1.

Eine Übersicht
 

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Gründe für den Beginn der pleistozänen Vereisung werden in vier Gruppen unterteilt:

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Externe Faktoren sind meist zyklisch, können aber alleine nicht die starken Temperaturunterschiede zwischen Glazialen und Interglazialen erklären

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Geologische Faktoren erklären den allgemeinen Abkühlungstrend während des Pleistozäns, können aber die Zyklizität der Klimaschwankungen nicht verursacht haben

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Die Internen Faktoren (oder Rückkopplungen) sind am komplexesten, können aber in Verbindung mit externen Impulsen die zeitliche und zyklische Ausprägung am besten erklären (positive und negative feedbacks)

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Zufallsfaktoren sind verantwortlich für Unsicherheiten, plötzliche Wechsel im System, chaotische Fluktuationen...

2.

Ein Szenario zur Entstehung und für das Ende der Eiszeiten (siehe auch Abbildung weiter unten)
 

2.1.

Mögliche Faktoren und Rückkopplungen welche Eiszeiten auslösen könnten
 

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die 23000a und 41000a Zyklen im Erdorbit kontrollieren die Einstrahlungsänderungen auf der Nordhalbkugel (NHK) und steuern Eiszeiten

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wenn winterlicher Schneefall im Bereich um 65° N im folgenden Sommer nicht kontinuierlich schmilzt bilden sich Eismassen

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die heutige interglaziale Zirkulation wird von der N-atlantischen, thermohalinen Senke angetrieben (Wärmepumpe, bringt warme Oberflächenwasser in den N-Atlantik, und relativ warme Tiefenwasser in den Einflussbereich der Antarktis)

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zu Beginn der Vereisung nimmt die Verdunstung im Arktischen Ozean ab und der Ausfluss in die N-atlantische Senke stoppt (Zirkulation wird abgestellt)

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Folge ist ein verminderter Wärmetransport in die Antarktis (Meereis breitet sich aus)

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Auch um die Antarktis strömen die Tiefenwässer nicht mehr in das Zirkulationsband (und damit in den Pazifik), sondern fließen direkt in den Atlantik

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dieser kühlt sich ab, was zu einem verstärkten Temperaturgradienten auf der Südhalbkugel (SHK) führt (Polarfront und Phytoplankton wandert nordwärts)

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größere Phytoplanktonproduktion: geringfügig wärmeren subtropischen Gewässern und Düngung durch aus den Kontinenten ausgeblasenes Eisen

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dieses Phytoplankton erhöht den atmosphärischen Gehalt von Dimethylsulfaten, welche eine größere planetare Albedo ( = mehr Wolken) bedingen / außerdem entzieht Phytoplankton der Atmosphäre CO2

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gleichzeitig führt der erhöhte Anteil von Kondensationskernen in der Atmosphäre zur Wasserkonkurrenz und Bildung kleinerer Wassertropfen ( = mehr Niederschlag)

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mobile Polarhochs führen diese tropischen Wolken in polare Regionen (kühlere Temperaturen = längere Lebensdauer der Wolken)

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wachsende Eisschilde spalten Windsysteme, dehnen kalte Temperaturen aus und führen zu verstärkter Aridität und Produktion atmosphärischer Stäube

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Meeresspiegel sinkt, größere Flächen exponiert

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der Einfluss der Eisschilde überdeckt die 23000 und 41000 jährigen Zyklen und fördert die Ausprägung des schwächeren 96000 jährigen Zyklus
 

2.2.

