20. Mär. 2018

Bohrplattform auf dem Eis des Elgygytgyn-Sees bei Nacht. Die Bohroperationen liefen über 24 Stunden, in zwei Schichten zu je zwölf Stunden.

Das Tiefbohrprojekt in den nordostsibirischen Elgygytgyn-See aus dem Jahr 2008 war eines der aufwendigsten im Internationalen Kontinentalen Tiefbohrprogramm. Doch die finanzielle und logistische Anstrengung hat sich gelohnt. Der See lieferte das bislang einzige weit in die Erdgeschichte zurückreichende Klimaarchiv der Arktis. Auf dem Tiefbohrkolloquium der Deutschen Forschungsgemeinschaft in Bochum berichteten Wissenschaftler der Universität Köln von den jüngsten Erkenntnissen.

Im äußersten Nordosten Sibiriens liegt der Elgygytgyn-See, ein bis zu 175 Meter tiefer Kratersee, der nach einem Asteroideneinschlag vor rund 3,6 Millionen Jahren entstand. Entlegener geht es selbst für den Polarkreis kaum noch, der nächste Seehafen zum Beispiel ist 260 Kilometer weit entfernt. Und doch ist der die meiste Zeit im Jahr zugefrorene See ganz zentral in das Klimageschehen der Arktis eingebunden. Martin Melles, Paläoklimatologe an der Universität Köln, war 2008/9 vor Ort, um in dem Kratersee Sedimentkerne für die Klimaforschung zu erbohren. „Wir waren uns zunächst selbst nicht sicher, ob dieser Sedimentkern repräsentativ für den nördlichen Pazifik oder vielleicht für die gesamte Arktis ist“, berichtete er auf dem Tiefbohrkolloquium der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Ruhruniversität Bochum, „Arbeiten von anderen Kollegen im marinen Bereich haben inzwischen jedoch gezeigt, dass es wirklich ein Kern ist, der ziemlich repräsentativ für die gesamte Arktis sein dürfte.“

Seltener Klimaspeicher in Nordostsibirien

Klimaarchive für die Nordpolregion sind extrem rar und reichen häufig nicht sehr weit zurück. So speichern etwa die Eisbohrkerne aus Grönland nur die jüngsten rund 120.000 Jahre, erfassen also nur die laufende Warm- und die ihr vorhergehende Kaltzeit. Im Gegensatz dazu reichen die Sedimente des Elgygytgyn-Sees 3,6 Millionen Jahre zurück, praktisch bis zu seiner Entstehung durch den Asteroideneinschlag. Der See war nie von Kaltzeitgletschern bedeckt, die bei Vorstoß und Rückzug jedes Sediment ausräumen und damit das Archiv löschen, deshalb reicht das Seearchiv bis ins Pliozän, die jüngste Warmepoche, bevor mit dem Quartär der Wechsel von Kalt- und Warmzeiten einsetzte. „Wir können 30 Mal so weit in die Vergangenheit gehen wie mit den Eiskernen in Grönland“, so Melles, „das ist wirklich ein ganz großer Schritt für uns Paläo-Klimatologen.“

Die Bohrplattform auf dem künstlich verdickten Eis des Elgygytgyn-Sees aus der Luft; die Eisstraße im Hintergrund verbindet die Plattform mit dem Camp am Westufer des Sees.

Die Bohrplattform auf dem künstlich verdickten Eis des Elgygytgyn-Sees aus der Luft; die Eisstraße im Hintergrund verbindet die Plattform mit dem Camp am Westufer des Sees.

Bild: Universität zu Köln/Jens Karls
Bohrtätigkeit auf der Plattform des internationalen Elgygytgyn-Bohrprojektes im Frühjahr 2009. Die Plattform erlaubt mit ihren Leichtbauwänden und einem Zelt über dem 20 m hohen Bohrturm weitgehend witterungsunabhängiges Arbeiten.

