Ein Archiv aus Eis

Vor längerer Zeit unterhielt ich mich nach dem Gottesdienst mit einer Frau über den Klimawandel. Als ich sagte, dass der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre heute deutlich höher ist als jemals während der letzten 800.000 Jahre, sah sie mich entsetzt an. Ihrer Auffassung nach existierte die Erde nämlich erst seit wenigen Tausend Jahren. Doch ich hatte eine Weile zuvor einen Artikel in Nature über eine drei Kilometer tiefe antarktische Eiskernbohrung gelesen. Aus der im Eis eingeschlossenen Luft hatten die Forscher die Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre der vergangenen 800.000 Jahre bestimmt.

Doch woher weiß man eigentlich, wie alt das Eis in drei Kilometern Tiefe ist? Ein Eiskern ist schließlich nicht mit Jahreszahlen beschriftet. Solange die jährlichen Schneeschichten noch deutlich erkennbar sind, zählt man sie wie die Jahresringe eines Baumes. Mit zunehmender Tiefe werden die Schichten jedoch immer dünner und stärker verformt. Irgendwann reicht das Zählen allein nicht mehr aus. Dann werden Eisflussmodelle benötigt, die beschreiben, wie sich das Eis unter seinem eigenen Gewicht über Jahrtausende verformt hat. Die Modelle werden an den Bereichen überprüft, in denen die Jahreslagen noch direkt gezählt werden können. Sie werden außerdem mit anderen Bohrkernen und mit andersartigen Klimaarchiven (z.B. Tropfsteine, Meeresbohrkerne) verglichen.

Um die Zuverlässigkeit der Datierung von Eiskernen zu erklären, möchte ich mich zunächst auf die letzten 60.000 Jahre beschränken, in denen die Datierung am unmittelbarsten nachvollziehbar ist. Für diesen Zweck eignet sich ein Blick nach Grönland besser als in die Antarktis. Dort fällt mehr Schnee, die Jahresschichten sind dicker und deshalb über Zehntausende von Jahren direkt erkennbar. Selbst 60.000 Jahre alte Jahresschichten sind noch gut 5mm dick. Außerdem gelangen durch die Nähe zu Island immer wieder die Spuren großer Vulkanausbrüche in den Eisschild.

Eine Jahreslage erkennt man nicht an einem einzelnen Merkmal. Sommer und Winter hinterlassen gleichzeitig charakteristische Änderungen der Sauerstoffisotope, der Staubkonzentration, der Meersalze (die durch Gischt vom Meer in die Luft gelangen), der elektrischen Leitfähigkeit und der sichtbaren Schichtung. Damit lassen sich die Jahreslagen sehr gut identifizieren. Wo Unsicherheit besteht, wird sie ausdrücklich markiert und später bei der Ermittlung der Fehlergrenzen berücksichtigt.

Die durch Zählung der Schichten ermittelten Datierungen werden außerdem durch unabhängige Informationen überprüft. Die einfachste Kontrolle liefern historische Vulkanausbrüche. Der Ausbruch des Tambora im April 1815 war so gewaltig, dass er das „Jahr ohne Sommer“ verursachte. 1816 fiel in Neuengland (in den USA) im Juni Schnee, in Europa kam es zu Missernten und Hungersnöten. Der Ausbruch schleuderte große Mengen Schwefeldioxid bis in die Stratosphäre. Ein Teil davon gelangte in den Schnee, der in der Folgezeit auf Grönland fiel. Im Eis erscheint deshalb ab dem Jahr 1815 eine schmale Sulfatschicht. Dasselbe gilt für andere historisch bekannte Eruptionen wie Laki (1783) oder Samalas (1257). Die gezählten Jahreslagen führen jedes Mal zu dem Kalenderjahr, in dem der Ausbruch stattfand.