Das Ende einer Eiszeit
 

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gesteuert von Einstrahlungseffekten der kleinen MILANKOWITSCH-Zyklen, überlagern den längeren Zyklus (Exzentrität)

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Schmelzwässer gelangen durch den Mississippi in den Golf von Mexiko

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Wärmeres Oberflächenwasser gelangt in den Nordatlantik

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Thermohaline Pumpe springt an (kann auch in kürzeren Warnperioden (= Interglaziale) geschehen, allerdings nicht wenn der Warmzeit kürzer als 2000 a, da dann der Impuls nicht in die Antarktis gelangt > kein globales Phänomen

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Katastrophen-ähnliche Fluten vom N-amerikanischen Eisschild führten zu plötzlichen Meeresspiegelanstiegen (v.a. wenn die relativ flachen Schelfbereiche geflutet werden) Folge: Eisberge kalben, große Rückzugsphasen

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bei anhaltendem Meeresspiegelanstieg kommt es wieder zu Strömungen aus dem Arktischen Ozean in den Atlantik (N-atlantische Wärmepumpe erreicht wieder ihre maximale Aktivitätsstufe)

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daraus folgt ein schneller Rückzug von Meereis in den antarktischen Gewässern

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Übergang in Interglazial
 

3.

Die Faktorenkomplexe im Einzelnen
 

3.1.

Externe Faktoren
 

3.1.1.

Wechsel im solaren Orbit

(a)

Grundlegender Zyklus von 200-300 Mio. a korreliert mit großskaligen geologischen Prozessen (Plattentektonik, Orogenese), Wanderung des Sonnensystems durch die Milchstrasse.

(b)

Außerdem wandert das Sonnensystem zyklisch durch die ‚galaktische Ebene' (alle 33 Mio. a): bei jeder Durchquerung wird das Sonnensystem von größeren Staubwolken umgeben. Korrelation mit verstärktem Vulkanismus, Meteoriteneinschlägen, Massensterben und Magnetfeldumpolungen. Pleistozän beginnt ebenfalls während einer Durchquerung!

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Die Menge an kosmischen Staub, die das Sonnensystem abbekommt hängt von der Neigung der Sonnensystemsachse ab. Diese ist nicht stabil, sondern unterliegt einem Zyklus von 100 ka (größere Mengen kosmischen Staubs korreliert mit Interglazialen)
 

3.1.2.

Kometen

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können ebenfalls den extraterrestrischen Staub erhöhen. Kommen aus dem Kuiper-Gürtel (um Neptun) oder dem Oort-Gürtel (außerhalb des Sonnensystems)

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Anziehungskraft von Jupiter und Saturn reicht aus um Objekte bis 200km Ø den inneren Teil des Sonnensystems alle 200 ka passieren zu lassen.

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Kreide-Tertiär-Grenze:
Impakt auf der Yukatan-Halbinsel; allerdings können auch kleinere Objekte (< 1km Ø) einen großen Einfluss auf das Klima haben (große Mengen Aerosol in der Stratosphäre...). Impacts sind aber nicht regelmäßig genug, um zyklische Schwankungen zu verursachen!

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Allerdings müssen Kometen nicht auf die Erde stürzen um das Klima zu beeinflussen! Große Kometen können die Sonne umkreisen, werden dabei zerlegt und stürzen schließlich in diese hinein. Die Erde durchwandert diese Debris-Zone und nimmt dabei kosmischen Staub auf; welcher dann im Jahrtausendmaßstab die Oberflächentemperatur um 3-5°C erniedrigen kann. Das würde für eine Eiszeit ausreichen !!!

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Eine Theorie ist, dass der Zerfall eines großer Meteoriten im inneren Sonnensystem (dessen Reste die heutige Tauriten-Meteoritenzone darstellt) zu den tiefen Temperaturen vor 100 ka geführt hat. Erde kreuzt diesen Trümmergürtel heute alle 3 ka...
 

3.1.3

Änderungen der Solarstrahlung / SIMPSON-Theorie / Sonnenfleckenzyklus

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Sonne strahlt keine konstante Menge ab, Sonnenfleckenzyklus korreliert mit Temperaturmessungen bis in 15.Jhd.; Sonnenaktivität führt zur Bildung von 14C in der Atmosphäre

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14C-Zunahme bei Sonnenflecken-Minima im Wolf- / Spörer- und Maunder-Minimum (Abkühlung).
 

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ausserdem drei weitere Erscheinungen:
 

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Insgesamt könne diese Effekte mit den 1-2°C - Temperaturänderungen des Holozäns in Verbindung gebracht werden, die 5-7°C der Eiszeiten können sie aber kaum erklären... SIMPSON versuchte damit zu Beginn des 20. Jhdt. die Eiszeiten zu erklären - passt aber nicht wirklich.
 

