2. Klima und Landwirtschaft bis ins späte Holozän

Warmzeit ohne Ende

Das Holozän, der gegenwärtige Zeitabschnitt der Erdgeschichte, ist eine Warmzeit. Dieser Tatsache werden immer wieder sehr weitreichende menschheitsgeschichtliche Konsequenzen zugeschrieben wie die Entstehung «großer Zivilisationen». Doch zunächst gilt es zu klären, was mit «Warmzeit» gemeint ist. Dazu muss man das Holozän im längerfristigen Zusammenhang vorangehender Klimaentwicklungen betrachten.

Im Laufe der Erdgeschichte hat sich das Klima mehrfach radikal verändert. Es gab Phasen starker, vielleicht sogar vollständiger Vereisung («Schneeballerde»). Am anderen Ende des Spektrums gab es mehrere sehr warme Episoden, während derer die Erdoberfläche von permanenter Vereisung völlig befreit war, auch an den Polen. Das gilt unter anderem für die Kreidezeit 140 bis 65 Millionen Jahre vor der Gegenwart. In dieser Phase war auch die CO2-Konzentration in der Atmosphäre mit mehr als 1000 ppm (parts per million, d.h. Anteilen pro einer Million Moleküle trockener Luft) erheblich höher als heute. Danach sank sie jedoch kontinuierlich ab.

Vor etwa 3 Millionen Jahren trat die Erde in ein neues Eiszeitalter ein. Eiszeiten sind dadurch definiert, dass Teile der Erde, besonders die Polkappen, permanent mit Eis bedeckt sind. Auch das Holozän ist Teil einer Eiszeit, denn die polare Eisbedeckung blieb während der gesamten letzten 11.700 Jahre bestehen, wenn auch die Menge des Eises, seine Dicke und seine Ausdehnung schwankten. Das Holozän ist also einerseits eine Warmzeit, andererseits ist es eine Episode in einer länger andauernden Eiszeit.

Der scheinbare Widerspruch löst sich auf, wenn man sich die periodischen Wechsel kälterer und wärmerer Episoden im Zeitraum des Pleistozäns seit etwa 2,6 Millionen Jahren ansieht. Diese Wechsel zeigen sich deutlich in den Temperaturrekonstruktionen aus antarktischen Eisbohrkernen, die für die zurückliegenden 800.000 Jahre vorliegen (Abb. 1). Die Schwankungen des atmosphärischen CO2-Gehalts weisen einen parallelen Verlauf auf: Während der Warmzeiten war er stets höher, während der Kaltzeiten niedriger.

Abb. 1:  Kohlendioxid- und Temperaturschwankungen in den letzten 800.000 Jahren: (a) Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre in parts per million (ppm). (b) Temperaturschwankungen: Abweichung (dT) in °C vom Mittel der letzten 1000 Jahre.

Allerdings waren nicht in erster Linie diese Schwankungen und damit Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf verantwortlich für den Wechsel von Glazialen (Eiszeiten) und Interglazialen (Zwischeneiszeiten), sondern astronomische Faktoren, die als Orbitalantrieb (auch «Milankowitsch-Antrieb») bezeichnet werden. Dabei handelt es sich erstens um eine Art Taumelbewegung der Erdachse (Präzession), die durch die Anziehungskraft von Sonne und Mond verursacht wird. Die Erdachse kreist nämlich in einer Periode von 26.000 Jahren um die senkrechte Ekliptikebene durch den Erdmittelpunkt. Zweitens schwankt die Neigung der Erdachse (Obliquität) in einem Zeitraum von ungefähr 41.000 Jahren zwischen 22,1° und 24,5°. Und drittens verändert sich die Erdumlaufbahn (Exzentrizität) um die Sonne: Sie schwankt zwischen einer nahezu kreisförmigen und einer leicht elliptischen Form. Diese Variation tritt in einer Periode von 405.000 Jahren auf.

Alle drei orbitalen Antriebsfaktoren führen zu Schwankungen der solaren Einstrahlung auf die Erdoberfläche. Der Abstand von der Sonne beeinflusst die Einstrahlungsdichte. Die Neigung der Erdachse und ihre Taumelbewegung wirken sich hingegen auf die Verteilung der Solarstrahlung nach der geographischen Breite und damit auch auf die Ausprägung der Jahreszeiten auf der Nord- und Südhalbkugel aus. Das Klimasystem der Erde reagiert auf diese Veränderungen regional unterschiedlich. Aber an den Übergängen zwischen Glazialen und Interglazialen im Pleistozän dominierten bisher die genannten drei Faktoren, deren Periodizität die wiederkehrende Abfolge weitgehend erklärt.

