Monsunforschung auf dem Dach der Welt

Klima im Spiegel der Zeit

Das tibetanische Plateau: In der Abbildung sind die Höhen farblich kodiert, rot kennzeichnet große, blau niedrige Höhen. Bild vergrößern
Das tibetanische Plateau: In der Abbildung sind die Höhen farblich kodiert, rot kennzeichnet große, blau niedrige Höhen.

„Erzähle mir die Vergangenheit, und ich werde die Zukunft erkennen“: Dies wusste bereits vor rund 2.500 Jahren der chinesische Philosoph Konfuzius. Ihm ging es in seinen Lehren zwar um den idealen, moralisch einwandfreien Menschen, seine Weisheit ist aber auch auf andere Themen übertragbar: „Nur wenn wir die Klimaänderungen der Vergangenheit kennen und verstehen, können wir gute Vorhersagen für die Zukunft machen“, meint etwa Gerd Gleixner vom Max Planck Institut für Biogeochemie in Jena. Forscher wie er haben bereits vor längerer Zeit damit begonnen, im Buch der Klimageschichte zu blättern. Demnach ist das Klima unseres Planeten seit seiner Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren keineswegs stabil geblieben, sondern hat sich kontinuierlich verändert. So gab es immer wieder lange Perioden, in denen die Erde eine „Erkältung“ hatte und ein Dasein als kosmischer Schneeball fristete. Es existierten aber auch „Fieber-Phasen“, in denen es viel heißer war als heute und die Eisschilde an den Polen komplett abgeschmolzen waren.

Solch ein Treibhausklima könnte uns vielleicht schon bald wieder drohen. Denn durch die massenhafte Verbrennung von Erdöl, Kohle und Gas seit Beginn der Industriellen Revolution sind die CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre und damit auch die Temperaturen weltweit erheblich angestiegen – seit Beginn des 20. Jahrhunderts um durchschnittlich 0,74 °C. Ein Hotspot des menschengemachten Klimawandels befindet sich in Zentralasien, nördlich des gewaltigen Himalaya-Gebirges: im Hochland von Tibet. Hier wird es seit geraumer Zeit um bis zu 0,3 °C pro Jahrzehnt heißer – ungefähr dreimal so viel wie im globalen Mittel. Wenn der gegenwärtige Trend anhält, könnten bis 2050 bereits zwei Drittel der Gletscher auf dem Tibetischen Plateau verschwunden sein. Heute gilt es wegen seiner gewaltigen Eisreservoire noch als „dritter Pol“ der Erde. Doch sicher ist das Klimaschicksal Tibets keineswegs. Das Kernproblem der Wissenschaftler fasst Yao Tandong vom Institute of Tibetan Plateau Research in Peking zusammen: „Wir wissen so wenig über das Hochland von Tibet und verstehen es noch weniger.“

Dieses Dilemma beseitigen soll unter anderem eine Zeitreise in die Vergangenheit der Region. Seit 2004 führt ein Team aus deutschen und chinesischen Forschern eine umfassende Inventur der geologischen, klimatischen und biologischen Geschichte des Hochlands durch, „The Tibetan Plateau – Geodynamics and Environmental Evolution“ so der Name des Projekts. Es ist mit einer Höhe von durchschnittlich 4.500 Metern das höchstgelegene Plateau der Erde – und wird deshalb auch als „Dach der Welt“ bezeichnet. Salzseen sind auf der 1,5 Millionen Quadratkilometer großen Fläche genauso zu finden wie weite Steppen, dichte Wälder und riesige Wüstenlandschaften. Tibet ist aber auch als „Wasserturm“ Asiens bekannt: Die Gletscher auf dem Plateau speisen viele der größten Flüsse, wie den Jangtsekiang, den Gelben Fluss, den Mekong oder den Brahmaputra, und sie beeinflussen damit das Leben vieler Millionen Menschen.

Eine weltweite Klima-Maschine

Verschiedene Luftmassen beeinflussen das Klima auf dem Tibetischen Plateau: der Indische und der Ostasiatische Sommermonsuns bringen Wärme und viel Feuchtigkeit; der Wintermonsun und die Westwinde sorgen für Kälte und Trockenheit. Bild vergrößern
Verschiedene Luftmassen beeinflussen das Klima auf dem Tibetischen Plateau: der Indische und der Ostasiatische Sommermonsuns bringen Wärme und viel Feuchtigkeit; der Wintermonsun und die Westwinde sorgen für Kälte und Trockenheit.