3.1.4

Veränderte Orbitalparameter / MILANKOWITCH Hypothese

Orbitale Störungen weisen eine gute Übereinstimmung mit Zyklen auf. Diese Störungen kontrollieren den Einstrahlungsbetrag in den unterschiedlichen Breiten. Dabei hat die Erde drei grundlegende orbitale Eigenschaften:
 

Diese Zyklen treten ständig auf! Eine besonders wichtige Zone sind die Breiten zwischen 60 und 70°N (dort gibt es stärkere Auswirkungen auf die Lufttemperatur, größte Kontinentalitätseinflüsse). Über größere Perioden sind die Einstrahlungsunterschiede an den Polen am gravierendsten!
 

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Die Globaltemperatur der letzten 700 ka folgt diesen Zyklen !!!
 

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Sauerstoffisotopenwerte zeigen diese Zyklen und den Wechsel zu vornehmlichen Einfluss von Exzentrität und ‚precession' (dt. Präzession) - kann aber auch eine Überlagerung anderer Zyklen sein
 

!

Generell: ‚Precession' und Achsenneigung bestimmen Temperaturschwankungen während der Glazialen und Interglazialen, während die Exzentrität den Zeitpunkt von Eiszeiten kontrolliert.
 

3.2.

Geologische Faktoren
 

3.2.1.

Kontinentaldrift

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Die antarktische Landmassen befand sich die letzten 120 Mio. a in der nähre des Südpol - Eismassen aber nicht !!! Daraus folgt, dass erst durch die Kontinentalverschiebung atmosphärische und ozeanische Bedingungen geschaffen wurden, die eine Vereisung ermöglicht haben!

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50 Mio. a BP: Die Abtrennung von S-Amerika, Afrika und Australien ermöglichte die Antarktisch-Zirkumpolare Meeresströmung (verringerter Wasseraustausch zwischen tropischen Ozeanen und Polaren, deshalb Temperaturrückgang)

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40 Mio. a BP: Drake-Passage öffnet sich, es kommt zur Eisbildung / Tiefenwassertemperatur sinken um 4-5°C, Landtemperaturen um 10°C (für 10 Mio. a).

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Die nordwärts wandernden Kontinente behinderten ebenfalls den Wasseraustausch. Die Kollision des Indischen Subkontinents mit Eurasien formte in den letzten 3 Mio. a den Himalaja und das Tibetanische Hochland. Als Folge wurde der ‚Jetstream' auf der NHK behindert. Das Hochland spielt eine wichtige Rolle für die WALKER-Zirkulation und somit den hemisphärischen Luftmassenaustausch (Impulsübertragung bei Klimawandel...).
 

3.2.2.

Orogenese

erzeugt lokale Vereisungs-Gunsträume, da sie Zirkulationsmuster ändert (obere Atmosphäre) und die geochemische Zusammensetzung der Ozeane verschiebt (kann aber nicht Glazial-Interglazial-Wechsel begründen). Gebirge können Ausgangspunkte für Inlandsvereisung sein (Kordilleren, Alpen, Southern Alps...)
 

3.2.3.

Vulkanismus

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vulkanische Eruptionen müssen mindestens 1000 Jahre andauern, um eine für Eiszeiten ausreichende Abkühlung zu erzeugen!
Ausnahme: Mt. Toba (Indonesien) 78000 BP (möglicherweise Grund für Ende des letzten Interglazials)

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Vulkane können auf drei Arten das Klima verändern:
 

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Zwei der drei letzten großen Eruptionen fallen mit ENSO-Ereignissen zusammen! Evtl. hat z.B. Mt. Pinatubo, der sehr nahe am W-pazifischen Warmpool liegt, die SST soweit abgekühlt, dass Konvektion und die ‚normale WALKER-Zirkulation' unterdrückt wurde...
 

3.2.4.

