Hitzewallungen in Sibirien

Beim Bohren unter einem alten Kratersee im Permafrost stießen Forscher auf Spuren überraschender Temperaturschwankungen. Sie könnten sich bald wiederholen. Vor gut 11 000 Jahren begann das Eis zu schmelzen, das weite Teile der Nordhalbkugel fast 100 000 Jahre im Griff gehabt hatte. Seitdem begünstigen hohe Temperaturen die Entwicklung der Menschheit. Eigentlich müsste diese Phase in absehbarer Zeit zu Ende gehen. Denn seit 2,7 Millionen Jahren wechseln Eiszeiten mit relativ kurzen Warmzeiten. Mindestens 100 Mal ging es auf und ab, ein wilde Achterbahnfahrt der Temperaturen. Noch vor wenigen Jahrzehnten warnten Experten vor einer nahenden Eiszeit. Doch der Klimawandel, den der Mensch angestoßen hat, wirft statistische Regeln über den Haufen. Was bringt die Zukunft? Bei einem internationalen Bohrprojekt sind Wissenschaftler jetzt auf eine überraschende Antwort gestoßen. Sie legt nahe, dass sich in den letzten Jahrmillionen die Meeresströmungen immer mal wieder grundlegend verändert haben, was das globale Klima erheblich beeinflusste. Die Ergebnisse werden die Klimaforscher noch einige Jahre beschäftigen. Denn was die Paläoklimatologen um Martin Melles, Leiter der Arbeitsgruppe Quartärgeologie am Institut für Geologie und Mineralogie der Universität Köln, in der Erdgeschichte gefunden haben, könnte ein Muster für unsere nahe Zukunft sein. Die Erkenntnisse verdanken die Forscher einer gewaltigen Explosion. Vor 3,6 Millionen Jahren schlug ein Meteorit im Nordosten des heutigen Sibiriens ein, rund 2000 Kilometer nordöstlich der Hafenstadt Wladiwostok. Der Brocken hatte mehr als einen Kilometer Durchmesser. Der Impakt entfaltete so viel Energie, dass sich das feste Gestein „wie eine Flüssigkeit verhielt”, sagt Christian Koeberl, Professor für Impaktforschung und planetare Geologie an der Universität Wien und Direktor des Naturhistorischen Museums Wien. Als würde ein Stein in einen Tümpel fallen, bildete sich zunächst ein kilometertiefes Loch, dessen Zentrum sofort wieder zurückfederte. Innerhalb von weniger als einer Minute schoss im Krater ein Zentralberg, ein „Central Uplift”, mehr als 1000 Meter in die Höhe und erstarrte. Kubikkilometer von Gestein verdampften, wurden flüssig oder zerbröselten zu feinem Schutt, der hoch in den Himmel schoss. Tiefe Bohrung in den weissen See Als der Spuk vorüber war, hatte die Landschaft ein neues Gesicht. Eine kreisrunde Bergkette hatte sich aufgeworfen, etwa 18 Kilometer im Durchmesser. Die Struktur erinnert in Größe und Aussehen an das Nördlinger Ries. Der Krater mit seinem Zentralberg füllte sich im Lauf der Jahrhunderte mit Wasser: Ein zwölf Kilometer weiter, fast kreisrunder See entstand. Heute heißt er Elgygytgyn, „Weißer See”, denn er ist mindestens neun Monate im Jahr zugefroren und mit Schnee bedeckt. Er liegt fast 100 Kilometer nördlich des Polarkreises, im Nirgendwo der sibirischen Permafrost-Wildnis. Keine Straße führt dorthin, die nächste größere Siedlung, die Hafenstadt Pevek, ist 370 Kilometer entfernt. Ausgerechnet in dieser abgelegenen Einöde sollte die Tiefbohrung 2008 niedergebracht werden, mitten in den 170 Meter tiefen See hinein. Und das auch noch im Winter, bei Temperaturen bis minus 40 Grad Celsius. „Vielleicht hätten wir doch im Sommer