Deuterium-Methode eine Wärmephase 800-1500 n.Chr. rekonstruiert werden konnte. Positivere Deuterium-Werte zeigen dabei Erwärmung an. Eine Reihe von kurzen Abkühlungen unterbrechen die MWP jeweils.

 

15) Masson et al. 2000: Vostok Ice Core

Ähnlich sieht es beim Vostok-Eiskern aus. Die Wärmphase dauerte hier 500-1500 n.Chr. (siehe Abbildung oben, erstes Diagramm).

 

16) Masson-Delmotte 2004, Masson et al. 2000: EPICA Dome Concordia (“Dome C”) Ice Core

Im Eiskern “Dome C” dauert die Wärmeperiode von 700-1200 n.Chr.

 

17) Mosley-Thompson 1996, Leduc et al. 2010: Plateau Remote Ice Core

Im “Plateau Remote” Eiskern ist eine Wärmephase zwischen 950-1100 n.Chr. ausgebildet (fette schwarze Kurve in Abbildung).

 

18) Baroni & Orombelli 1994: Edmonson Point Glacier

Gehen wir nun zurück an die Küste und verfolgen abschließend die Studienserie am Rand des Ross-Meers und Ross-Eisschelfs. Am Edmonson Gletscher haben zwei Forscher Schalen datiert und hieraus die Gletscherbewegungen rekonstruiert. Sie fanden  bedeutende Gletscherrückzugsphasen 920-1050 n.Chr. und 1270-1400 n.Chr. Nach dem 15. Jahrhundert wuchs der Gletscher dann wieder, als es im Zuge der Kleinen Eiszeit wieder kälter wurde.

 

19) Bertler et al. 2011: Victoria Lower Glacier, McMurdo Dry Valleys

Bertler und Kollegen untersuchten Sauerstofisotope- und Deuterium an einem Eiskern aus dem Victoria Lower Glacier. Leider umfasst der Kern nur die vergangenen 900 Jahre, verpasst also den Beginn der MWP. Trotzdem dokumentiert die Studie warme Bedingungen ab 1150 n.Chr. die etwa um 1290 n.Chr. endeten. Die Temperaturen waren damals um ein Drittel Grad wärmer als heute. Eine abrupte Abkühlung ab 1290 n.Chr. leitete eine Kältephase im Zusammenhang mit der Kleinen Eiszeit ein. Ab 1800 wurde es dann wieder wärmer. Abbildung mit Dank an CO2Science.org.

 

20) NRC 2006: Taylor Dome Ice Core

Der Eiskern vom Taylor Dome tanzt wieder aus der Reihe. In der Temperaturentwicklung der letzten 1200 Jahre ist kein Trend zu erkennen. Eine lokale Anomalie? Hier würde sich vielleicht auch eine Wiederholungsstudie an einem neuen Kern lohnen. Die vorhanden Daten streuen verdächtig stark.

 

 

 

21) Hall et al. 2006: western Ross Sea

Diese Studie arbeitet mit exotischen Methoden. Hall und Kollegen haben fossile Robbenhaut und Robbenhaar gesammelt und altersdatiert. Es zeigte sich, dass zwischen 600 v. Chr. ud 1400 n.Chr. die besten Bedingungen für die Robben vorlagen, mit Temperaturen die über den heutigen lagen. Ab 1400 n.Chr. reduzierte sich dann die Population drastisch, vermutlich durch die Kälte der Kleinen Eiszeit.

 

 

22) Masson et al. 2000: Dominion Range Ice Core

Zum Abschluss noch der Dominion Range Eiskern. Er scheint zeitlich nicht sehr hochauflösend zu sein, trotzdem ist die Wärmephase um 1000 n.Chr. gut erkennbar. Unterste Kurve der Abbildung unten.

 

Andere regionale Synthesen

Den Grundstock unserer MWP-Analyse in der Antarktis bildete eine gute Arbeit der SPPI, in der eine Reihe von Publikationen bereits vorgefiltert wurden. Diesen Studien haben wir weitere Papers hinzugefügt.

Im Jahr 2012 veröffentlichten Raphael Neukom und Joëlle Gergis im Fachblatt The Holocene eine Literaturübersicht zur Klimaentwicklung auf der Südhalbkugel während der vergangenen 2000 Jahre. In der Antarktis verwendeten die Autoren offenbar fast ausschließlich Eiskerne (Abbildung unten, aus der o.g. genannten Arbeit). Aus Tabelle 3 der Arbeit geht hervor, dass die allermeisten Kerne erst in der Kleinen Eiszeit beginnen und die Zeit davor gar nicht abdecken. Es fehlen viele andere Arbeiten, die wir hier vorgestellt haben. Im Gegenzug erwähnen Neukom & Gergis eine Reihe von Studien aus der Antarktis, die wir bisher nicht berücksichtigt haben. Hier werden wir nacharbeiten. Eine Temperaturkurve bieten Neukom & Gergis in ihrer Arbeit nicht an.

 

 Abbildung: Datensatz in Neukom & Gergis 2012.

 

Das Klimasonsortium PAGES2K veröffentlichte 2013 Zwischenergebnisse seiner Arbeit in Nature Geoscience. Darin ist auch eine erste Analyse der Antarktis enthalten (Abbildung unten). Es wundert die frühe Hitze ab 200 n.Chr. In den von uns gesichteten Studien beginnt die Wärme zwar auch an einigen Orten der Antarktis recht früh, ab 400 n.Chr., hält dann aber (unterbrochen durch Kältezwischenepisoden) auch bis 1400 n.Chr. an. In der PAGES2K-Graphik kühlt sich die Antarktis bereits ab 1200 n.Chr ab, was in den meisten Fallstudien nicht der Fall ist.

Abbildung: Regionale Temperaturentwicklung der letzten 2000 Jahre laut PAGES2K (2013).

 

 

Zusammenfassung

Der allergrößte Teil der antarktischen Studien kann eine deutlich ausgeprägte Mitelalterliche Wärmeperiode nachweisen, die von 800-1400 n. Chr andauerte, an einigen Orten jedoch auch bereits um 400 n.Chr. beginnt. Eine Reihe von kürzeren Kältephasen unterbricht die MWP. Dies könnte zum Beispiel ein Effekt des solaren Suess-de Vries-Zyklus sein, der im 200-Jahrestakt pulsiert.

Wir werden die Antarktis-Daten weiter aufbereiten, vergleichende Gesamtkurven erstellen und in einem wissenschaftlichen  Manuskript detailliert beschreiben. Bitte sagen Sie uns Bescheid, wenn Sie weitere wichtige Arbeiten kennen oder vielleicht sogar mit Excel-Originaldaten aushelfen können.

 

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Projektspenden

Wir danken allen bisherigen Unterstützern, die dieses wichtige Projekt überhaupt erst möglich machen. Auch in den letzten Tagen sind wieder Spenden eingegangen, die uns weiter nach vorne bringen. Momentan sind etwa vierzig Prozent der Projektsumme gesichert, was bereits ein toller Erfolg ist. Das Spendenbarometer und die Fördererliste finden sie am unteren Ende der MWP-Projektseite.

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