Klimaforschung Eiszeiten – ein Tiefsee-Gefängnis für CO₂

Klimaforscher wissen schon länger, dass während der vergangenen Eiszeiten bis zu 30 Prozent weniger Kohlendioxid in der Atmosphäre war als sonst. Nun haben Wissenschaftler aus Deutschland und den USA gezeigt, wie Meeresströmungen für diesen CO₂-Mangel verantwortlich sind. Damit lassen sich vergangene Eiszeiten und künftige Klimaveränderungen besser erklären.

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Max-Planck-Institut für Chemie

Mainz, Princeton/USA – Die jüngste Vergangenheit der Erdgeschichte war von häufigen Wechseln zwischen Eis- und Warmzeiten geprägt, so genannten glazial-interglazial-Zyklen. Bei großen Klimaschwankungen während dieser Jahrmillionen wuchsen mehrfach massive, kontinentübergreifende Eisdecken heran und schrumpften wieder.

Eiszeiten entstehen aufgrund von Schwankungen in der Erdumlaufbahn um die Sonne. Dieser Einfluss reicht allein jedoch nicht aus, um eine so große klimatische Veränderung zu erklären. Es muss also einen Rückkopplungsmechanismus innerhalb des Klimasystems geben, der diese Schwankungen verstärkt.

CO₂-Armut in Eiszeiten

In den 1970er Jahren haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die atmosphärische Konzentration des Treibhausgases CO₂ während Eiszeiten um etwa 30 Prozent geringer ist als sonst. Deshalb geht man davon aus, dass die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre der Verstärker dieser Klimazyklen ist. Es gab bereits Hinweise darauf, dass das CO₂ während Eiszeiten im Tiefenwasser der Ozeane gespeichert ist, der Grund dafür war bisher jedoch unklar.

Ein internationales Wissenschaftlerteam des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) und der Universität Princeton hat nun herausgefunden, dass Veränderungen im Oberflächenwasser des antarktischen Ozeans dazu führten, dass mehr CO₂ in der Tiefsee gespeichert wurde. Ihren Untersuchungen zufolge kam es während der Eiszeiten zu einer systematischen Verringerung des windgetriebenen Tiefenwasseraufstiegs im Antarktischen Ozean. Das dort über Sedimentablagerungen eingebrachte CO₂ war also sozusagen in den tiefen des Meeres gefangen.

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Kieselalgen zeigen Meeresströmungen der Vergangenheit

Für ihre Studie untersuchten die Forscher Schalen von fossilen Kieselalgen, die sie in Sedimentkernen fanden. „Die Analyse der in den Kieselalgenfossilien eingeschlossenen Stickstoffisotope zeigt die Stickstoffkonzentration im Oberflächenwasser in der Vergangenheit“, erklärt Ellen Ai, Erstautorin der Studie und Princeton-Absolventin. „Tiefseewasser weist hohe Konzentrationen von Stickstoff auf, auf den das Plankton angewiesen ist. Je stärker der Auftrieb in der Antarktis ist, desto höher ist die Stickstoffkonzentration im Oberflächenwasser.“ Ein starker Auftrieb führte also zu mehr Kieselalgen im Oberflächenwasser, sodass über die Analyse fossiler Algen auf die Strömungsverhältnisse im Ozean der Vergangenheit zu schließen ist.

So gewannen die Forscher Einsichten über die Entwicklung der Stickstoffkonzentrationen in den antarktischen Oberflächengewässern der zurückliegenden 150.000 Jahre, also über zwei Eiszeiten und zwei Warmzeiten hinweg.

Eiszeiten besser verstehen

Die neuen Erkenntnisse erlaubten es den Forschern zu entschlüsseln, wie die Veränderungen des antarktischen Auftriebs und des atmosphärischen CO₂ mit den orbitalen Auslösern der Eiszeit-Zyklen zusammenhängen. Dies hilft, den Ursprung der Eiszeiten besser zu verstehen.

„Unsere Entdeckungen zeigen, dass die durch den Tiefenwasseraufstieg verursachte atmosphärische CO₂-Änderung zwar zentral für die Eiszeit-Zyklen war, aber nicht in der Art und Weise, wie viele von uns angenommen hatten“, fasst Daniel Sigman, Professor für geologische und geophysikalische Wissenschaften an der Universität Princeton, zusammen. „Anstatt zum Beispiel den Übergang von einer Warmzeit in die Eiszeit zu beschleunigen, verursachte der antarktische Auftrieb CO₂-Veränderungen, die die Warmzeit verlängerten.“

Die Studienergebnisse deuten zudem darauf hin, dass sich der Tiefenwasseraufstieg infolge der globalen Erwärmung verstärken wird. Als Folge würden sich die Konzentration des atmosphärischen CO₂, das globale Klima und die Ökosysteme der Ozeane verändern.

Originalpublikation: Xuyuan Ellen Ai, Anja S. Studer, Daniel M. Sigman, Alfredo Martínez-García, François Fripiat, Lena M. Thöle, Elisabeth Michel, Julia Gottschalk, Laura Arnold, Simone Moretti, Mareike Schmitt, Sergey Oleynik, Samuel L. Jaccard and Gerald H. Haug: Southern Ocean upwelling, Earth’s obliquity, and glacial-interglacial atmospheric CO2 change, Science, 11 Dec 2020: Vol. 370, Issue 6522, pp. 1348-1352; DOI: 10.1126/science.abd2115

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