Seit dem Ende der Kreidezeit vor etwa 65,5 Millionen Jahren hat sich das Klima auf der Erde anhaltend verändert. Während die Kreidezeit durch ein extrem warmes “Treibhausklima” mit eisfreien Polregionen und erhöhtem Meeresspiegel gekennzeichnet war, setzte im daran anschließenden Känozoikum (der Erdneuzeit) ein bis heute andauernder allgemeiner Abkühlungstrend ein. In Tiefsee-Sedimenten finden sich Hinweise darauf, dass diese Klimaentwicklung nicht immer stetig verlief. Größere Abkühlungsereignisse ereigneten sich am Übergang vom Eozän zum Oligozän (vor ca. 34 Mio. Jahren) sowie während des mittleren Miozäns (vor ca 14 Mio. Jahren), die jeweils mit einer Vereisung der Antarktis einhergingen (Miller et al., 1987; Kennett und Barker, 1990; Billups und Schrag, 2002; Eldrett et al., 2007).

Eine mögliche Ursache für diese Abkühlungsereignisse sind globale Umstellungen der Ozeanzirkulation, die Änderungen in polwärtigen Wärme- und Wasserdampftransporten nach sich zogen (Kennett, 1977; Zachos et al., 2001). Die Ozeanzirkulation wurde möglicherweise durch tektonische Veränderungen in Ozeanstraßen beeinflusst. Für diese Hypothese sprechen Daten in marinen Sedimenten (wie Zeitreihen von stabilen Kohlenstoffisotopen, vgl. Wright und Miller 1996, Billups 2002) sowie die rekonstruierten Zeitpunkte,  an denen sich wichtige Ozeanstraßen entweder öffneten (Drake-Straße, Tasmanischer Seeweg und Indonesischer Durchstrom) oder schlossen (Östliche Tethys; Woodruff und Savin, 1989; Cane und Molnar, 2001; Lawver und Gahagan, 2003). Allerdings kann dieser Mechanismus nicht erklären, warum der antarktische Eisschild im späten Oligozän (vor ca. 26 Mio. Jahren) vorübergehend wieder abschmolz und es anschließend eine Warmphase gab, die bis zum Ende des frühen Miozäns (bis vor ca. 15 Mio. Jahren) dauerte.

Alternative Hypothesen versuchen känozoische Klimaveränderungen über Variationen des atmosphärischen Kohlendioxid-(CO₂)-Gehalts zu erklären. Dieser könnte durch eine höhere kontinentale Verwitterung (Raymo, 1994) und / oder die vermehrte Ablagerung von organischen Sedimenten in Schelfmeeren (Derry und France-Lanord, 1996) zurückgegangen sein, was letztlich zur Vereisung der Antarktis und globalen Abkühlung führte (DeConto und Pollard, 2003). In den Sedimenten des Pazifiks finden sich Ablagerungen, die auf eine verstärkte marine Kohlenstoff-Speicherung während des Übergangs vom Eozän zum Oligozän verweisen. Jedoch ist die Datenlage für das mittlere Miozän widersprüchlich (vgl. u.a. Vincent und Berger, 1985). Methodisch davon unabhängige Rekonstruktionen des atmosphärischen CO₂-Gehalts zeigen eine Abnahme an der Eozän-Oligozän-Grenze, aber keinen weiteren CO₂-Rückgang während des mittleren Miozäns (Pagani et al., 1999; Pearson und Palmer, 2000). Diese Rekonstruktionen zeigen auch, dass während der Warmphase des frühen Miozäns die atmosphärischen CO₂-Konzentrationen bemerkenswert niedrig waren (möglicherweise geringer als während der 10000 Jahre).