Entstanden ist das Hochland von Tibet vor etwa 50 Millionen Jahren durch die Kollision der Indischen und der Asiatischen Platte. Erst in den letzten 2,6 Millionen Jahren – im Erdzeitalter des Quartärs – hatte sich das Plateau dann so weit gehoben, dass es Einfluss auf das globale Klima der Erde nehmen konnte. So wurden etwa die Luft- und Zirkulationsverhältnisse vor Ort verändert und das so genannte Monsunsystem setzte ein, das als wichtiges Zahnrad in der weltweiten Klima-Maschine gilt. Typisch für den Monsun sind die jahreszeitlich wechselnden kräftigen Winde, die schon vor über tausend Jahren arabische Seefahrer für ihre ausgedehnten Reisen nutzten. Während der Monsun-Saison kommt es aber auch zu heftigen Niederschlägen, die zum Teil sintflutartige Ausmaße annehmen können. Als feuchtester Ort der Erde gilt mit durchschnittlich 11.872 Millimeter jährlich das nordindische Dorf Mawsynram nahe des Himalayas, wo der Monsunregen besonders üppig ausfällt. Hier gibt es manchmal innerhalb von 24 Stunden mehr Niederschlag als in Deutschland in einem ganzen Jahr.

Angetrieben wird das großräumige Monsunsystem, das nicht nur das Klima in Asien, sondern auch in Nordaustralien oder Ostafrika beeinflusst, durch Luftdruckunterschiede über dem Meer und den Kontinenten. So wirken beispielsweise die indischen Landmassen und das Tibetische Plateau im Frühjahr und Sommer wie überdimensionale Heizplatten, die sich durch die sehr starke Sonneneinstrahlung viel schneller erwärmen als etwa die Wasserflächen des Indischen Ozeans. Über dem Kontinent bildet sich infolge der aufsteigenden warmen Luft ein Tiefdruckgebiet aus. „Vor allem zwischen Juni und September strömt feuchte, warme Luft vom Indischen Ozean auf den Kontinent und bringt die Niederschläge des Sommermonsuns“, sagt Günther. Im Winter dagegen sinkt die kalte Luft über dem Land ab und ein Hochdruckgebiet entsteht. Dadurch strömen die trockenen und kalten Luftmassen vom Kontinent in Richtung des viel wärmeren Meeres (Wintermonsun).

Die Bedeutung des Klimaphänomens ist enorm: Über 60 Prozent der Weltbevölkerung sind allein vom asiatischen Monsunsystem abhängig. Denn bleibt der Monsunregen aus, kommt er zu spät oder zu kurz, fehlen in vielen Regionen die wichtigen Niederschläge. Durch Trockenheit sind in den vergangenen Jahrtausenden bereits Kulturen wie die Tang-, Yuan- und Ming-Dynastien Chinas untergegangen. Regnet es aber zu viel auf einmal, gibt es verheerende Überschwemmungen und Erdrutsche. Auf dem Tibetischen Plateau ist der Monsun Garant für vergleichsweise feuchte Sommer – er liefert den Regen, auf den in der Region alle dringend angewiesen sind. Zusammen mit anderen Luftmassen sorgt er aber auch für die trockenen Winter. Doch der Monsun ist kein beständiges, statisches System, sondern unterliegt einem fortwährenden Wandel. Und genau diesem versuchen Gleixner und seine Kollegin Günther in Tibet auf die Spur zu kommen. Sie erforschen und rekonstruieren dort die Monsungeschichte der vergangenen 50 Millionen Jahre.

Chemische Fingerabdrücke

Die Wasserstoffisotopenwerte im jährlichen Niederschlag sind temperaturabhängig. In kalten Gebieten mit wenig Verdunstung findet man daher einen höheren Anteil an leichtem Wasserstoff. In warmen Gebieten ist der Anteil von schwerem Deuterium höher. Bild vergrößern
Die Wasserstoffisotopenwerte im jährlichen Niederschlag sind temperaturabhängig. In kalten Gebieten mit wenig Verdunstung findet man daher einen höheren Anteil an leichtem Wasserstoff. In warmen Gebieten ist der Anteil von schwerem Deuterium höher.

Um das Paläoklima des Gebiets zu enträtseln, haben sie sich einen ganz besonderen Trick einfallen lassen: Sie untersuchen sogenannte chemische Fossilien von Land-, Wasserpflanzen und Algen. Genau wie Saurierknochen und Muscheln zerfallen bzw. verändern sich die chemischen Verbindungen, die etwa in Seesedimenten versteckt sind, über längere Zeiträume nicht. Noch nach Jahrmillionen kann man aus ihnen daher – wenn auch nur mit aufwändigen Analysen – Klimadaten ablesen. Doch was sind chemische Fossilien eigentlich genau? Und wie sind die Informationen über längst vergangene Lebenswelten und Klimaszenarien in ihnen gespeichert? Das Wichtige an chemischen Fossilien ist, dass sie neben Kohlenstoff auch Wasserstoff enthalten. Der weitaus größte Teil des auf der Erde vorkommenden Wasserstoffs – über 99 Prozent – liegt in Form des leichten Wasserstoffisotops (ein Proton im Kern) vor. Nur 0,02 Prozent macht dagegen das fast doppelt so schwere Isotop Deuterium (ein Proton und ein Neutron im Kern) aus. 

