Einige neuere Entwicklungen in der Paläoklimatologie
Vor 1970 konzentrierte sich ein Großteil der paläoklimatologischen Forschung in erster Linie auf Klimarekonstruktionen, die beschreiben, was geschehen ist, wobei die Studien eine Vielzahl verschiedener Arten von Proxy-Daten umfassten (Wendland, 1991). Radiometrische Datierungstechniken wie die Radiokohlenstoff- und Kalium-Argon-Datierung boten ein quantitatives Mittel zur Datierung vergangener klimatischer Veränderungen. Die paläoklimatische Forschung wurde durch die Einrichtung zahlreicher Forschungszentren vorangetrieben, die sich auf bestimmte Proxydaten und Datierungsmethoden spezialisierten. So nahm beispielsweise die Dendroklimatologie, die Untersuchung von Baumringen, nach der Gründung des Labors für Baumringforschung an der Universität von Arizona (USA) im Jahr 1937 Fahrt auf. Ähnliche dendroklimatische Labors wurden später unter anderem an der Columbia University in New York, der University of Arkansas, der Climatic Research Unit, University of East Anglia, Vereinigtes Königreich, und der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Schweiz, eingerichtet. Auch Forschungszentren, die sich auf andere Proxies wie die Palynologie konzentrieren, sind entstanden, darunter die University of Minnesota in den Vereinigten Staaten, die University of Cambridge in England, die Lund University in Schweden, die Universität Bern in der Schweiz und die Russische Akademie der Wissenschaften, Institut für Geographie in Moskau. Auch im Bereich der Paläoozeanographie des Quartärs entstanden bedeutende Forschungszentren, von denen einige an der Cambridge University, der Brown University und der Columbia University angesiedelt sind. Im Laufe der Zeit wurden in bedeutenden Forschungszentren wie dem Quaternary Research Center in den Vereinigten Staaten und dem Xian Laboratory of Loess and Quaternary Geology an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Verbesserungen und neue Techniken der Datenanalyse entwickelt. Neu ausgebildete Akademiker, die ihren Abschluss an diesen Forschungszentren machten, gründeten eigene Forschungszentren und bauten paläoklimatische Datenbanken auf.
Ab den frühen 1970er Jahren förderte die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsrechnern eine neue Art der Paläoklimatologie, die sich auf die Analyse großer paläoklimatischer Datensätze spezialisiert (Wright und Bartlein, 1993). Einige Interpretationswerkzeuge in paläoklimatischen Analysen sind qualitativer Natur, die bis heute fortbestehen und Analysen von lokalen bis zu hemisphärischen Maßstäben umfassen können (Abbildung 1). In früheren quantitativen Studien wurden grundlegende Transferfunktionen angewandt, um Proxy-Variablen in Klimavariablen umzuwandeln, was auch die Kalibrierung moderner Klimadaten mit modernen Umweltdaten beinhaltete. Die modernen Beziehungen wurden auf fossile Umweltdaten angewandt, um das Klima der Vergangenheit quantitativ zu rekonstruieren (Webb und Bryson, 1972). Mit dem Anwachsen der Datensätze wuchs auch die Komplexität der quantitativen Interpretationswerkzeuge für die Analyse groß angelegter paläoklimatischer Datensätze (Mann et al., 1998; Prentice et al., 1991). So basiert beispielsweise der kürzlich erstellte North American Drought Atlas, der geografische Karten über den Schweregrad von Dürreperioden pro Jahr liefert, auf einem geografischen Netz von 835 Baumringstandorten (Abbildung 3; Cook und Krusic, 2004). Viele paläoklimatische Datennetze sind jetzt über das World Data Center-A for Paleoclimatology (WDC-A) in Boulder, CO (Webb et al., 1994), und andere Spiegelstandorte in der ganzen Welt in Johannesburg in Südafrika, Lanzhou in China, Mendoza in Argentinien, Nairobi in Kenia und Pune in Indien (Eakin et al., 2003) verfügbar. Diese Datennetze reichen von der regionalen bis zur globalen Skala; Beispiele sind die International Tree Ring Database (Grissino-Mayer und Fritts, 1997) und die Global Pollen Database.