bohren sollen”, meint Koordinator Melles inzwischen. Denn die Kälte erzwang immer wieder Verzögerungen: „Bei solchen Bedingungen kann man nicht lange arbeiten”, sagt der Kölner Geologie-Professor. Die Wissenschaftler aus Deutschland, USA, Russland und Österreich hatten die kalte Jahreszeit gewählt, um Kosten zu sparen. So konnten sie auf einen Ponton als Plattform für den Bohrturm verzichten, den sie nur mit erheblicher Mühe 300 Kilometer weit durch die Wildnis hätten bugsieren können. Im Winter konnte das Eis als Unterlage dienen. Doch auch so mussten noch Hunderte Tonnen Material herangeschafft werden. Erst beim dritten Anlauf drang der Bohrer durch die gesamte Sedimentschicht und die beim Impakt entstandene Trümmerlage, insgesamt 517 Meter tief. klimaarchiv unter Schlick Rund acht Millionen Euro verschlang allein die aufwendige Logistik. Doch das Geld hat sich gelohnt, denn der See – das hatten jahrelange Vorstudien und mehrere Voraus-Expeditionen bereits gezeigt – ist eine wissenschaftliche Fundgrube. Niemals in den letzten Jahrmillionen hatte sich ein Gletscher darüber geschoben – ungewöhnlich für die Permafrost-Region. Für eine Vergletscherung ist das Klima zu trocken, denn die Wolken, die vom Atlantik kommen, regnen bereits über dem Ural weitgehend ab. Deshalb rieselte ständig feines Material zum Grund des Sees und ließ dort eine 300 Meter mächtige Sedimentschicht wachsen. In dieser ununterbrochenen Abfolge von Schlick und Sand verbirgt sich ein einmaliges Klimaarchiv. Martin Melles hat mit seinem Team inzwischen alle Bohrkerne aus dem Quartär ausgewertet – 2,8 Millionen Jahre Klimageschichte. Jeder Wechsel von Kalt- und Warmzeiten hat sich im Sediment eingeschrieben. Einige der relativ kurzen warmen Intervalle brachten dann die Überraschung: Die Wissenschaftler stießen auf ungewöhnlich hohe Sommer-Temperaturen – 5 bis 6 Grad höher als heute, wo im Juli durchschnittlich rund 15 Grad Celsius gemessen werden. 2,5 Mal soviel Niederschlag Der Unterschied sind Welten, wenn man bedenkt, dass die globale Mitteltemperatur im letzten Jahrhundert nicht einmal um ein Grad zulegte. Außerdem fiel während dieser Zeit wesentlich mehr Niederschlag: Anstatt 250 Millimeter pro Jahr waren es etwa 600 Millimeter. Melles: „Das waren völlig andere Warmzeiten als bisher gedacht.” Das Klima ähnelte fast schon dem im warmen Pliozän, das dem Eiszeitalter voranging. Solche Superwarmzeiten waren in der Arktis bisher unbekannt. Einen Messfehler schließt Melles aus: „Wir sind uns ganz sicher.” Seine Zuversicht gründet auch auf der Methode, die er mit seinen Kollegen anwandte. Sie legten die Pollen, die sie in großen Mengen fanden, unter das Mikroskop. Aus mehr als 50 Pollenarten rekonstruierten die Paläogeologen für jeden Zeitabschnitt die einstige Pflanzengemeinschaft. Die Zusammensetzung des Blütenstaubs reagiert sehr sensibel auf Klimawechsel. Das zeigt sich auch heute, wo die zunehmende Erwärmung die Lebensräume fast schon im Zeitraffer verschiebt. Im sibirischen Schlick dient vor allem die Fichte als Klimazeuge: Während sie heute fehlt, war sie in den Superwarmzeiten weit verbreitet. Mindestens acht Superwarmzeiten kamen ans Licht. Sie ersetzten scheinbar ohne jede Regel die üblichen Warmzeiten. Warum sich das Klima im hohen Norden