Diese widersprüchlichen Befunde deuten darauf hin, dass unser Verständnis känozoischer Klimaveränderungen noch sehr begrenzt ist. Auf langen Zeitskalen (10⁵ - 10⁶ Jahre) hat sich das Klima der Erde anscheinend unabhängig vom atmosphärischen CO₂-Gehalt entwickelt, was unser bisheriges Verständnis des Klimasystems in Frage stellt. Möglicherweise waren damals Antriebsmechanismen oder Rückkopplungseffekte im Spiel, die von den heutigen verschieden sind. Potenzielle Kandidaten sind dabei die Landvegetation sowie andere Treibhausgase wie Methan oder Lachgas.

Paläontologische und palynologische (= Pollen-) Daten zeigen, dass die känozoische Klimaentwicklung mit markanten Verschiebungen von Pflanzenarten und Vegetationszonen einher gegangen ist (vgl. z.B. Cerling et al., 1997; Morley, 1999; Bredenkamp et al., 2002). Während der Eozän-Oligozän-Vereisung der Antarktis gab es keine nennenswerten tropischen Regenwälder polwärts der Subtropen. Hingegen entwickelten sich unter trockenen Klimabedingungen Grasländer, die sich im Oligozän immer weiter ausbreiteten. Während des Klimaoptimums des frühen Miozäns fanden sich noch einmal tropische Regenwälder auch außerhalb der Tropen und Subtropen. Im Laufe der daran anschließenden globalen Abkühlung zogen sich die tropischen Regenwälder wieder bis an den Äquator zurück, während große Gebiete der niedrigen Breiten von Grasländern und Wüsten bedeckt waren (Morley, 1999; Bredenkamp et al., 2002). Vor ca. acht bis fünf Millionen Jahren setzten sich zunehmend Pflanzenarten mit der so genannten C4-Photosynthese durch (Cerling et al., 1997; Freeman und Colarusso, 2001). C4-Pflanzen sind besser an niedrige CO₂-Konzentrationen und Trockenheit angepasst als die erdgeschichtlich älteren C3-Pflanzen, sodass die Artenverschiebung ein Hinweis auf sinkende atmosphärische CO₂-Gehalte und / oder Veränderungen der Niederschlagsverteilung sein kann. Weitere Vegetationsänderungen traten mit der Entstehung arktischer Dauerfrostgebiete auf, die möglicherweise schon im mittleren Miozän eingesetzt hat (Romanovskii et al., 2004).

Obwohl sich während des Miozäns die meisten der heutigen Vegetationszonen ausgebildet haben, ist über die Natur der Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Klima bisher wenig bekannt. Haben sich die Landpflanzen nur an die klimatischen Veränderungen während des Känozoikums angepasst, oder hat die Vegetation umgekehrt auch auf die  Klimaübergänge zurückgewirkt, wenn nicht sogar diese angetrieben? Sensitivitätsstudien mit Zirkulationsmodellen der Atmosphäre ergeben, dass im späten Miozän (vor ca. acht Mio. Jahren) die Vegetation zu einer Erwärmung der hohen Breiten beigetragen haben kann (Dutton und Barron, 1997; Micheels et al., 2007). Eine dieser Studien zeigt ferner eine Intensivierung des Wasserkreislaufs mit höheren kontinentalen Niederschlägen und erhöhtem kontinentalen Abfluss (Micheels et al., 2007). Dies könnte dazu beigetragen haben, dass im späten Miozän die Lufttemperatur zwischen den Polen und den Tropen weniger variierte als heute.

Vegetationsverschiebungen sind eng verknüpft mit Änderungen der Quellen und Senken von Treibhausgasen biologischen Ursprungs. Eine kürzlich veröffentlichte Studie diskutiert einen bislang noch unbekannten physiologischen, stark temperaturabhängigen Prozess, über den Landpflanzen Methan emittieren (Keppler et al., 2006). Auf diese Weise könnten 30-100% der jährlichen vorindustriellen Methanemissionen durch Pflanzen erzeugt worden sein. Die Ergebnisse werden zur Zeit noch debattiert (Dueck et al., 2007; Ferretti et al., 2007). Sollten sie sich erhärten, könnte diese Methanquelle im Miozän aufgrund der damals üppigeren Vegetation noch klimawirksamer gewesen sein als heute.

