Schwächelnde Meeresströmung könnte Eiszeiten intensiviert haben

Seit etwa 800‘000 Jahren befindet sich das Klima der Erde in einer Abfolge von Warm- und Eiszeiten, die jeweils einen Zyklus von rund 100‘000 Jahren durchlaufen. Diese Klimazyklen werden durch wiederkehrende Veränderungen der Erdumlaufbahn um die Sonne verursacht. In der Zeit vor 1,2 Millionen Jahren und noch weiter zurück folgte das Erdklima aber einem anderen Rhythmus, der durch die Neigung der Erdachse verursacht wurde: einem rund 41‘000 Jahren dauernden Zyklus aus Warm- und Eiszeiten.

Die Gründe hinter der damaligen Veränderung der Klimazyklen, die auch als Mittelpleistozäner Übergang bezeichnet wird, beschäftigen die Wissenschaft bis heute. Ein Team von Forschenden um Dr. Iván Hernández-Almeida vom an der Universität Bern angesiedelten globalen Forschungsnetzwerk Past Global Changes hat anhand von Sedimentbohrungen untersucht, welche Rolle Veränderungen der Ozeanströmung im Nordatlantik gespielt haben – und zeigen damit auch, wie sie in Zukunft das Erdklima beeinflussen könnten. Ihre Studie wurde heute in Nature Communications veröffentlicht.

Sauerstoffarmut in der Nordatlantischen Tiefsee

Als Basis für ihre Untersuchungen dienten dem Forschungsteam Sedimentbohrkerne des International Ocean Drilling Program (IODP) aus der Region südlich von Island. In den Sedimenten lagern sich über Hunderttausende von Jahren Schicht für Schicht Teilchen aus dem Meerwasser ab, darunter Mikrofossilien wie Plankton. Diese bewahren Informationen über damals vorherrschende Bedingungen im Ozean, wie Temperatur oder Sauerstoffgehalt und machen die Sedimente zu einem wertvollen Klimaarchiv der letzten mehr als eine Million Jahre.

Mithilfe geochemischer Messungen von sauerstoffsensitiven Elementen wie Mangan und Phosphor sowie der Auswertung von fossilen bodenlebenden Mikroorganismen – sogenannten benthischen Foraminiferen – rekonstruierten die Forschenden, wie gut der tiefe Nordatlantik vor 800'000 Jahren mit Sauerstoff versorgt war.

Schwächelnde Meeresströmung hält den Kohlenstoff in der Tiefe

«Wir konnten zeigen, dass der tiefe Nordatlantik während dieser Veränderung der Klimazyklen wiederholt Kältephasen durchlief, in denen der Sauerstoffgehalt stark reduziert war», sagt Iván Hernández-Almeida, Erstautor der Studie und Wissenschaftler bei Past Global Changes an der Universität Bern. «Überraschend ist vor allem, wie lange diese sauerstoffarmen Verhältnisse in einer Region anhielten, die heute als sehr gut durchlüftet gilt.»

Grund dafür ist gemäss den Forschenden, dass während Eiszeiten grosse Mengen geschmolzenes Süsswasser aus immer grösser werdenden Gletschern und ihren Eisbergen in den Nordatlantik gelangten. Dieses leichtere Süsswasser stabilisierte die obere Schicht des Ozeans und schwächte dadurch die Ozeanströmung, die sauerstoffreiches Wasser in die Tiefe transportiert. Abgesehen von einem Mangel an Sauerstoff, der gravierende Folgen für Ökosysteme in der Tiefsee hatte, führte die geschwächte Ozeanströmung dazu, dass sich in der Tiefsee mehr gelöster Kohlenstoff aus dem mikrobiellen Abbau abgestorbener Organismen ansammelte.

«Da aufgrund der geschwächten Tiefenströmung im Nordatlantik weniger des im Ozean gelösten CO2 aus der Tiefe an die Oberfläche gelangen und in die Atmosphäre entweichen konnte, kam es zu einer Abnahme der atmosphärischen CO2-Konzentration, einer Ausbreitung der Polareisschilde, also der beiden polaren Eiskappen der Erde – und damit zu einer Abkühlung des Planeten», so Hernández-Almeida. «Damit war der Nordatlantik – neben dem Südpolarmeer – ein zentraler Schauplatz für die Umstellung auf längere und kältere Eiszeiten.»

Die Studie schliesst damit eine wichtige Lücke: Bisherige Arbeiten hatten vor allem Prozesse im Südpolarmeer in den Vordergrund gestellt. Die neuen Daten zeigen, dass sich auch im Nordatlantik die Tiefenzirkulation und die Sauerstoffverhältnisse stark veränderten und damit beide Polarregionen gleichzeitig zur Veränderung der Eiszeitzyklen beitrugen.

Ein Warnsignal für künftige Veränderungen im Atlantik

Die Ergebnisse sind auch mit Blick auf den heutigen Klimawandel bedeutsam. Klimamodelle prognostizieren, dass sich die atlantische Ozeanströmung durch die Erwärmung der Erde und den zunehmenden Eintrag von Schmelzwasser aus Grönland abschwächen könnte. «Unsere Studie zeigt, dass schon in deutlich kälteren Phasen der Erde Veränderungen im Zufluss von Süsswasser ausreichten, um den Transport von Wasser in die Tiefen des Nordatlantiks zu stören – mit gravierenden und unumkehrbaren Folgen für das globale Klimasystem und Ökosysteme», sagt Hernández-Almeida. «Das ist ein wichtiges Warnsignal dafür, wie empfindlich dieses System auch heute reagieren kann. Daher wäre ein derartiges Abkühlen keineswegs eine gute Nachricht im Zusammenhang mit der menschgemachten Erderwärmung.»

In einem nächsten Schritt möchte der Berner Forscher untersuchen, wie sich Tiefenzirkulation und Sauerstoffgehalt des Nordatlantiks in anderen warmen und kalten Phasen der Erdgeschichte verändert haben. Ziel ist es, besser zu verstehen, wann sich dieses Gleichgewicht verschiebt. «Das wäre auch im Hinblick auf den heutigen Klimawandel eine wichtige Erkenntnis», sagt Hernández-Almeida abschliessend.