Monat: März 2018

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Wissenschaftlern des Alfred-Wegener-Institutes hat neue Erkenntnisse zum Kohlendioxid-Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre gewonnen und trägt damit dazu bei, eines der großen wissenschaftlichen Rätsel der Eiszeiten zu lösen. In den zurückliegenden 800 000 Jahren Klimageschichte waren die Wechsel von einer Warmzeit zu einer Eiszeit stets mit einer ausgeprägten Abnahme des Kohlendioxidgehaltes in der Atmosphäre verbunden. Sein Wert sank dann von 280 auf 180 ppm (parts per million). Wohin diese große Menge Kohlendioxid jedoch verschwand und durch welche Prozesse das Treibhausgas am Ende der Eiszeit wieder in die Atmosphäre gelangte, war bis dato umstritten. Den Wissenschaftlern ist es nun gelungen, einen bedeutenden Kohlendioxid-Speicher in 2000 bis 4300 Metern Tiefe im Südpazifik ausfindig zu machen und dessen Ausgasungsgeschichte detailliert zu rekonstruieren. Ihre neuen Erkenntnisse sind nun open access im Wissenschaftsjournal Nature Communications erschienen.

Der südliche Pazifische Ozean gilt als eine der größten Lüftungsklappen der Weltmeere. Hier transportiert das weltumspannende Band der Meeresströmungen kohlenstoffreiches Wasser aus großer Tiefe für kurze Zeit an die Meeresoberfläche. Dort, wo Wasser und Luft aufeinander treffen, findet ein Gaskonzentrationsausgleich zwischen beiden statt. Das bedeutet meist, dass die kohlenstoffreichen Wassermassen das von ihnen gespeicherte Treibhausgas Kohlendioxid an die Atmosphäre abgeben und so zum Treibhauseffekt und zur Erwärmung der Erde beitragen.

Was aber passierte mit dieser Lüftungsklappe während der letzten Eiszeit und am Übergang zur heutigen Warmzeit? Und wo blieb im Falle einer fehlenden Entlüftung das ganze kohlenstoffreiche Wasser aus der Tiefe? Mit diesen Leitfragen im Hinterkopf analysierte das internationale Forscherteam aus Geologen, Geochemikern und Modellierern Sedimentkerne aus dem Südwestpazifik.

Die Probennahme in dieser Meeresregion hatte folgenden Grund: Die aus Eisbohrkernen bekannte atmosphärische Kohlendioxid-Kurve zeigt, dass zum Ende der letzten Eiszeit große Mengen „altes“ Kohlendioxid in die Atmosphäre abgegeben wurden. Ein hohes Alter bedeutet, dass dieses Kohlendioxid aus einem Reservoir stammt, das über einen großen Zeitraum nicht im Kontakt zur Atmosphäre gestanden hat. Als wahrscheinlichstes Kohlenstoffversteck gilt deshalb aus klimahistorischer Perspektive das ozeanische Tiefenwasser. Dessen größter Anteil befindet sich im Pazifik und enthält rund 60 Mal mehr Kohlenstoff als die vorindustrielle Atmosphäre.

Die untersuchten Sedimentproben stammen aus Wassertiefen von 830 bis 4300 Metern, reichen erdgeschichtlich bis zu 35000 Jahre zurück und enthielten die für die Klimarekonstruktionen so wichtigen Kalkschalen einzelliger, am Meeresboden lebender Foraminiferen. Die Kalkschalen liefern mithilfe der Radiokarbon (¹⁴C)-Datierungsmethode Informationen über das Alter jener Wassermasse, in der die Organismen lebten, bzw. über den Zeitraum, den diese Wassermasse nicht mehr im Austausch mit der Atmosphäre stand. „Je älter eine Wassermasse ist, desto mehr Kohlendioxid speichert sie, da ständig gebundener Kohlenstoff in Form von Tier- und Pflanzenresten von der Oberfläche in sie hinabrieselt“, sagt Studienerstautor Dr. Thomas Ronge, Geologe am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI).

Er und seine Kollegen konnten auf diese Weise herausfinden, dass das Wasser des Südlichen Ozeans vor circa 20000 Jahren stark geschichtet war und sich die einzelnen Wassermassen kaum durchmischten. „Unsere Ergebnisse waren überraschend und wiesen darauf hin, dass der tiefe Südpazifik während dieser Kaltzeit nicht nur mit altem Kohlendioxid aus der Zersetzung von organischem Material, sondern auch durch Eruptionen submariner Vulkane angereichert wurde“, so Thomas Ronge.