Die DFG-Forschergruppe “Understanding Cenozoic Climate Cooling” befasst sich mit der oben skizzierten Klimaentwicklung des Känozoikums und untersucht, welche Rollen dabei der Wasserkreislauf, der Kohlenstoffkreislauf, die Vegetation sowie Nicht-CO₂-Treibhausgase spielten. Forschungsschwerpunkt der ersten Antragsphase ist die Abkühlung während des mittleren Miozäns mit der darauf folgenden Ausbreitung der Grasländer sowie der Entstehung der modernen globalen Ozeanzirkulation. In der zweiten Antragsphase soll die Abkühlung am Übergang vom Eozän zum Oligozän studiert werden. Methodisch umfassen die Untersuchungen sowohl datenbasierte Rekonstruktionen der Paläoumwelt als auch numerische Modellstudien. Ein besonderes Gewicht liegt dabei auf der Überprüfung der Modellergebnisse durch terrestrische und marine Sedimentdaten. Zu diesem Zweck sollen solche Daten (Indikatoren wie stabile Wasserstoff- und Kohlenstoffisotope) möglichst direkt simuliert werden. Die numerischen Modellstudien untersuchen das Verhalten des Klimasystems unter Randbedingungen, die von den heutigen sehr verschieden waren. Die Resultate werden nicht nur zu einem umfassenderen Verständnis vergangener Entwicklungen beitragen, sondern ebenfalls zu einem verbesserten Verständnis möglicher zukünftiger Klimaveränderungen.

Hauptziele der Forschergruppe sind

(1)
Untersuchungen känozoischer Klima- und Vegetationsänderungen durch die Auswertung bereits existierender Datensätze sowie durch eigene Rekonstruktionen anhand von neu gewonnenen Sedimentdaten (Arbeitspakete 1,2 und 4),

(2)
quantitative Bewertungen des Einflusses von Vegetationsverschiebungen auf Kohlenstoff-Reservoire an Land (Arbeitspakete 1 und 2),

(3)
die Abschätzung des Klimapotenzials pflanzlicher Methanemissionen als Folge der Verschiebung von Vegetationszonen (Arbeitspaket 3),

(4)
Studien zum Einfluss veränderter Paläoumweltbedingungen auf das Klimasystem, wie z. B. auf Zirkulationsmuster in Atmosphäre und Ozean (Arbeitspakete 4 und 5),

(5)
die Identifizierung von Rückkopplungs- und Kombinationseffekten im System Atmosphäre-Ozean-Vegetation mit Hilfe von numerischen Simulationen (Arbeitspaket 5),

(6)
die Validierung von Modellrechnungen durch Rekonstruktionen der Paläoumwelt und geostatistische Verfahren (alle Arbeitspakete).

Die Forschergruppe setzt sich aus fünf Partnerinstituten zusammen, die in fünf thematischen Arbeitspaketen interdisziplinär zusammenarbeiten. Im Einzelnen handelt es sich um folgende Arbeitspakete und Projektleiter:

Arbeitspaket 1 (Volker Mosbrugger, Louis François) erstellt Klima- und Vegetationskarten anhand von pflanzlichen Fossilien und mit Hilfe von mathematischen Verfahren. Außerdem werden der kontinentale Eintrag von organischer Materie in die Ozeane sowie kontinentale Verwitterungsraten abgeschätzt.

Arbeitspaket 2 (Enno Schefuß, Lydie Dupont) untersucht die Klimabedingungen im südlichen Afrika während der Ausbreitung der C4-Pflanzen anhand von Markerstoffen und Pollen in Sedimenten. Von den Ergebnissen lassen sich Aussagen über die Kohlenstoffspeicherung in der Landbiosphäre ableiten.

