Klimaarchiv Antarktis Mission: 2.700 Meter in die Vergangenheit – dank Eisbohrkern

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Jeder Meter führt tiefer in die Vergangenheit. In einem Bohrprojekt wollen Forscher den tiefsten und damit ältesten Eisbohrkern bergen und über dessen Analyse Neues zum Klima vor über einer Million Jahre lernen. Die technischen Lösungen für die Untersuchung solch uralter Eisproben haben Forscher aus der Schweiz bereits entwickelt.

Eisbohrkerne sind ein wichtiges Klimaarchiv. In ihnen sind Informationen gespeichert, wie die Umwelt vor tausenden und Millionen Jahren geprägt war. Dank einer von Forschern der Universität Bern und der Empa entwickelten neuen Methode können Treibhausgaskonzentrationen in Eis aus längst vergangener Zeit nun noch genauer gemessen werden. Solch altes Eis wollen Wissenschaftler im EU-Projekt „Beyond Epica“ in der Antarktis bergen.

Das dem Projekt zugehörige europäisches Konsortium, an dem auch die Universität Bern beteiligt ist, hat Ende Januar seine zweite Feldsaison abgeschlossen. Bei der Bohrung wurde eine Tiefe von 808 Metern erreicht. Ziel des Vorhabens ist es, 1,5 Millionen Jahre in die Vergangenheit zurückzublicken und Daten über die Entwicklung der Temperatur, die Zusammensetzung der Atmosphäre und den Kohlenstoffkreislauf zu gewinnen. Dazu muss im antarktischen Eisschild eine Tiefe von rund 2.700 Metern erreicht und ein Eiskern geborgen werden. Läuft alles wie geplant, sollte dies 2025 der Fall sein. Dann erst folgt die aufwändige Analyse des ältesten Eises dieses Kerns, wozu zurzeit neue Methoden entwickelt werden.

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Über zehntausend Jahre in einem Meter Eis

Einen Erfolg hat bereits das Team um Hubertus Fischer, Professor für experimentelle Klimaphysik an der Uni Bern verbucht. In Zusammenarbeit mit der Empa haben die Forscher eine Technik entwickelt, mit der die die Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O) sowie die Kohlenstoff-Isotopenzusammensetzung von CO₂ gemeinsam messen können. Die Eisprobe, die es dazu braucht, ist mit einer Dicke von lediglich einem Zentimeter sehr klein, trotzdem ist bei der Messung höchste Genauigkeit möglich. „Das sind wichtige Voraussetzungen, um hochpräzise und hochauflösende Aufzeichnungen aus dem ältesten Eis von Beyond Epica zu erhalten“, erklärt Fischer.

Im 1,5 Millionen Jahre alten Eis sind in nur einem Meter Eiskern 15.000 bis 20.000 Jahre Klimageschichte komprimiert, was ganz neue Anforderungen an Eiskernanalysen stellt. Eiskerne sind ein besonders wichtiges Klimaarchiv, denn nur sie enthalten die Luft aus der Zeit, in denen sie sich durch Schneefall gebildet haben. So lassen sich bis heute die Treibhausgaskonzentrationen der Vergangenheit direkt messen.

Klimaforschung

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Neue Technik für die Eisbohrkernanalyse

Ein wesentlicher Fortschritt bei der Messtechnik ist dem beteiligten Team um Lukas Emmenegger, Leiter der Empa-Abteilung „Luftfremdstoffe/Umwelttechnik“, zu verdanken. Sie haben ein neues Laserspektrometer entwickelt, das Treibhausgase an einer Probe von lediglich 1,5 Milliliter Luft messen kann. „Diese hohe Präzision in solch kleinen Proben zu erreichen war lange kaum vorstellbar. Wir sind stolz, dass dadurch die Untersuchung der wertvollen Eiskerne ermöglicht wird“, sagt Emmenegger.

An der Universität Bern wiederum wurde das neue Sublimations-Extraktionssystem ersonnen und gebaut, das es ermöglicht, solche kleinen Luftproben kontinuierlich und ohne Verunreinigung aus einem Eiskern zu gewinnen. Dank dieser Arbeit soll es künftig möglich sein, Treibhausgasmessungen mit der notwendigen Präzision und zeitlichen Auflösung in besonders altem Eis durchzuführen.

„Perfektes Recycling“ der wertvollen Proben

Mit der in Bern entwickelten Sublimationstechnik kann eine Eiskernprobe langsam von oben nach unten vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand überführt werden. Die einzelnen Proben werden in Zentimeterauflösung gesammelt, indem die Luft während des kontinuierlichen Sublimationsprozesses bei -258 °C eingefroren wird. Diese Technik gewährleistet eine hundertprozentige Extraktionseffizienz.

Ein weiterer Vorteil der Methode: Die aus den Eisproben extrahierte Luft geht bei der Messung im Laserspektrometer nicht verloren, sondern kann danach für weitere Analysen verwendet werden. Von „perfektem Recycling“ spricht der Berner Klimaphysiker Fischer und ergänzt: „Für einen gewöhnlichen Eiskern würde sich der Riesenaufwand, den wir für die Analyse betreiben müssen, nie rechtfertigen.“ Für das 1,5 Millionen Jahre alte Eis, bei dem die verfügbare Menge extrem knapp ist, hingegen schon. Für die Realisierung dieser bahnbrechenden Entwicklungen erhielt Hubertus Fischer einen Förderbeitrag für Spitzenforschung des Europäischen Forschungsrats („ERC Advanced Grant“) sowie Projektmittel des Schweizerischen Nationalfonds.

Den Klimageheimnissen der Vorzeit auf der Spur

Die Analyse des noch zu bergenden 1,5 Millionen Jahre alten Eiskerns soll insbesondere zum besseren Verständnis des Wechselspiels zwischen Warm- und Kaltzeiten beitragen. Vor etwa einer Million Jahren – das zeigen Untersuchungen von Meeressedimenten – fand eine Veränderung dieses Hin und Hers statt. In der Zeit vor rund 900.000 Jahren wechselten sich Eiszeiten und Warmphasen rund alle 40.000 Jahre ab, danach nur noch alle 100.000 Jahre.

Weshalb es zu diesem Wandel kam, ist ein Rätsel, doch die Klimaforschung vermutet, dass unter anderem Treibhausgase dabei eine entscheidende Rolle spielten. Diese Vermutung soll nun die Eiskernbohrung in der Antarktis untersuchen, die beinahe doppelt so weit zurückreicht, wie der älteste bisher analysierte antarktische Eiskern. (clu)

Originalpublikation: Lars Mächler, Daniel Baggenstos, Florian Krauss, Jochen Schmitt, Bernhard Bereiter, Remo Walther, Christoph Reinhard, Béla Tuzson, Lukas Emmenegger, and Hubertus Fischer, Atmospheric Measurement Techniques: Laser-induced sublimation extraction for centimeter-resolution multi-species greenhouse gas analysis on ice cores, 16, 355–372, 2023; DOI: 10.5194/amt-16-355-2023

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