Aufgrund dieser neuen Klimadaten können die AWI-Forscher nun folgendes Bild vom eiszeitlichen Ozean vor 20000 Jahren zeichnen. „Wir wissen aus anderen Studien, dass sich beim Wechsel von der Warmzeit zur Eiszeit vermutlich zunächst eine große Meereisdecke auf dem Südpolarmeer gebildet hat, welche die Lüftungsklappe des Ozeans schloss. Gleichzeitig verlagerten sich die Westwinde Richtung Norden, sodass im Südozean der Auftrieb reduziert war und nur noch wenig Tiefenwasser an die Oberfläche gelangte“, erläutert Thomas Ronge.

Die tiefe Ozeanzirkulation verlangsamte sich sogar so stark, dass die schwere, salzhaltige Wassermasse unterhalb einer Tiefe von 2000 Metern fast 3000 Jahre ohne Kontakt zur Oberfläche war. „In dieser Zeit ist so viel gebundener Kohlenstoff in Form von Tier- und Algenresten von der stärker durchmischten Meeresoberfläche in die tiefe Wasserschicht herabgerieselt, dass wir sie in unserer Studie als jenen großen Kohlenstoffspeicher identifizieren konnten, nach dem wir so intensiv gesucht haben“, sagt Thomas Ronge. Gleichzeitig zeigen die Daten, dass das bereits hohe Alter der Wassermassen durch den Eintrag vulkanischen Kohlenstoffs künstlich von etwa 3000 auf 8000 Jahre erhöht worden ist.

Als dann zum Ende der Eiszeit das antarktische Meereis wieder schrumpfte, die Westwinde in den Süden zurückkehrten und die Ozeanzirkulation erneut Tempo aufnahm, gelangte das kohlenstoff-angereicherte Tiefenwasser an die Meeresoberfläche. „Das Wasser hat dann große Teile seines gespeicherten Kohlenstoffs in Form von altem Kohlendioxid an die Atmosphäre abgegeben und die Erwärmung des Planeten noch einmal deutlich vorangetrieben“, so Thomas Ronge. 

Auch heute wird rund um die Antarktis kohlenstoffreiches Tiefenwasser an die Meeresoberfläche transportiert. Seit der Industrialisierung hat sich die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre jedoch auf über 400 ppm erhöht, sodass der Südozean momentan kein Kohlendioxid abgibt, sondern das Treibhausgas stattdessen aufnimmt und somit die globale Erwärmung leicht bremst. Vorhergegangene Modellstudien zeigen jedoch, dass sich dieses Verhältnis im Laufe der kommenden Jahrhunderte umkehren könnte.

Momentan deutet vieles darauf hin, dass der aktuelle Klimawandel die Westwinde verstärkt, wodurch zunehmend kohlendioxidreiches Tiefenwasser an die Oberfläche transportiert wird. „Zu untersuchen, wie sensibel dieses System auf verschiedenen Zeitskalen funktioniert und welche Prozesse besonders wichtig sind, ist momentan ein Schwerpunkt mehrerer Forschungsgruppen am Alfred-Wegener-Institut und weltweit“, sagt Prof. Ralf Tiedemann, Co-Autor der Studie und Leiter des Fachbereiches Geowissenschaften am AWI. 

Originalpublikation: Thomas A. Ronge, Ralf Tiedemann, Frank Lamy, Peter Köhler, Brent V. Alloway, Ricardo De Pol-Holz, Katharina Pahnke, John Southon and Lukas Wacker: Radiocarbon constraints on the extent and evolution of the South Pacific carbon pool, Nature Communications 7:11487 DOI: 10.1038/ncomms11487 (2016)

Der südliche Ozean spielt eine wichtige Rolle im Klimageschehen, weil CO2 aus der Atmosphäre in den Ozean gezogen werden kann. Wird dort vermehrt Staub eingetragen, vermehren sich mikroskopisch kleine Algen drastisch, sie werden durch das im Staub enthaltene Eisen förmlich gedüngt. Wenn die Einzeller absterben, sinken sie zu Boden und nehmen das gebundene Kohlendioxid mit in die Tiefe. Um dieses CO2 langfristig aus der Atmosphäre zu entfernen, muss jedoch gewährleistet sein, dass es in der Tiefe über lange Zeiträume stabil lagert.