Arbeitspaket 3 (Martin Schulz, Gerrit Lohmann) bestimmt die globale Verteilung von Feuchtgebieten und Methanquellen und simuliert atmosphärische Spurengaskonzentrationen mit Hilfe eines Atmosphärenchemie-Modells. Ferner werden potenzielle Wechselwirkungen mit der Klimadynamik untersucht.

Arbeitspaket 4 (Torsten Bickert) betrachtet die biogeochemische Rolle der Ozeane im Känozoikum und studiert die Verbindungen zwischen Ozeanzirkulation, marinem Kohlenstoffkreislauf und kontinentaler Verwitterung mit Hilfe von numerischen Modellen sowie marinen Sedimentdaten.

Arbeitspaket 5 (Gerrit Lohmann, Johann Jungclaus, Arne Micheels) führt globale Klima- und Vegetationssimulationen durch, wobei ein besonderer Schwerpunkt das Klimapotenzial von Wäldern und Feuchtgebieten in den hohen Breiten ist. Zusammen mit Arbeitspaket 4 werden systematisch Rückkopplungsprozesse im Klimasystem analysiert.

Arbeitsplan und Modellstrategie

Die Forschergruppe verfolgt einen integrierten Ansatz, der datenbasierte Klima-Rekonstruktionen mit numerischer Modellierung verbindet. Bereits bestehende Datensätze und neue Studien vergangener Umweltbedingungen liefern die Randbedingungen für die numerischen Modellstudien. Darüber hinaus bilden die Rekonstruktionen die Grundlage neuer Arbeitshypothesen, und sie sind wichtig für die Überprüfung der Modellergebnisse. Für die Studien sollen verschiedenste Umweltinformationen zusammengeführt werden: Daten über Paläogeografie und kontinentale Topografie (Ruddiman et al., 1997; Fluteau et al., 1999; Spicer et al., 2003; Kutzbach und Behling, 2004; Steppuhn et al., 2007), die Gestalt der Ozeanbecken, Ozeanstraßen und Meeresrücken (vgl. z.B. Butzin et al., 2009), die Vegetationsbedeckung (Mai 1995; Jacobs et al., 1999; Willis und McElwain, 2002; Micheels et al., 2008), die Verteilung der Böden; sowie Indikatoren für Meerestemperaturen, die Chemie der Meere und atmosphärische CO₂-Konzentrationen in der Vergangenheit (Pearson und Palmer, 2000; Pagani et al., 2005). Diese Datensätze werden zunächst das Neogen (die jüngste geochronologische Periode des Känozoikums, seit ca. 23 Mio Jahren) betreffen und sollen in der zweiten Antragsphase das Paläogen (die älteste geochronologische Periode des Känozoikums, vor ca. 65 - 23 Mio. Jahren) abdecken.

            In der Forschergruppe werden numerische Modelle mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad angewendet. Im Zentrum steht das Erdsystemmodell COSMOS (http://cosmos.enes.org), dessen Entwicklung am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg betrieben wird. COSMOS hat eine modulare Struktur. Der Kern besteht aus dem Atmosphären-Zirkulationsmodell ECHAM5 (Roeckner et al., 2003) und dem Ozean-Meereis-Zirkulationsmodell MPI-OM (Marsland et al., 2003). Verfügbar sind weitere Module für die Simulation von Oberflächenprozessen und der Vegetation an Land (JSBACH; Raddatz et al., 2007), für marine Biogeochemie (HAMOCC5; Wetzel et al., 2005) und für Luftchemie (MOZART; Horowitz et al., 2003). Das Atmosphären-Ozeanmodell COSMOS1 (Jungclaus et al., 2006) lieferte Modellrechnungen für den jüngsten Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC, 2007). Eine Version mit zusätzlich angekoppelter mariner Biogeochemie und Landvegetation (Raddatz et al., 2007) wurde in einem internationalen Modellvergleich für gekoppelte Kohlenstoffkreislauf-Klimamodelle getestet (Friedlingstein et al., 2006). Eine innovative Programmstruktur erlaubt, dass das COSMOS-Modell je nach Anforderungen mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad betrieben werden kann. In diesem Forschungsprojekt soll die komplette Konfiguration während der zweiten Antragsphase eingesetzt werden. Die Forschergruppe wird dann auch von Simulationen mit einem kontinentalen Eisschildmodell profitieren, die gegenwärtig im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms Antarktis (DFG-Projekt Lohmann, Grosfeld, Huybrechts, Butzin) durchgeführt werden. Die Einbindung eines solchen Eisschildmodells in die COSMOS-Struktur würde es ermöglichen auch känozoische Meeresspiegeländerungen zu simulieren.