Der Übergang ins Holozän, das geologisch auf den Zeitraum von 11.700 Jahren vor der Gegenwart (definiert als 1950) festgelegt wurde, begann mit einem Anstieg der Temperaturen vor ungefähr 16.000 Jahren (Abb. 2a). Durch die orbitalen Antriebsfaktoren nahm die Sonneneinstrahlung während des arktischen Sommers stark zu, was eine Schmelze des arktischen Meereises in Gang setzte. Auch die Ränder der großen inländischen Eisschilde schmolzen ab. Im weiteren Verlauf der Erwärmung zogen sich die Inlandgletscher und das antarktische Meereis zurück. Das Schmelzwasser führte im Zeitraum zwischen 16.000 Jahren vor der Gegenwart und heute zu einem Anstieg der Meeresspiegel um etwa 120 Meter, wobei der größte Teil dieses Anstiegs in die Zeit bis vor 8500 Jahren fällt. Dadurch veränderten sich die Küstenlinien der Kontinente: Tiefliegende Landmassen, die zuvor über dem Meeresspiegel lagen, wurden in wenigen Jahrtausenden überflutet, unter anderem der Persische Golf westlich von Hormuz sowie Beringia, eine Landbrücke zwischen Sibirien und Alaska, die bei der Erstbesiedelung des amerikanischen Kontinents während des letzten Glazials eine Schlüsselrolle gespielt hatte. Zwischen Mittelmeer und Schwarzem Meer entstand eine Wasserverbindung. Die Nordsee erweiterte sich beträchtlich, und aus Gletschermassen entstand die Ostsee. Besonders die Unterbrechung der Beringia-Verbindung hatte weitreichende Konsequenzen, weil die amerikanische Urbevölkerung für einige Jahrtausende von Eurasien abgeschnitten wurde. Der Kontakt mit Europäern nach 1492 hatte unter anderem deshalb katastrophale Folgen (s. Kapitel 4).

Abb. 2:  Temperaturverlauf am Übergang ins Holozän und während des Holozäns: (a) Temperaturen in Grönland (absolute Werte, Temperatur = T in °C) in den letzten 16.000 Jahren. (b) Globale Temperaturschwankungen während der letzten 11.300 Jahre: Abweichung (dT) in °C vom Mittel der Vergleichsperiode 1961-?1990.

Am Übergang ins Holozän stiegen aber nicht nur die Meeresspiegel, sondern auch die atmosphärischen CO2-Konzentrationen, und zwar von 220 ppm um 16.000 vor heute auf knapp 270 ppm um 11.000 Jahre vor heute. Denn die Ozeane und Veränderungen der Vegetation setzten zuvor gebundenen Kohlenstoff frei. Der CO2-Anstieg in der Atmosphäre war Folge verschiedener natürlicher Rückkopplungen der Erwärmung am Übergang ins Holozän. Das Treibhausgas CO2 wiederum hat diese Erwärmung weiter beschleunigt. Zu den orbitalen Faktoren der Erwärmung kam also auch eine natürliche Verstärkung des Treibhauseffekts hinzu. Die gleiche Kopplung von Faktoren - Veränderung der Solareinstrahlung durch Orbitalantrieb, Auswirkung auf den arktischen Sommer, Gletscherschmelze und steigende CO2-Werte - findet sich auch bei früheren Übergängen von Glazialen zu Interglazialen während des Pleistozäns. In dieser Hinsicht ist das Holozän also keineswegs ungewöhnlich.

Und doch unterscheidet es sich markant von früheren Warmzeiten. Da ist zunächst seine ungewöhnlich lange Dauer. Der Klimaverlauf während des Pleistozäns zeigt überwiegend eine Abfolge von längeren Glazialen und weniger langen Interglazialen, die meist deutlich kürzere Erwärmungsphasen mit sich brachten als das Holozän. Die lange Dauer des Holozäns ist auch menschheitsgeschichtlich bedeutsam, denn sie hat die Ausbreitung der Landwirtschaft von den frühesten Zentren bis in die Peripherie begünstigt. Möglicherweise hat auch der Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre dabei eine Rolle gespielt. Kohlenstoff wird nämlich bei der Photosynthese in Biomasse (Kohlenwasserstoffen) gebunden. So haben seit Beginn des Holozäns größere Mengen an atmosphärischem CO2 die Pflanzenproduktivität angetrieben. Es ist möglich, dass die Kultivierung von Pflanzen dadurch attraktiver wurde.

Eine andere ungeklärte Frage betrifft den Einfluss agrarischer Landnutzung auf das Klima. Sicher hatte die Landwirtschaft auch schon vor der Industrialisierung erhebliche Auswirkungen auf ihre lokale und regionale Umwelt. Aber schloss dieser Einfluss auch das Klima ein? Tatsächlich wurde der Wandel der Landnutzung als mögliche Erklärung für die lange Dauer des Holozäns ins Spiel gebracht. Noch vor der Industrialisierung könnten menschliche Einflüsse längerfristig zu höheren Treibhausgaskonzentrationen beigetragen haben als in früheren...