Weiter zurück gibt es keine Chronisten mehr. Jetzt übernehmen geologische Archive diese Rolle. Ein besonders schönes Beispiel ist der Ausbruch des Mazama-Vulkans im heutigen Oregon, bei dem vor etwa 7600 Jahren der Crater Lake entstand. Seine Asche wurde über weite Teile Nordamerikas verteilt und findet sich heute in Seen, Mooren, Meeresablagerungen und im grönländischen Eis. Ihre chemische Zusammensetzung ist so charakteristisch, dass sie überall eindeutig dem Mazama-Ausbruch zugeordnet werden kann. Das Alter dieser Ascheschicht wurde an verschiedenen Fundstellen mittels Radiokohlenstoffdatierungen von Pflanzenresten und anderem organischen Material bestimmt, das in der unmittelbaren Umgebung der Ascheschicht gefunden wurde. Im Grönlandeis liegt dieselbe Ascheschicht genau in der Jahreslage, die diesem Alter entspricht.

Vulkane sind jedoch nicht die einzigen Prüfsteine. Jede Jahresschicht enthält auch Informationen über das damalige Klima. Besonders wichtig ist das Verhältnis der Sauerstoffisotope ¹⁸O und ¹⁶O. Gelangt feuchte Luft vom Atlantik nach Grönland, kühlt sie sich auf ihrem Weg immer weiter ab. Dabei kondensiert bevorzugt Wasser mit dem schwereren Sauerstoffisotop ¹⁸O und fällt als Regen oder Schnee aus. Der Wasserdampf wird dadurch Schritt für Schritt ärmer an ¹⁸O. Je kälter das Klima ist, desto stärker ist diese Ausregnung und desto weniger ¹⁸O enthält der Schnee, der schließlich Grönland erreicht. Weil Sommer und Winter unterschiedlich warm sind, schwankt folglich der ¹⁸O-Gehalt innerhalb eines Jahres, was wie schon erwähnt für die Identifikation der Jahresschichten genutzt wird. Darüber hinaus verschiebt sich der mittlere ¹⁸O-Gehalt über längere Zeiten hinweg mit dem Klima. Misst man den ¹⁸O-Gehalt Schicht für Schicht, erhält man eine Temperaturkurve über zehntausende von Jahren. Sie zeigt etwas völlig Unerwartetes: Während der letzten Kaltzeit (vor etwa 115.000 bis 11.700 Jahren) sprang die Temperatur in Grönland immer wieder innerhalb weniger Jahrzehnte um etwa zehn Grad an und kühlte anschließend über Jahrhunderte langsam wieder ab. Die meisten der abrupten Klimasprünge ereigneten sich zwischen etwa 60.000 und 30.000 Jahren vor heute. Als diese Ergebnisse Anfang der 1990er Jahre veröffentlicht wurden, hielten viele Forscher die Sprünge zunächst für einen lokalen Effekt eines einzelnen Bohrlochs. Deshalb wurden an anderen Stellen Grönlands weitere Eiskerne untersucht. Sie zeigten dieselbe Abfolge abrupter Erwärmungen. Eine weitere Bestätigung dieser abrupten Klimasprünge kam aus einer völlig anderen Richtung. In der Hulu-Höhle in China wachsen seit Hunderttausenden von Jahren Tropfsteine. Auch sie enthalten Sauerstoffisotope. Anders als in Grönland dienen sie jedoch nicht als Thermometer, sondern spiegeln vor allem die Stärke des asiatischen Sommermonsuns wider. Erstaunlicherweise treten abrupte Änderungen des Monsuns genau zu denselben Zeiten auf wie die Klimasprünge im Grönlandeis. Die Datierung dieser Stellen in den Tropfsteinen erfolgte mit der Uran-Thorium-Methode.

Die Temperaturrekonstruktion beruht nicht allein auf den Sauerstoffisotopen. Wärme breitet sich im Eis nur äußerst langsam aus. Deshalb tragen die verschiedenen Tiefen im Bohrloch auch heute noch die Spuren der früheren Klimaänderungen. Zwar werden die ursprünglichen Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit geglättet, größere Klimaänderungen über mehrere Jahrtausende bleiben jedoch im Temperaturprofil des Bohrlochs erhalten und bestätigen das Bild, das sich aus den Sauerstoffisotopen ergibt.