Geomagnetismus

Erdmagnetfeld wird von Kern-Mantel-Grenze bestimmt und polt sich ca. drei mal in 1 Mio. a um (Umpolung dauert 5 ka), letzte große Umpolung war vor 740 ka (BRUNSHES-MATUYAMA-Umkehr). Möglicherweise stärkeres Erdmagnetfeld während der Vereisungen, mehr Stürme wenn das Erdmagnetfeld fluktuiert, wärmere Temperaturen wenn die Intensität gering ist
 

3.3.

Das Land-Ozean-Atmosphäre-System
 

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Der 96000a -Zyklus genügt nicht, um die Variationen zu erklären. Es gab neben diesen externen Faktoren noch wichtige Interne Faktoren (wirken verstärkend auf Externe ein).
 

3.3.1.

Änderungen im CO2 und CH4 - Haushalt

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Konzentration in der Atmosphäre schwank zwischen Glazial und Interglazial stark genug, um für die globale Übertragung des Einstrahlungsdefizits der NHK während der Glaziale verantwortlich zu sein.
 

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CO2: 180 ppm (Differenz zu vorindustriellen W. (270 ppm): - 0.2°C bis 0.5°C) CH4 Reduktion: - 0.3°C

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CH4 Reduktion: - 0.3°C

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Der kombinierte Treibhauseffekt war also nicht größer als 1-2°C, was natürlich viel geringer als die 7-10°C-Temperaturerniedrigung der letzten Eiszeiten war!
 

3.3.2.

Ozeanische Erwärmung und Abkühlung

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Viele der Änderungen hängen mit der Southern Osc. (SO) zusammen. Es ist umstritten, ob über längere Zeiträume, Meerestemperaturänderungen der SO einen Einfluss auf das pleistozäne oder holozäne Klima hatten (nahezu gleiche Intensität der SO während der Kleinen Eiszeit...).

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Sicherlich hatte die SST einen großen Einfluss auf die umgebenden Landmassen; aber eine kältere Erde bedeutet nicht zwangsläufig auch kühlere Ozeane (vor allem nicht in den Tropen!)...
 

3.3.3.

Albedoänderungen

Rückkopplung: kälter > mehr Schnee > größere Fläche mit hoher Rückstreuwirkung > geringere Energieaufnahme an der EOF > Abkühlung > ...
 

3.3.3.

Antarktische 'Surges' / WILSONs Theorie

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Temperaturänderungen in Antarktis synchron mit denen der NHK, die Eisbildung aber nicht! Ab einer gewissen Mächtigkeit kann die Eisdecke geothermale Energie stauen (ab ca. 3000m ?!?). Die Folge ist Instabilität, da es zu basalem Auftauen kommt (Eis nicht mehr mit Grund verzahnt...); Prozess ist ähnlich zu HEINRICH-Events im Nordatlantik.

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Eisausdünnung und ‚surging' in den Atlantik könnte riesige Eisschelfs bis 50° S ausgedehnt haben (dramatische Albedoverstärkung; + 4% globale Albedo); Rückkopplung auf NHK-Eisschelfs...

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Abbruch dieser Rückkopplung erst, wenn Schelfe abbrechen. Danach wäre wieder mehr Verdunstung und Feuchtetransport über die Eisdome möglich (wieder offenes Meer).

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Antarktis: Verringerung der Eisdecke während Interglazialen ‚Surging' führt zu weltweiten Glazialen.

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Problem:
Sauerstoffisotope zeigen einen langsamen Übergang ins Glazial (1000de von Jahre). Außerdem sollte ‚surging' zu einem sprunghaften Meeresspiegelanstieg von 20-30m am Ende eines Interglazials führen und kontinentale Sedimente in die Ozeane verfrachten (wurde kaum bis nicht beobachtet).
Außerdem hat die SHK einen geringen Einfluss auf globale Erwärmung oder Abkühlung. Surging kommt zwar vor, wohl aber eher in einigen speziellen Bahnen und nicht auf dem gesamten Kontinent.
 

3.3.4.

N-Atlantische Thermohaline Senke

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Wahrscheinlichster Mechanismus, der schnelle Reorganisation hemisphärischer oder gar globaler Zirkulationen möglich machen würde (schnelle Temperaturschwünge von 6-7°C!.