manchmal so radikal änderte, war den Wissenschaftlern ein Rätsel. Handelte es sich lediglich um einen lokalen Effekt? Oder hatte sich das gesamte globale Klimagefüge verändert? Amerikanische Forscherkollegen, die an dem Projekt beteiligt waren, suchten mithilfe von Klimamodellen nach Antworten. Sie fütterten ihre Computer mit den Daten der damaligen Sonneneinstrahlung sowie mit dem Gehalt an Treibhausgasen in der Atmosphäre. Beide Werte sind recht gut bekannt. Doch die sibirischen Superwarmzeiten wollten sich partout nicht einstellen – die Temperaturen erreichten bei den Modellrechnungen nicht einmal die Nähe des Zielkorridors. Heraus kamen immer ähnliche Verhältnisse, wie sie heute herrschen. Selbst ein eisfreies Grönland brachte in den Modellen nicht den gewünschten Effekt. Schließlich hatten die Forscher die zündende Idee: Sie erinnerten sich an eine andere Tiefbohrung, die 2006 auf der gegenüberliegenden Seite der Erde, in der Antarktis, niedergebracht worden war: das internationale „Andrill-Projekt”, an dem das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven beteiligt war. Das Bohrgerüst stand damals auf dem mächtigen Ross-Schelfeis und drang fast 1300 Meter tief in das darunter liegende Meeres-Sediment vor. Auch dabei hatte es eine Überraschung gegeben: Die Geowissenschaftler fanden in den Bohrkernen immer wieder Lagen, die fast ausschließlich aus Resten von Kieselalgen bestanden. Diese einzelligen „Eisalgen” brauchen Licht und können deshalb nicht unter dem dicken Schelfeis gedeihen. Das lässt nur einen Schluss zu: Das Ross-Schelfeis, wahrscheinlich sogar das gesamte Westantarktische Inlandeis, war in den letzten fünf Millionen Jahren immer wieder abgeschmolzen. Der gewaltige schwimmende Eispanzer, größer als Deutschland und Frankreich zusammen, ist also längst nicht so stabil, wie die Polarforscher bislang annahmen. Rätselhafte Klima-Kopplung Die Kölner Geowissenschaftler interessierten sich vor allem dafür, wann das Schelfeis verschwunden war. Beim Vergleich mit ihren Daten fanden sie frappierende Übereinstimmungen. Der Kollaps des Westantarktischen Eisschildes und die Superwarmzeiten auf der anderen Seite der Erdkugel hängen offenbar zusammen. Aber wie? Eigentlich können nur die Meeresströmungen so weit entfernte Gebiete miteinander koppeln. Das hieße aber, dass sich das Klima damals weltweit verändert hatte. Denn kaum etwas hat auf das Klima einen so starken Einfluss wie die Ozeane mit ihren Strömungen. Sie verteilen Wärme oder Kälte, bringen Regen oder Trockenheit – eine globale Klimamaschine. Die Motoren für den Wasserreigen sitzen an den Polen, wobei auch das Schelfeis beteiligt ist. In der Antarktis geschieht Folgendes: An den Küsten entstehen immer wieder offene Wasserflächen, weil der Wind das Eis aufs Meer hinaus schiebt. Dort bildet sich in der Kälte sofort neues Eis, das kaum Salz enthält. Das Salz reichert sich im Wasser darunter an, das dadurch schwerer wird. Es sinkt ab, strömt unter das Schelfeis und gelangt schließlich als Tiefenströmung in den Pazifik und den Atlantik. Dort fließt es nach Norden und startet zu einer Weltreise. Es quert den Äquator – ohne die Möglichkeit, viel Wärme zu tanken. Im Pazifik gelangt das salzreiche Wasser erst in arktischen Breiten wieder an die Oberfläche. Dort