            Gewisse Teststudien sowie Modellrechnungen über sehr lange (geologische) Zeiträume erfordern die Anwendung von numerischen Modellen, die weniger komplex und rechenzeitaufwändig als COSMOS sind. Arbeitspaket 5 wird den Einfluss astronomischer Erdbahnparameter und topografischer Änderunhen mit dem Modell Planet Simulator studieren (Fraedrich et al.,2004). Arbeitspaket 4 wird lange Simulationen der Ozeanzirkulation und des marinen Kohlenstoffkreislaufs mit dem schnellen Zirkulationsmodell LSG (Maier-Reimer et al., 1993; Prange et al., 2003) und dem Kohlenstoff-Sediment-Modell HAMOCC2s (Heinze und Meier-Reimer, 1999; Heinze et al., 1999) durchführen.

            Die Modelldaten werden in der CERA-Datenbank (http://cera-www.dkrz.de) des World Data Center for Climate abgelegt werden, die am Deutschen Klimarechenzentrum in Hamburg angesiedelt ist. Auf diese Weise sind die Modellergebnisse auch der wissenschaftlichen Gemeinschaft außerhalb der Forschergruppe zugänglich.

Infrastruktur, Zusammenarbeit und Nachwuchsförderung

            Die Forschergruppe wird von Prof. Dr. Gerrit Lohmann (Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven sowie Universität Bremen) und Dr. Torsten Bickert (Universität Bremen) koordiniert. Die Forschergruppe ist als Netzwerk organisiert, in dem  Spezialisten fächerübergreifend zusammenarbeiten. Es sind gegenseitige Besuche, Workshops und gemeinsame Publikationen vorgesehen. Die Forschergruppe kooperiert mit anderen nationalen und internationalen Forschungsgruppen und Institutionen, insbesondere mit  NECLIME (Neogene Climate Evolution in Eurasia), IODP (Integrated Ocean Drilling Program) und MARUM (DFG-Forschungszentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen). Darüber hinaus gibt es zahlreiche Kontakte zu anderen Spezialisten, die an verwandten Fragestellungen arbeiten.

            Die Forschergruppe beschäftigt 6 Doktoranden und 3 Postdoktoranden. Diese Wissenschaftler sind voll in das Netzwerk der Forschergruppe eingebunden und erhalten eine breite multidisziplinäre Unterstützung bei ihren Aufgaben. Für die Doktoranden ist ein Austauschprogramm vorgesehen, in dem jeder Doktorand mindestens sechs Monate an einem Partnerinstitut verbringt. Regelmäßige Seminare innerhalb der Forschergruppe sowie offene Workshops mit internationaler Beteiligung gewährleisten die Kommunikation der Forschungsergebnisse. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass Gastwissenschaftler von externen Forschungsinstitutionen für mehrere Monate in der Forschergruppe mitarbeiten. Außerdem werden Lehrveranstaltungen zu aktuellen Forschungsthemen und speziellen Methoden gehalten. Diese Veranstaltungen werden im Rahmen bereits bestehender Graduiertenprogramme (wie das European Graduate College in Marine Sciences, das Physics International Postgraduate Programme sowie die International Max Planck School on Earth System Modeling) angeboten und sind für alle interessierten Studenten und Wissenschaftler offen.