Bohrtätigkeit auf der Plattform des internationalen Elgygytgyn-Bohrprojektes im Frühjahr 2009. Die Plattform erlaubt mit ihren Leichtbauwänden und einem Zelt über dem 20 m hohen Bohrturm weitgehend witterungsunabhängiges Arbeiten.

Bild: DOSECC/James Cranmer
Beprobung der Seesedimentkerne vom Elgygytgyn-Bohrprojekt an der Universität zu Köln.

Beprobung der Seesedimentkerne vom Elgygytgyn-Bohrprojekt an der Universität zu Köln.

Bild: Universität zu Köln/Volker Wennrich
Korrelation der teilweise überlappend gebohrten Seesedimentkerne vom Elgygytgyn-Bohrprojekt an der Universität zu Köln.

Korrelation der teilweise überlappend gebohrten Seesedimentkerne vom Elgygytgyn-Bohrprojekt an der Universität zu Köln.

Bild: Universität zu Köln/Volker Wennrich
Ein Ästchen von einer Lärche oder Fichte, gefunden im Sedimentbohrkern vom Elgygytgen-See.

Ein Ästchen von einer Lärche oder Fichte, gefunden im Sedimentbohrkern vom Elgygytgen-See.

Bild: Universität zu Köln/Andrej Andreev
Tannenpollen aus dem Sedimentbohrkern vom Elgygytgen-See.

Tannenpollen aus dem Sedimentbohrkern vom Elgygytgen-See.

Bild: Universität zu Köln/Andrej Andreev
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Die Bohrplattform auf dem künstlich verdickten Eis des Elgygytgyn-Sees aus der Luft; die Eisstraße im Hintergrund verbindet die Plattform mit dem Camp am Westufer des Sees.

Bild: Universität zu Köln/Jens Karls

Bohrtätigkeit auf der Plattform des internationalen Elgygytgyn-Bohrprojektes im Frühjahr 2009. Die Plattform erlaubt mit ihren Leichtbauwänden und einem Zelt über dem 20 m hohen Bohrturm weitgehend witterungsunabhängiges Arbeiten.

Bild: DOSECC/James Cranmer

Beprobung der Seesedimentkerne vom Elgygytgyn-Bohrprojekt an der Universität zu Köln.

Bild: Universität zu Köln/Volker Wennrich

Korrelation der teilweise überlappend gebohrten Seesedimentkerne vom Elgygytgyn-Bohrprojekt an der Universität zu Köln.

Bild: Universität zu Köln/Volker Wennrich

Ein Ästchen von einer Lärche oder Fichte, gefunden im Sedimentbohrkern vom Elgygytgen-See.

Bild: Universität zu Köln/Andrej Andreev

Tannenpollen aus dem Sedimentbohrkern vom Elgygytgen-See.

Bild: Universität zu Köln/Andrej Andreev

Bis heute ist der Bohrkern aus dem Tschuktschengebiet das einzige weit in die Vergangenheit der Arktis zurückreichende Klimaarchiv. „Wir werden eine solche Lokalität an Land nicht noch einmal in der Arktis finden“, bedauert Melles. Auch Ergänzungen durch Bohrkerne aus dem Arktischen Ozean sind derzeit nicht in Sicht. Gerade erst ist ein Projekt des Internationalen Meerestiefbohrprogramms IODP ziemlich abrupt abgesagt worden. Mit Unterstützung durch russische Eisbrecher wollte ein großes Team unter Führung des AWI-Ozeanographen Rüdiger Stein mitten im Arktischen Ozean bohren. Doch die Eisbrecher scheinen jetzt nicht zur Verfügung zu stehen. Und so dürfte sich der logistische und finanzielle Kraftaufwand des Elgygytgen-Projektes erst recht gelohnt haben. Seit 2002 hatte das Bundesforschungsministerium die Vorarbeiten im Rahmen der Wissenschaftlich-Technischen Zusammenarbeit Russland mit rund 5,5 Millionen Euro gefördert, dann wurde eines der aufwendigsten Projekte des Internationalen Kontinentalen Tiefbohrprogramms (ICDP) draus.

