Eine entscheidende Rolle der Wechselwirkungen Ozean–Meereis für die ausgeprägte Erwärmung während des Miozänen Klimaoptimums

Als die Erde überraschend warm war

Vor etwa 17 Millionen Jahren geriet unser Planet in eine natürliche Hitzewelle, das Miozäne Klimaoptimum. Die globalen Temperaturen lagen deutlich über dem heutigen Niveau, und die Polarregionen erwärmten sich besonders stark. Doch selbst die besten Klimamodelle hatten Schwierigkeiten, das Ausmaß dieser Erwärmung nachzubilden, insbesondere in Polnähe. Diese Studie stellt eine einfache, aber tiefgehende Frage: War der Schlüssel zu dieser antiken Wärme nicht nur die Menge der Treibhausgase in der Atmosphäre, sondern auch das, was in den Ozeanen und im Meereis in hohen Breiten geschah?

Ein vergangenes Klima, das unsere Modelle herausfordert

Geologische Befunde deuten darauf hin, dass die globalen Oberflächentemperaturen während des Miozänen Klimaoptimums um etwa 8–10 °C höher lagen als in vorindustrieller Zeit, wobei polare Meere stellenweise mehr als 10 °C wärmer waren als heute. Der Kohlenstoffdioxidgehalt dürfte zwei- bis dreimal so hoch gewesen sein wie vor der Industriellen Revolution, was die Erwärmung erklärt, aber nicht die überraschend geringe Temperaturdifferenz zwischen Äquator und Polen. Viele frühere Modellstudien konnten das Klima insgesamt erwärmen, scheiterten jedoch beständig daran, die hohen Breiten ausreichend zu erwärmen. Diese Diskrepanz warf Zweifel daran auf, wie gut wir sowohl vergangene als auch zukünftige warme Klimata verstehen.

Zwei virtuelle Erden im Vergleich

Die Autorinnen und Autoren nutzten zwei ausgefeilte Erdsystemmodelle—NorESM1-F und IPSL-CM5A2—und gaben ihnen dieselbe miocäne Geographie, Vegetation, Eisschilde und zwei plausible Kohlendioxidkonzentrationen. Diese Einrichtung erlaubte einen fairen Vergleich, wie jedes Modell dieselbe antike Welt behandelte. Beide virtuellen Erden erwärmten sich erheblich, im Mittel um etwa 4–8 °C, im Einklang mit vielen Rekonstruktionen. Sie gingen jedoch im Arktischen stark auseinander. NorESM zeigte extreme polare Erwärmung, mit arktischen Oberflächentemperaturen mehr als 20 °C über vorindustriellen Werten und einem fast eisfreien Arktischen Ozean. IPSL dagegen zeigte deutlich moderatere Polarisierung und saisonales Meereis, das im Winter noch große Flächen bedeckte. Beim Vergleich der Modellergebnisse mit fossilen und chemischen Temperaturanzeigern in Gesteinen und Sedimenten stimmte NorESM die ungewöhnlich warmen Meere hoher Breiten besser ab als IPSL, obwohl es in einigen Landregionen zu heiß rechnete.

Wie Ozeanströmungen und Meereis das Gleichgewicht kippen

Um zu verstehen, warum die Modelle so unterschiedlich reagierten, zerlegten die Forschenden den Energiebilanz- und die Zirkulationsmuster. In beiden Welten fingen zusätzliche Treibhausgase mehr Wärme ein und schmelzendes Eis machte weniger reflektierende Oberfläche frei, sodass mehr Sonnenlicht absorbiert wurde. Auch Wolken trugen in hohen nördlichen Breiten etwas zusätzliche Erwärmung bei. Der entscheidende Unterschied lag jedoch in Ozeanen und Meereis. In NorESM pumpte eine starke Umwälzzirkulation im Atlantik große Mengen warmen, salzhaltigen Wassers in Richtung Arktis und mischte es nach unten, während die Tiefenwässer aus Süden abgeschwächt wurden. Diese kräftige Zirkulation, kombiniert mit einer weitgehend offenen Verbindung zwischen Atlantik und Arktis, flutete den Polarmeer mit Wärme und Salz. Das salzigere Wasser fror schlechter, und starke Durchmischung brachte kontinuierlich Wärme an die Oberfläche, so dass sich Meereis nicht wieder bilden konnte. Mit fast ganzjährig fehlendem Meereis nahm der dunkle Ozean noch mehr Sonnenenergie auf, was die Polartemperaturen zusätzlich antrieb. IPSL simulierte hingegen eine schwächere Umwälzung, geringeren nordwärtigen Wärmetransport und persistenten Wintermeereis, das die Arktis kühler hielt.

Die Rolle der Atmosphäre überprüfen

Das Team prüfte außerdem, ob Unterschiede in der Atmosphäre allein die konträren Ergebnisse erklären könnten. Beide Modelle zeigten eine abgeschwächte tropisch‑polare Luftzirkulation, ein Muster, das auch für zukünftige Erwärmungsszenarien erwartet wird. Als die Forschenden eine atmosphärische Einzelmodellversion von NorESM mit Meeresoberflächentemperaturen und Meereismustern aus den IPSL-Läufen zwang, ähnelte das resultierende Erwärmungsmuster viel mehr IPSL als NorESM. Dieses Experiment zeigte, dass sich die Atmosphären beider Modelle großräumig ähnlich verhalten. Die eigentliche Hebelwirkung kam davon, wie die Ozean‑ und Meereissysteme der jeweiligen Modelle reagierten—insbesondere wie viel Wärme der Ozean nach Norden transportierte und wie leicht die Arktis ihre Eisbedeckung verlieren konnte.

Lehren für die Zukunft aus einem antiken Ozean

Einfach ausgedrückt argumentiert diese Arbeit, dass das Miozäne Klimaoptimum ein grundsätzlich anderes Polarklima gewesen sein könnte—eines, in dem starke Ozeanströmungen, salzreiche Oberflächengewässer und stark reduziertes Meereis gemeinsam mit Treibhausgasen die Erwärmung in hohen Breiten massiv verstärkten. NorESMs Version dieser Welt, mit einer kräftigen atlantischen Zirkulation und nahezu eisfreier Arktis, passt besser zu den verfügbaren Belegen als eine kühlere, eisreiche Arktis, auch wenn sie den Meereisverlust möglicherweise zu stark darstellt. Die Studie unterstreicht, dass das richtige Verständnis vergangener und zukünftiger warmer Klimata nicht nur von der korrekten Kohlendioxidkonzentration abhängt. Es erfordert ebenso, die Wechselwirkungen zwischen Ozeanen und Meereis zu erfassen und wie empfindlich diese Systeme auf Veränderungen von Geographie und Forcings reagieren. Bessere Vergleiche zwischen vielen Modellen und mehr geologische Hinweise auf antikes Meereis und Tiefenwasserzirkulation werden entscheidend sein, um zu klären, wie unsere sich erwärmenden Ozeane das polare Klima in den kommenden Jahrhunderten umgestalten könnten.

Zitation: Tan, N., Fluteau, F., Zhang, Z. et al. A critical role of ocean–sea ice interactions in the pronounced warmth during the Miocene Climatic Optimum. Commun Earth Environ 7, 326 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03324-2

Schlüsselwörter: Miozänes Klimaoptimum, ozeanische Zirkulation, Meereis, polare Verstärkung, Atlantische Umwälzung