kühlt es die umliegenden Landmassen herunter – im Gegensatz zum Golfstrom, der Wärme bringt. Kein kalter Wasserstrom Melles vermutet, dass diese Kühlung während der Superwarmzeiten ins Stocken geriet. Hinweise darauf hat er in Bohrkernen aus dem Pazifik gefunden, die bisher noch nie auf diesen globalen Zusammenhang hin abgeklopft wurden. Eigentlich lagen die ganzen Puzzleteile schon vorher auf dem Tisch, nur hat sie niemand richtig zusammengesetzt. So zeigen Untersuchungen von Meeressedimenten südlich von Neuseeland, dass zeitweise tatsächlich weniger Bodenwasser in den Pazifik geströmt ist. Und im Nordpazifik fehlte zu den fraglichen Zeiten der aufquellende kalte Strom. Das hat man anhand von Organismen-Resten im Sediment herausgefunden. Laut Martin Melles sind zwei Szenarien denkbar, die beschreiben, was damals passiert ist: · Weil der kalte Strom aus der Tiefe versiegte, bildete sich im Nordpazifik ein geschichteter Wasserkörper aus, dessen Oberfläche sich aufheizte. Das machte sich vor allem auf dem Festland rings um das Beringmeer bemerkbar, also in Alaska und Nordost-Sibirien. Auch am Elgygytgyn-See kletterten die Temperaturen, und Regen löste die wüstenhafte Trockenheit ab. · Es könnte aber auch sein, dass der Kollaps des Schelfeises den Meeresspiegel steigen ließ. Denn die Gletscher im antarktischen Hinterland rutschten ohne diese Barriere schneller ins Meer. Ein Anstieg um 5 Meter, wovon Melles ausgeht, hätte Auswirkungen auf die Beringstraße. Der schmale Durchlass zwischen Pazifik und Polarmeer wäre nicht mehr 50, sondern 55 Meter tief gewesen – was mehr warmes Pazifikwasser ins Polarmeer gelangen ließ. ELEKTRISIERENDE DATEN Was sich während der letzten Jahrmillionen tatsächlich ereignet hat und welche Folgen das für andere Teile der Welt hatte, werden erst weitere Forschungen zeigen. Vor allem die Modellierer sind jetzt gefragt. Anders Levermann, Professor für dynamische Klimasysteme am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam, würde lieber heute als morgen anfangen. Er bezweifelt zwar, dass der kalte Tiefenstrom versiegt, wenn das Schelfeis verschwunden ist. Doch die Daten, die sein Kölner Forscherkollege Melles gefunden hat, elektrisieren ihn. Denn diese Arbeit rückt den Pazifik ins Zentrum der Forschung, dessen Rolle im weltweiten Strömungskanon noch nicht gründlich untersucht wurde. Bisher stand stets der Atlantik im Vordergrund. Die Forscher müssen sich sputen, sonst überholt sie die Wirklichkeit. Wie brisant das Thema ist, hat eine aktuelle Modellrechnung deutlich gemacht. Die Ergebnisse, die Computer des Alfred-Wegener-Instituts in Bremerhaven und des britischen Met Office Hadley Center lieferten, legen nahe, dass große Teile des Schelfeises noch in diesem Jahrhundert verschwinden werden, vielleicht schon in den nächsten Jahrzehnten. Es sieht ganz so aus, als würde sich wiederholen, wofür die Wissenschaftler in Sibirien Belege gefunden haben – mit gewaltigen globalen Folgen. ■ Klaus Jacob aus Stuttgart ist regelmäßiger bdw-Autor – und in dieser Ausgabe mit einem zweiten Beitrag vertreten: über organische Elektronik, S. 96. von Klaus Jacob Stich ins Herz des Weißen Sees Bei mehreren Bohrungen drangen die Forscher eines internationalen Teams 517 Meter tief in den Untergrund des