Dennis L.
Eine neue Studie rekonstruiert die globale Mitteltemperatur der Erdoberfläche über 485 Millionen Jahre. Dafür werden geochemische Proxydaten mit Klimasimulationen statistisch kombiniert. Die Spannweite der rekonstruierten Werte reicht von 11 bis 36 °C. Besonders relevant ist, wie daraus über geologische Zeiträume stabile Klimazustände und ihre Übergänge sichtbar werden.
Langzeitrekonstruktionen für das Erdklima schätzen eine Größe, die in der tiefen Erdgeschichte nicht direkt gemessen wurde, nämlich die globale Mitteltemperatur der Erdoberfläche über sehr lange Zeiträume. Dazu werden geochemische Signale aus Sedimenten und Fossilien als Temperatur-Proxys verwendet, also indirekte Hinweise, die nur unter Annahmen in Grad Celsius übersetzt werden können. Das methodische Grundproblem ist eine stark ungleichmäßige Datenlage, weil Messpunkte räumlich konzentriert sind und ältere Zeitabschnitte größere Lücken aufweisen. Genau hier setzt moderne Datenassimilation an, weil sie Beobachtungen nicht isoliert auswertet, sondern mit physikalisch konsistenten Klimasimulationen verknüpft. Die im PubMed Eintrag der PhanDA Studie gelistete Arbeit adressiert genau diese Schwierigkeit und beschreibt eine Rekonstruktion, die das Phanerozoikum systematisch abdeckt.
Im Kern geht es bei solchen Ansätzen nicht nur um einen einzigen Temperaturwert, sondern um das Zusammenspiel von Strahlungsbilanz, Eisflächen, Ozeanen, Kontinentlage und Treibhausgasen. Die globale Mitteltemperatur ist zwar eine zentrale Kennzahl, doch sie bildet nur einen Teil des Klimasystems ab und muss zusammen mit räumlichen Gradienten interpretiert werden. Für die Einordnung heutiger Erwärmung ist das relevant, weil geologische Epochen natürliche Vergleichsräume mit sehr unterschiedlichen Randbedingungen liefern. Gleichzeitig sind direkte Vergleiche begrenzt, weil sich Landverteilung, Gebirge und Sonneneinstrahlung über Millionen Jahre ändern. Eine frühe deutschsprachige Einordnung des Themas findet sich bereits im Beitrag zum Erdklima der vergangenen 485 Millionen Jahre, während die neue Arbeit vor allem durch die statistische Verknüpfung der Datensätze methodisch interessant ist.
Die Studie rekonstruiert das Phanerozoikum mit einer paläoklimatischen Datenassimilation namens PhanDA und kombiniert dafür Proxydaten mit einem Ensemble aus Klimamodelle Simulationen. Laut Methodenübersicht verwendet die Datenassimilation einen offline Ensemble Square Root Kalman Filter, der Modellzustände mit Beobachtungen statistisch aktualisiert und so aus lückenhaften Daten ein konsistentes Temperaturfeld ableitet. In der als Science Studie zur PhanDA Rekonstruktion veröffentlichten Arbeit wird angegeben, dass 85 Zeitscheiben vom Beginn des Ordoviziums bis zum Holozän assimiliert wurden. Jede Zeitscheibe repräsentiert meist eine chronostratigraphische Stufe, mit wenigen Zusammenlegungen in datenarmen Intervallen und einer separaten Behandlung des PETM bei 56 Ma. Die Autoren assimilieren dabei primär Meeresoberflächentemperaturen und begründen das mit dem großen Ozeananteil von rund 70 Prozent der Erdoberfläche, wodurch sich die globale Mitteltemperatur robust abschätzen lassen soll.
Aus der rekonstruierten Temperaturverteilung leiten die Autoren fünf Klimazustände ab, die aus Quantilen der rekonstruierten globale Mitteltemperatur gebildet werden und damit datengetrieben statt vorab festgelegt sind. Die Temperaturbereiche liegen bei 11 bis 18 °C für Coldhouse, 18 bis 22 °C für Coolhouse, 22 bis 25 °C für Transitional, 25 bis 28 °C für Warmhouse und 28 bis 36 °C für Hothouse. Für die zeitliche Verteilung ergibt sich ein Anteil von 13 Prozent Coldhouse, 18 Prozent Coolhouse, 27 Prozent Transitional, 23 Prozent Warmhouse und 18 Prozent Hothouse. Damit lag über das Phanerozoikum zusammengenommen mehr Zeit in wärmeren Zuständen als in den kältesten Zuständen. Zusätzlich zeigt PhanDA laut Studie konsistente Breiten-Temperaturgradienten innerhalb derselben Klimazustände, was die physikalische Plausibilität stärkt. Zur Einordnung sehr warmer Epochen passt auch der ältere Hintergrund zum Regenwald in der Antarktis, weil er verdeutlicht, wie stark regionale Bedingungen in Warmzeiten von heutigen Verhältnissen abweichen konnten.
Ein zentrales Ergebnis ist die deutliche statistische Kopplung zwischen CO2 und Temperatur über weite Teile der Rekonstruktion. Für das gesamte Phanerozoikum berichten die Autoren eine signifikante positive Korrelation zwischen logarithmierter CO2-Konzentration und GMST mit r = 0,72 bei P kleiner 0,01. Im Känozoikum ist diese Beziehung mit r = 0,97 besonders stark, im Paläozoikum bleibt sie mit r = 0,73 ebenfalls hoch. Für das Mesozoikum finden die Autoren dagegen keine klare Beziehung und diskutieren Proxyunsicherheiten sowie die eingeschränkte Spannweite der damaligen Klimazustände als mögliche Ursachen. Aus der CO2 GMST Beziehung leiten sie außerdem eine scheinbar konstante apparente Earth System Sensitivity von etwa 8 °C pro CO2 Verdopplung ab, in der langsame und schnelle Rückkopplungen gemeinsam enthalten sind. Dass geologische Kohlenstoffkreisläufe das Klima über sehr lange Zeiträume prägen, zeigt auch der Hintergrund zur CO2 Dynamik und Eiszeitsteuerung, auch wenn dort ein anderer Mechanismus im Mittelpunkt steht.
Trotz der hohen methodischen Qualität bleibt die Rekonstruktion keine direkte Messreihe und die Unsicherheiten sind für die Interpretation entscheidend. PhanDA basiert primär auf Meeresoberflächentemperaturen und nutzt diese als Prädiktor für globale Werte, was für eine globale Kennzahl sinnvoll ist, aber regionale Landextreme nur indirekt erfasst. Die Autoren betonen zudem, dass saisonale Temperaturen, Luftfeuchte und Hitzestress nicht rekonstruiert werden, obwohl genau diese Größen für biologische Belastungsgrenzen zentral sind. In warmen Phasen diskutiert die Studie deshalb mögliche sehr hohe Landtemperaturen vorsichtig und verweist auf den Bedarf an besseren terrestrischen Proxydaten. Auch die schwächere Mesozoikum Beziehung zwischen CO2 und Temperatur wird nicht als Widerlegung verstanden, sondern als offenes Problem mit Proxy und Modellunsicherheiten. Für geologische Folgen schneller Erwärmung liefern andere Studien zusätzliche Kontexte etwa zur Klima Rolle beim größten Massenaussterben der Erdgeschichte, ohne dass sich solche Ereignisse direkt mit der hier rekonstruierten Langzeitkurve gleichsetzen lassen.
Science, A 485-million-year history of Earth's surface temperature; doi:10.1126/science.adk3705
