Ein Team um die Oldenburger Geochemikerin Dr. Katharina Pahnke hat ein wichtiges Indiz dafür gefunden, dass der Anstieg des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre nach dem Ende der letzten Eiszeit durch Veränderungen im Südpolarmeer ausgelöst wurde. Die Forscher vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg, vom Max-Planck Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen und vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven (AWI), konnten zeigen, dass der tiefe Südpazifik während der letzten Eiszeit stark geschichtet war. Er könnte somit dazu beigetragen haben, das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) langfristig in der Tiefsee zu speichern. Die jetzt im Fachmagazin Science veröffentlichte Studie deutet außerdem darauf hin, dass sich die Wassermassen im Zuge der Erwärmung auf der Südhalbkugel nach dem Ende der Eiszeit stärker vermischten. Damit konnte das gespeicherte CO2 aus der Tiefe entweichen und die Erderwärmung verstärken.
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