Die Computerrevolution hat auch eine paläoklimatische Perspektive für den Umgang mit GCMs geschaffen. Diese Modelle ähneln den Modellen, die für die tägliche Wettervorhersage verwendet werden, doch werden die Prinzipien angewandt, um großräumige Klimamuster der Vergangenheit zu simulieren. Frühere Versuche konzentrierten sich hauptsächlich auf die Atmosphäre, aber die paläoklimatische Modellierung hat sich dahingehend weiterentwickelt, dass sie atmosphärische Modelle mit detaillierten Rückkopplungen in Bezug auf Prozesse in der Biosphäre, Lithosphäre und Hydrosphäre verbindet (Kohfeld und Harrison, 2000; Kutzbach et al., 1998). Erhebliche Aufmerksamkeit wurde den Rückkopplungen zwischen Ozean und Atmosphäre gewidmet. GCMs wurden zur Simulation des Paläoklimas vor einigen hundert bis zu Millionen von Jahren (Kutzbach, 1992) sowie ausgewählter Zeiträume und Phänomene von Interesse in der Vergangenheit verwendet (LeGrande et al., 2006; Seager et al., 2005). Im Gegensatz zu paläoklimatischen Proxydaten, die unabhängig rekonstruieren, „was passiert ist“ (Abbildung 1), erklären GCMs, „warum die Dinge passiert sind“, und sind daher ein äußerst nützliches Instrument für Paläoklimatologen, um Hypothesen über die Ursachen des Klimawandels zu testen, indem sie Simulationsergebnisse mit denen vergleichen, die aus Proxydaten abgeleitet wurden (Harrison und Prentice, 2003; Mahowald et al., 1999). In den letzten zwei Jahrzehnten sind viele verschiedene paläoklimatische Modellierungsgruppen entstanden und weiterhin aktiv; einige davon umfassen Modellierungsaktivitäten am National Center for Atmospheric Research in Boulder, CO, dem Hadley Centre im Vereinigten Königreich, dem Canadian Centre for Climate Modeling and Analysis, dem Max-Planck-Institut für Meteorologie an der Universität Bremen, dem Laboratoire de Météorologie Dynamique in Frankreich und dem Goddard Institute of Space Studies in Maryland, USA.
Die zunehmende Auflösung der Datierungstechniken und die wachsende Zahl paläoklimatischer Belege, insbesondere aus Eisbohrkernen und Meeressedimenten aus dem Nordatlantik, deuten darauf hin, dass es in der fernen Vergangenheit zu abrupten Klimaveränderungen von dekadischem bis zentjährigem Ausmaß kam, die sich in Ausmaß und Charakter deutlich von denen unterscheiden, die in den modernen instrumentellen Aufzeichnungen beobachtet werden (Clark et al., 1999; Labeyrie et al., 2003; Overpeck, 1996). Diese Veränderungen sind für die Gesellschaft von großer Bedeutung, da wir heute wissen, dass solche abrupten klimatischen Veränderungen innerhalb eines einzigen Menschenlebens auftreten können. Paläoklimatische Aufzeichnungen bieten daher die einzige Möglichkeit zu prüfen, ob unsere Vorhersagemodelle solche zukünftigen Veränderungen simulieren können. Es wurden Modellierungsversuche unternommen, um die Ursachen und die Art dieser abrupten Veränderungen zu simulieren. Diese Modellläufe ermöglichen es den Wissenschaftlern, detaillierte Daten-Modell-Vergleiche auf hemisphärischer und globaler Ebene durchzuführen (Clark et al., 2002). Bislang konzentrieren sich die meisten Modellierungsstudien zu diesen Ereignissen jedoch noch auf die Durchführung von Empfindlichkeitstests zur Bewertung möglicher Antriebsmechanismen. Wir fangen gerade erst an, die Kontrolle und die Ursachen dieser abrupten Veränderungen zu dokumentieren und zu verstehen, und solche Fragen werden für die Paläoklimatologie noch viele Jahre lang von Bedeutung sein.