Chronologie des Eiszeitalters

Die Seesedimente zeigen detailliert, wie das Klima aus dem dauerhaft warmen Pliozän in die Eiszeit des Quartärs glitt, das vor 2,6 Millionen Jahren begann. Damals setzte in der Nordhemisphäre die Vergletscherung ein. Die Sedimente verraten, dass die Arktis tatsächlich allmählich abkühlte. Mit dem Beginn des Quartärs fror der Kratersee erstmals vollständig zu, und auch danach wurde es nur allmählich kälter, bis nach 800.000 Jahren der Tiefpunkt erreicht war. Das Quartär, zu dem auch unsere derzeitige Warmzeit zählt, ist dann durch einen abrupten Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten geprägt.

Rund 50 solcher Zyklen sind bekannt, doch der Elgygytgyn zeigt daneben auch einige extreme Ausschläge, sogenannte Super-Warmzeiten. „Die sind sehr unregelmäßig über diese 3,6 Million Jahre verteilt“, sagt Melles. Die jüngste ereignete sich vor 420.000 Jahren. „Wenn man weiter in die Vergangenheit geht, kommt die nächste Superwarmzeit vor etwa 1,03 Millionen Jahren“, so Melles. In den 1,5 Millionen Jahren davor gab es ganze sechs solcher Extremwarmzeiten, bei denen die Durchschnittstemperaturen um fünf bis sechs Grad über den heutigen lagen und die Niederschläge 300 bis 400 Millimeter im Jahr erreichten. „Das ist eine eine Verdopplung der Niederschläge. In der Paläoklimatologie sind das Welten“, betont Melles. Auf die schnellen und drastischen Klimawechsel reagierte die Vegetation sofort. „In der Vergangenheit hatten wir in diesem Gebiet Wälder mit Fichten und Tannen, heutzutage nur Tundra mit Zwergbirken und Zwergweiden“, erklärt der Paläoökologe Andrej Andreev von der Universität Köln.

Fernwirkung aus der Antarktis

Die Werte aus den Klimaarchiven bereiteten den Modellierern gehöriges Kopfzerbrechen, denn in ihren Simulationen entstanden keine Superwarmzeiten. Daher suchten Modellierer und Klimatologen gemeinsam nach einem Faktor, der in den Rechenmodellen bislang nicht berücksichtigt wurde. Die stützen ihre Kalkulationen vor allem auf Veränderungen der Erdbahn und Schwankungen im Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre. Ein Blick zum anderen Pol war nötig, um den zusätzlichen Einfluss auf das arktische Klima zu erkennen. „Wir konnten zeigen, dass große Ereignisse in der Antarktis, als wesentliche Teile des antarktischen Eisschelfes kollabierten, mit Zeiten korrespondieren, in denen es in der Arktis, viel, viel wärmer geworden ist“, berichtet Martin Melles. Solche Fernbeziehungen über den halben oder gar ganzen Globus hinweg gibt es einige im Klimasystem, der genaue zeitliche Vergleich von Antarktis und Arktis fügte jetzt eine weitere hinzu.

Das verbindende Band zwischen den Polen ist in diesem Fall das antarktische Bodenwasser, das unter den Schelfeisgebieten des Südkontinents gebildet wird und mit der Ozeanzirkulation in den nördlichen Pazifik gelangt, wo es an die Oberfläche kommt und die Atmosphäre kühlt. Bricht in der Antarktis das Schelfeis zusammen, bildet sich auch kein Bodenwasser mehr. Im Nordpazifik fällt damit die „Klimatisierung“ aus und die Temperaturen steigen drastisch. „Gerade heute findet ein extremer Eisabbau in der Westantarktis statt“, zieht Martin Melles eine Parallele zu heute, „möglicherweise bedeutet das, dass die starke Klimaerwärmung, die ohnehin schon für die Arktis vorhergesagt wird, eventuell sogar noch stärker ausfallen wird.“