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Beispiel: Jüngere Dryas 12900 - 11500 a BP Zusammenbruch des System

Es existieren noch vier weitere Lokalitäten mit starkem Vertikalaustausch:
 

3.3.4.

Gefrieren und Tauen der Arktis

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Offener Ozean ermöglicht Schneezuwachs auf benachbarten Landmassen. Wenn sich Eismassen bilden können bevor die Arktis zufriert ist der Sprung in eine Eiszeit geschafft... Der gefrorene Ozean verhindert Schnee und führt so wieder zum Abtauen und kalben von Eisbergen und Schelfen und somit zu einem Interglazial.

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Problem:
Heute ist die Arktis lange Zeit im Jahr gefroren und wenn dem nicht so ist fällt trotzdem kaum Schnee! Außerdem zeigt sich, dass die Eisschilde von polwärts geführten Luftmassen gespeist werden...
 

3.3.5.

Meeresspiegelstand

Abschmelzen von Eis > Anreicherung von Schmelzwasser > große Teile Schelf begannen zu schwimmen > katastrophale Frischwasserüberflutungen (dreimal im letzten Glazial), die sofortige globale Meeresspiegelanstiege zur Folge haben...
Folge daraus ist oft exzessive Eiskalbung und somit verringerte globale Albedo...
 

3.3.6.

Dimethylsulfide / Bewölkung

In Eiskernen aus der Antarktis wurden erhöhte Sulfat-Mengen für die Eiszeiten gefunden. Sulfate wirken hygroskopisch und verstärken somit die Wolkenbedeckung (allerdings führt Niederschlag auch zum Auswaschen von diesen Partikeln). Vulkanische Sulfate können nicht langfristig wirksam sein, da Eruptionen Einzelereignisse sind und sie Sulfate relativ schnell wieder ausgewaschen werde...
Sulfate können aber auch von Phytoplankton abgesondert werden. Dieses vermehrt sich sprunghaft, wenn Nährstoffe in warme Gewässer vorhanden sind (Ozeane normalerweise biologische Wüsten)
[Zur Abfolge des Prozessgefüges siehe Schaubild ...]
 

3.3.7.

Fe - Anreicherung in den Ozeanen

ausgeblasenes Material ist oft reich an Eisen (ist ein Minimumfaktor IN DEN OZEANEN für die Photosynthese), es kam also zu einer ‚Düngung' der Ozeane, einem größeren Phytoplanktonwachstum und größerem Sulfid-Ausstoß
 

3.4.

Zufallsfaktoren
 

3.4.1.

Stochastische Resonanz (SR)

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S.R. kann eventuell erklären, wie die Exzentrität (die schwächste MILANKOWITSCH-Komponente) das Timing der Eiszeit steuerte. Sie besagt, dass ein lang-periodischer Zyklus zu Erwärmung führen kann, wenn er dem Hintergrundrauschen aufliegt und es einen Schwellenwert gibt, ab dem positive Rückkopplungseffekte das Klima in eine stabile Phase zwingen.

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Vereisung tritt nicht auf wenn es nur zu kurzen Abkühlungen kommt, bei langen Zyklen kommt es aber zu wiederholten Schwellenwert-überschreitenden Ereignissen, ganz egal wie stark diese ausfallen. Die Schwellenwertüberschreitungen werden durch positive Rückkopplungen verstärkt und zeitlich verlängert (günstigere Bedingungen für den Eintritt in eine Eiszeit!).

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Mögliche positive Rückkopplungen:
Vulkanismus
Wechsel im System der thermohalinen Senke
Größere Schneedecke in höheren Breiten

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S.R. + positive Rückkopplungen können erklären, warum das Klima nach ‚flickering' wie dem DANSGAARD-OESCHGER-Event immer wieder in glaziale Bedingungen eintrat (jedes Mal wenn nur eine leichte Abkühlung bei präsenten Rückkopplungssystemen auftrat, gab es einen Umschwung zu eiszeitlichen Bedingungen!)