Die Forscher nutzen bei ihrer Arbeit das unterschiedliche chemische Verhalten dieser beiden Wasserstoffisotope. Denn verdunstet Wasser, reagiert das leichte Wasser schneller und geht in den gasförmigen Zustand über; das schwere Wasser reichert sich deshalb an. Diesen Vorgang nennt man Isotopenfraktionierung. Er hängt sehr stark von der Umgebungstemperatur, also vom Wetter ab. In kalten Gebieten mit wenig Verdunstung findet man daher einen höheren Anteil an leichtem Wasserstoff; in warmen Gebieten ist hingegen die Verdunstungsrate höher – im Grundwasser oder in Gewässern ist daher viel mehr schweres Deuterium enthalten. 

Pflanzen nutzen das Wasser in ihrer Umgebung; sie bauen fotosynthetisch Biomasse auf – so gelangt der Wasserstoff in ihre Stängel, Blätter und Blüten. Dabei wird der isotopische Fingerabdruck des Wassers – also das Verhältnis zwischen leichtem und schwerem Wasser – im organischen Material präzise abgespeichert. Sterben die Pflanzen ab, werden ihre Überreste in Form von chemischen Fossilien in den Sedimenten der Seen, Flüsse oder Meere abgelagert. Wenn die Klimaforscher Sedimentproben aus tibetischen Seen untersuchen, dann können sie den vor tausenden von Jahren entstandenen isotopischen Fingerabdruck der Pflanzen wieder sichtbar machen und so längst vergangene Niederschlags- und Verdunstungsszenarien enthüllen. Die chemischen Fossilien verraten, wann das Wetter in der Vergangenheit besonders warm oder kalt bzw. feucht oder trocken war. Sie geben aber auch Auskunft darüber, wie schnell sich solche Wetterwechsel vollzogen haben. Die Forscher bekommen so einen Überblick über die Wasserbilanz des Seesystems – und damit auch über Seespiegelschwankungen.

Zeitreise in die Vergangenheit

Das Tibetische Plateau ist Ursprung der meisten großen Flüsse Asiens und beherbergt verschiedene Salz-und Süßwasserseen. Die Max-Planck-Forscher haben diesen Seen Sedimente entnommen, um der Klimageschichte des Plateaus auf die Spur zu kommen. Bild vergrößern
Das Tibetische Plateau ist Ursprung der meisten großen Flüsse Asiens und beherbergt verschiedene Salz-und Süßwasserseen. Die Max-Planck-Forscher haben diesen Seen Sedimente entnommen, um der Klimageschichte des Plateaus auf die Spur zu kommen.

Um an die Klima-Bibliotheken der Seesedimente heranzukommen, werden aufwändige Bohrungen auf dem „Dach der Welt“ durchgeführt. Als wahre Fundgrube für chemische Fossilien hat sich der Salzsee Nam Co, 120 Kilometer nördlich der tibetischen Hauptstadt Lhasa entpuppt. Der Nam Co – tibetisch für „Himmlischer See“ – hat keinen Abfluss und ist rund vier bis fünf Mal so groß wie der Bodensee. Er befindet sich in einer regenarmen Region nördlich des mächtigen Nyainqêntanglha Gebirges. Gerade mal 281 Millimeter Meter Niederschlag fällt hier im Jahr, ein Großteil davon in der Monsunzeit von Mai bis Oktober. Am Nam Co verdunstet jedoch viel mehr Wasser (790 Millimeter) als durch den Monsun bereitgestellt wird. Trotzdem ist der Seespiegel in den vergangenen Jahren durch die Gletscherschmelze im Zuge der globalen Erwärmung enorm angestiegen. 

Die Max-Planck-Forscher interessiert jedoch weniger das Heute, ihr Forschungsblick geht auf der Zeitachse gesehen in die andere Richtung: Wie stark war der Monsun am Nam Co etwa während und nach der letzten Eiszeit, die vor 115.000 Jahren begann und vor 11.700 Jahren endete? Das haben die Forscher vor kurzem anhand eines Bohrkerns aus dem See enthüllt, dessen Sedimente bis in die Zeit vor 23.000 Jahren zurückreichen. Die Untersuchungen ergaben, dass in diesen eiszeitlichen Sedimenten nur wenige chemische Fossilien aus Pflanzen enthalten sind. Zu dieser Zeit war das Pflanzenwachstum offenbar stark eingeschränkt - durch niedrige Temperaturen und/oder geringe Niederschläge. Im Holozän, das vor rund 12.000 Jahren begann, ist es dann weltweit viel wärmer geworden und die Pflanzen konnten besser wachsen, weshalb sich in den jüngeren Sedimenten viel mehr chemische Fossilien finden. 