Elgygytgyn-Sees, des „Weißen Sees”, im Nordosten von Sibirien. Dabei erfassten sie verschiedene Ablagerungen und Gesteine – und erschlossen so ein einzigartiges Klimaarchiv. Der See entstand vor 3,6 Millionen Jahren durch einen Meteoriteneinschlag. Danach setzten sich nach und nach Sedimentschichten ab, die heute als Klimazeugen dienen. Die Spuren der Superwarmzeit Aus den See-Sedimenten (unten: Bohrkern) lassen sich Temperaturen und Niederschläge rekonstruieren. Die Forscher fanden mehrere markante Warmzeitphasen – zum Beispiel vor rund 400 000 Jahren. Damals war es im Juli im Mittel bis zu sechs Grad wärmer als heute, und es fiel übers Jahr fast dreimal soviel Niederschlag. Irrläufer aus dem All Der Meteorit, der den sibirischen Krater vor 3,5 Millionen Jahren geschlagen hat, war ein Achondrit. Davon geht der Wiener Geologe Christian Koeberl aus. Ein Achondrit, der aus magmatischem Gestein besteht, ist ein seltener Irrläufer: Nicht einmal jeder zehnte Brocken, der die Erde trifft, gehört zu diesem Typ. Der Impakt-Spezialist Koeberl hat den Einschlag rekonstruiert. Die Ausdehnung des Kraters von 18 Kilometern gab einen Hinweis auf die freigewordene Energie und damit auch auf die Größe des Geschosses. Er schätzt den Durchmesser auf 1,2 bis 1,5 Kilometer. Es war nicht einfach, das Geschoss zu rekonstruieren, denn es ist kein einziges handfestes Stück übrig geblieben. Die Explosion zerfetzte es völlig, und die winzigen Partikel vermischten sich mit irdischem Gestein. Der abgelagerte Schutt, der sich inzwischen verfestigt hat, enthält oft nur etwa 0,1 Prozent des außerirdischen Materials. „Das ist wie das Salz in der Suppe”, sagt Koeberl. Erschwerend kommt hinzu, dass beide Materialen, das irdische und außerirdische, aus magmatischem Gestein bestehen. Doch die fremden Partikel verraten sich etwa durch ihren hohen Gehalt an Platinmetallen und ein charakteristisches Isotopenverhältnis bestimmter Elemente. Wie schnell der Meteorit ankam, lässt sich nur schätzen. Christian Koeberl geht von 20 Kilometern pro Sekunde aus. Der Winkel, in dem der Meteorit die Erde traf, bleibt verborgen. Denn der Krater, der bei einem solchen Einschlag entsteht, ist immer kreisrund. Man muss sich den Impakt wie die Explosion einer Wasserstoffbombe vorstellen, bei der die Energie fast punktförmig im Gestein ihr gewaltiges Potenzial entfaltet. Ein Meteorit dieser Größe trifft alle ein bis zwei Millionen Jahre die Erde. Die Auswirkungen in Sibirien waren gewaltig. Im Umkreis von 100 Kilometern war alles zerstört, und bis in eine Entfernung von 200 Kilometern überlebte wohl kaum ein Tier. Kompakt · In den letzten Jahrmillionen erwärmte sich die Gegend des heutigen Sibiriens mehrfach stark. · Die Sommertemperaturen während der Superwarmzeiten lagen bis zu sechs Grad Celsius höher als im heutigen Mittel. · Veränderte weltweite Meeresströmungen könnten die Hitzeschocks ausgelöst haben. Ohne Titel Mehr zum Thema Internet Arbeitsgruppe Quartärgeologie an der Universität Köln (Prof. Martin Melles): www.geologie.uni-koeln.de/ quartaergeologie.html Department of Lithospheric Research der Universität Wien (Prof. Christian Koeberl): lithosphere.univie.ac.at/home Infos zum internationalen Elgygytgyn-Bohrprojekt: www.icdp-online.org/front_content.php?idcat=512