Ein weiterer interessanter Klimazeuge im Eis ist die Staubkonzentration. Während der letzten Kaltzeit gelangte viel mehr Staub nach Grönland als heute. Doch auch innerhalb dieser Kaltzeit schwankte die Staubmenge stark. In den besonders kalten Phasen lagerten sich deutlich mehr Staubteilchen ab als in den wärmeren Zwischenphasen. Lange vermutete man, der Staub stamme aus Nordamerika. Erst eine genaue chemische Analyse zeigte, dass ein großer Teil aus den Wüsten Zentralasiens stammt, vor allem aus der Gobi und der Taklamakan. Staub aus denselben Quellregionen findet man auch in Lössablagerungen im benachbarten Nordchina, die mit Hilfe von optisch stimulierter Luminiszenz datiert werden. Mit dieser Methode wird ermittelt, wie lange die Quarzkörner nicht mehr dem Sonnenlicht ausgesetzt waren, also seit wann der Wind sie an ihrem heutigen Ort abgelagert hat. Das Ergebnis ist, dass die Lössablagerungen in Nordchina dieselben Schwankungen zeigen wie das Grönlandeis. Immer wenn auf der Nordhalbkugel besonders kalte Abschnitte der letzten Kaltzeit herrschten, wurde auch in Nordchina mehr Löss abgelagert. Das spricht dafür, dass gleichzeitig in den Wüsten Zentralasiens stärkere Winde wehten und trockenere Bedingungen herrschten, sodass mehr Staub ausgeweht wurde.

Auch Meeresbohrkerne liefern dieselbe zeitliche Abfolge der Klimaänderungen. Dort werden statt Eisschichten die Sauerstoffisotope in den Kalkschalen winziger Foraminiferen gemessen, die sich am Meeresboden abgelagert haben.

Die Datierung der grönländischen Eiskerne beruht also nicht auf einer einzelnen Methode. Jahreslagen, Asche- und Sulfatschichten, Sauerstoffisotope, Bohrlochtemperaturen, Tropfsteine, Lössablagerungen und Meeresablagerungen beruhen auf ganz unterschiedlichen Vorgängen. Trotzdem führen sie zu derselben zeitlichen Einordnung der Vulkanausbrüche und Klimaänderungen. Gerade diese Übereinstimmung unabhängiger Methoden macht das Grönlandeis zu einem der zuverlässigsten Klimaarchive der Erde.

Nachdem wir gesehen haben, warum wir der Datierung der Eiskerne vertrauen können, kehren wir nun zu der Frage zurück, mit der dieser Artikel begann: Woher weiß man, wie hoch der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in der Vergangenheit war? Für diese Frage eignet sich das antarktische Eis besser als das Grönlandeis. Dort enthält das Eis deutlich weniger Staub und andere Verunreinigungen, sodass die Zusammensetzung der eingeschlossenen Luft besonders zuverlässig erhalten geblieben ist. Die Temperatur wird aus dem Verhältnis verschiedener Isotope in den Wassermolekülen des Eises bestimmt, die Kohlendioxidkonzentration dagegen aus der eingeschlossenen Luft. Über die großen Eiszeitzyklen hinweg verlaufen beide Kurven eng parallel¹. Genau das entspricht den Erwartungen aufgrund der Treibhauswirkung von Kohlendioxid. Die Datierung der antarktischen Eiskerne folgt dabei denselben Grundprinzipien wie in Grönland. Wegen des geringeren Schneefalls werden die Jahresschichten zwar früher zu dünn, um sie direkt zählen zu können. Doch auch dann sorgen Eisflussmodelle und zahlreiche unabhängige Vergleiche dafür, dass die Chronologie zuverlässig ist.

Wie ein Eiskern aussieht, wird auf den Seiten des Alfred-Wegner-Instituts gezeigt.

Einen Fachartikel über die grönländischen Eiskerne findet man hier. Ein Artikel über den Zusammenhang zwischen Temperaturen in Grönland und den Lössablagerungen in China ist hier.

Eine Liste aller bisherigen Blogeinträge befindet sich hier.

1 Die verlinkte Abbildung, die die Kohlendioxidkonzentration der letzten 800.000 Jahre zeigt, endet kurz vor Beginn der Industrialisierung. Heute beträgt die Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre bereits rund 428ppm, was mehr als 30 Prozent über dem in der Abbildung erkennbaren Maximum liegt.