Um herauszufinden, wie sich die Wassermassen im tiefen Südpazifik während der letzten 30.000 Jahre entwickelten, gewann das Team auf einer Fahrt des Forschungsschiffes Polarstern im Südpazifik Sedimentkerne in Wassertiefen zwischen 3.000 und mehr als 4.000 Meter. Die Geochemiker Dr. Chandranath Basak und Dr. Henning Fröllje vom ICBM – die beiden Hauptautoren der Studie – entnahmen winzige Zähne und andere Skelett-Bruchstücke von fossilen Fischen aus dem Sediment, um diese Überreste auf Isotope des Seltenen Erdmetalls Neodym zu analysieren.

„Neodym eignet sich besonders gut, um Wassermassen unterschiedlicher Herkunft zu identifizieren“, sagt Pahnke, Leiterin der Max-Planck-Forschungsgruppe Marine Isotopengeochemie, die am ICBM und am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen angesiedelt ist. Denn jede Schicht hat eine charakteristische Neodym-Signatur. Das Verhältnis verschieden schwerer Varianten des Elements hängt davon ab, aus welchem Meeresbecken das Wasser stammt. Die kälteste und daher tiefste Wassermasse im Südpazifik wird beispielsweise am Kontinentalrand der Antarktis gebildet gebildet und trägt eine spezifische Neodym Signatur. Darüber befindet sich eine Schicht, in der sich Wasser aus dem Nordatlantik, dem Süd- und dem Nordpazifik mischt und daher eine andere Signatur aufweist.

Anhand der Fischüberreste aus den Tiefseesedimenten konnten die Forscher nachvollziehen, wie sich die Neodym-Werte in der Vergangenheit in verschiedenen Wassertiefen entwickelt hatten. Das Ergebnis: Während des Höhepunkts der letzten Eiszeit vor rund 20.000 Jahren lag die Neodym-Signatur aus Proben unterhalb von 4.000 Metern Wassertiefe deutlich niedriger als in geringeren Wassertiefen. „Ein derart ausgeprägter Unterschied lässt sich nur dadurch erklären, dass die Wassermassen sich damals nicht vermischten“, sagt Fröllje, der inzwischen an der Universität Bremen tätig ist. Er und seine Kolleginnen und Kollegen schließen daraus, dass das Wasser in der Kaltzeit stabil geschichtet war.

Als sich das Klima auf der Südhalbkugel zum Ende der letzten Eiszeit vor etwa 18.000 Jahren erwärmte, brach die Schichtung auf und die Neodym-Werte in den verschiedenen Wassertiefen glichen sich an. „Wahrscheinlich gab es eine stärkere Vermischung, weil die Dichte des Wassers durch die Erwärmung abnahm“, erläutert Pahnke. Damit konnte der in der Tiefe gespeicherte Kohlenstoff freigesetzt werden.

Klimaforscher rätseln bereits seit einiger Zeit, warum der CO2-Gehalt der Atmosphäre in der Vergangenheit parallel zu den Temperaturen auf der Südhalbkugel schwankte, während sich die Temperaturen im Norden teilweise gegenläufig entwickelten. Eine Theorie lautet, dass Vorgänge im Südozean dabei eine wichtige Rolle spielten. „Mit unseren Untersuchungen liefern wir nun erstmals handfeste Beweise für die Theorie, dass es einen Zusammenhang zwischen den CO2-Schwankungen und der Schichtung im Südpolarmeer gab“, sagt Dr. Frank Lamy vom AWI, einer der Ko-Autoren. Die aktuelle Studie untermauert die Vermutung, dass die Erwärmung der Südhalbkugel die stabile Schichtung im Südpolarmeer aufbrach und damit zum Ausgasen des gespeicherten Kohlenstoffs führte.

„Break-up of last glacial deep stratification in the South Pacific”,  Chandranath Basak, Henning Fröllje, Frank Lamy, Rainer Gersonde, Verena Benz, Robert F. Anderson, Mario Molina-Kescher, Katharina Pahnke, Science 359, S. 900, doi: 10.1126/science.aao2473