Spiegelt sich dieser Trend auch in Veränderungen des Monsunsystems seit der letzten Eiszeit wider? Dazu haben die Forscher die chemischen Fossilien in den Sedimenten verschiedener tibetischer Seen verglichen. Neben dem Nam Co gehörten dazu Bangong Co, Sumxi-Longmu Co, Selin Co, Cuo Co sowie der Qinghai-See. Diese liegen weit über das Plateau verteilt und ermöglichen dadurch Rückschlüsse auf die Ausdehnung der unterschiedlichen dort existierenden Luftmassen – etwa ob der Monsun zu einer bestimmten Zeit stärker oder schwächer war und es dementsprechend mehr bzw. weniger geregnet und geschneit hat. 

„Vor 10.000 Jahren begann ein langer Zeitabschnitt, in dem viele Niederschläge gefallen sind, vor allem im Südosten des Tibetischen Plateaus“, sagt Gleixner. „Die Niederschläge wurden vom indischen und ostasiatischen Sommermonsun mitgebracht“. Darüber hinaus zeigen die Sedimente, dass das südöstliche Plateau damals deutlich länger und intensiver vom Sommermonsun beeinflusst wurde als der Nordwesten. Ein Abschwächen des Monsuns, das vor etwa 6.000 Jahren begann, sorgte in der Folge an den meisten Seen für trockenere Klimabedingungen – erkennbar unter anderem am Absinken der Seespiegel und der zunehmenden Versalzung des Wassers. Vor 3.000 Jahren gab es dann einen weiteren Zeitabschnitt mit stärkeren Niederschlägen, die hauptsächlich im Bereich von Bangong Co, Sumxi-Longmu Co und Selin Co niedergingen. Sie stammten nach den Ergebnissen der Forscher von den Westwinden, deren Einfluss allerdings nach Südosten hin abnahm.

Seesedimente enthüllen feuchte und trockene Klimaperioden auf dem Tibetischen Plateau in den letzten 12.000 Jahren. Bild vergrößern
Seesedimente enthüllen feuchte und trockene Klimaperioden auf dem Tibetischen Plateau in den letzten 12.000 Jahren.

Wechselnde Winde

Insbesondere am Nam Co identifizierten die Wissenschaftler schließlich in jüngerer Vergangenheit eine auffällig feuchte Klimaphase, die mit der sogenannten Mittelalterlichen Warmzeit (etwa 800 bis 1300 n. Chr.) in Zusammenhang stehen könnte. Die milden Temperaturen damals wurden vermutlich durch eine deutlich verstärkte Sonnenaktivität und einen weltweit ungewöhnlich geringen Vulkanismus ausgelöst. Generell zeigen die neuen Ergebnisse, dass es in der Klimageschichte des Tibetischen Plateaus seit der letzten Eiszeit sowohl feuchte als auch trockene Zeitabschnitte gab. Momentan herrscht eine Trockenperiode im Hochland vor. Es gibt also vielfältige Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Windsystemen auf dem Tibetischen Plateau, den Westwinden und dem Monsun. 

Bis jedoch die Entwicklung des tibetischen Klima- und Monsunsystems vollständig rekonstruiert ist, bleibt noch einiges zu tun. So wollen die Forscher einer Reihe weiterer Seen in Zentraltibet ihre Geheimnisse entlocken. Die Gewässer werden so ausgewählt, dass sie gut über das Plateau verteilt sind und dadurch alle wichtigen Wasserquellen untersucht werden können. „Je mehr Beprobungspunkte wir haben, desto exakter sind letztendlich auch unsere Rekonstruktionen“, sagt Gleixner. 

Langfristig ist zudem eine besonders tiefe Bohrung im Nam Co geplant. Die dabei gewonnenen Sedimente könnten wichtige neue Resultate über die letzte Warmzeit (Eem) liefern, die vor etwa 126.000 Jahren begann und rund 115.000 Jahren endete. Damit hätten die Forscher einen weiteren Mosaikstein der Klima- und Monsungeschichte des tibetischen Plateaus enträtselt. „Und irgendwann steht dann ein Vergleich unserer Ergebnisse mit weiteren Paläoklimadatensätzen an, unter anderen in Klimamodellen“, blicken die Jenaer Biogeochemiker in die Zukunft. Vielleicht gelingt es ihnen ja am Ende tatsächlich, aus den ermittelten Monsunänderungen der Vergangenheit zu lernen und gute Prognosen für die Klimazukunft Tibets zu erstellen. Für Mensch und Natur in diesem extremen Lebensraum könnte dies überlebenswichtig sein.

GEOMAX Ausgabe 19, Sommer 2012; Redaktion: Christina Beck, Autor: Dieter Lohmann