01. Apr. 2020
Rekonstruktion der Umwelt während der Oberen Kreidezeit im Bereich der Bohrung. Das Bild wurde auf Basis der vielfältigen wissenschaftlichen Erkenntnisse angefertigt, die aus dem Sedimentbohrkern PS104_20-2 gewonnen werden konnten.

Rekonstruktion der Umwelt während der Oberen Kreidezeit im Bereich der Bohrung. Das Bild wurde auf Basis der vielfältigen wissenschaftlichen Erkenntnisse angefertigt, die aus dem Sedimentbohrkern PS104_20-2 gewonnen werden konnten.

Das ewige Eis der Pole ist gar nicht so ausdauernd. Die Zeiten ohne Eiskappen dauerten in der Erdgeschichte wesentlich länger als solche mit Eis. Allerdings verhindert das kilometerdicke Eis auf dem antarktischen Kontinent, dass man genauer untersuchen kann, wie es dort zu früheren Zeiten aussah. Ein Bohrkern aus der Amundsensee hat jetzt einen aufsehenerregenden Blick in antarktische Welt der oberen Kreide erlaubt. In der aktuellen "Nature" wird darüber berichtet.

Ein sumpfiger Regenwald aus Nadelbäumen und Baumfarnen, im Unterholz Büsche von Proteen und ausgedehnte Moospolster, all das vermutlich durchzogen von einem träge fließenden Fluss oder mit Tümpeln durchsetzt, in denen dichte Wolken von Cyanobakterien wucherten. Es regnete viel und die Temperatur betrug im Jahresdurchschnitt 13 Grad, konnte aber im Sommer auf lauschige 20 bis 25 Grad ansteigen. So sah es in der Oberen Kreidezeit vor rund 90 Millionen Jahren keine 900 Kilometer vom Südpol entfernt aus. Eine vergleichbare Stelle in der heutigen Antarktis ist dagegen von kilometerdickem Eis bedeckt und hat eine mittlere Temperatur von -30 oder -40 Grad.

Die

Die "Polarstern" vor einem mächtigen Eisberg in der inneren Pine Island Bucht, Westantarktis.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/J.P. Klages
Das Meeresboden-Bohrgerät MARUM-MeBo70 zwischen zwei Einsätzen in der inneren Pine Island Bucht, Westantarktis.

Das Meeresboden-Bohrgerät MARUM-MeBo70 zwischen zwei Einsätzen in der inneren Pine Island Bucht, Westantarktis.

Bild: MARUM/T. Klein
Stationsbesprechung von Geologen und Geophysikern in der Echolotzentrale der

Stationsbesprechung von Geologen und Geophysikern in der Echolotzentrale der "Polarstern".

Bild: Alfred-Wegener-Institut/J.P. Klages
Johann P. Klages, AWI, und Mitautorin Tina van de Flierdt, Imperial College London, versuchen, stark verfestigtes Sediment aus den MeBo-Kernfängern zu lösen.

Johann P. Klages, AWI, und Mitautorin Tina van de Flierdt, Imperial College London, versuchen, stark verfestigtes Sediment aus den MeBo-Kernfängern zu lösen.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/T. Ronge
Das Meeresboden-Bohrgerät MARUM-MeBo70 während Stationsarbeiten direkt vor der Schelfeiskante des Pine Island Gletschers.

Das Meeresboden-Bohrgerät MARUM-MeBo70 während Stationsarbeiten direkt vor der Schelfeiskante des Pine Island Gletschers.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/K. Gohl
MeBo-Piloten Thorsten Klein (links) und Siefke Fröhlich (rechts) vom MARUM im Steuerungscontainer des MARUM-MeBo70 an Deck der

MeBo-Piloten Thorsten Klein (links) und Siefke Fröhlich (rechts) vom MARUM im Steuerungscontainer des MARUM-MeBo70 an Deck der "Polarstern" während einer Bohrung.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/T. Ronge
Hochbetrieb im Sedimentologie-Nasslabor auf der

Hochbetrieb im Sedimentologie-Nasslabor auf der "Polarstern" nach einer erfolgreichen MeBo-Bohrung.

Bild: 6_IMG_1858_T_Ronge
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Die "Polarstern" vor einem mächtigen Eisberg in der inneren Pine Island Bucht, Westantarktis.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/J.P. Klages

Das Meeresboden-Bohrgerät MARUM-MeBo70 zwischen zwei Einsätzen in der inneren Pine Island Bucht, Westantarktis.

Bild: MARUM/T. Klein

Stationsbesprechung von Geologen und Geophysikern in der Echolotzentrale der "Polarstern".

Bild: Alfred-Wegener-Institut/J.P. Klages

Vereinfachte Übersichtskarte der Südpolarregion zum Zeitpunkt der Ablagerung vor etwa 90 Millionen Jahren.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/J.P. Klages

Johann P. Klages, AWI, und Mitautorin Tina van de Flierdt, Imperial College London, versuchen, stark verfestigtes Sediment aus den MeBo-Kernfängern zu lösen.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/T. Ronge

Das Meeresboden-Bohrgerät MARUM-MeBo70 während Stationsarbeiten direkt vor der Schelfeiskante des Pine Island Gletschers.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/K. Gohl

MeBo-Piloten Thorsten Klein (links) und Siefke Fröhlich (rechts) vom MARUM im Steuerungscontainer des MARUM-MeBo70 an Deck der "Polarstern" während einer Bohrung.

Bild: Alfred-Wegener-Institut/T. Ronge

Hochbetrieb im Sedimentologie-Nasslabor auf der "Polarstern" nach einer erfolgreichen MeBo-Bohrung.

Bild: 6_IMG_1858_T_Ronge

Um analoge Bedingungen wie in der Mittleren Kreide zu finden, muss man heutzutage rund 4000 Kilometer weiter nach Norden fahren. "Derartige gemäßigte Regenwälder findet man vielleicht in Neuseeland, im nördlichen Bereich der Südinsel", sagt der Meeresgeologe Johann Klages vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, (AWI) in Bremerhaven. Dass wir überhaupt etwas derart Konkretes über die Wälder des Südpols wissen, verdanken wir einem knapp drei Meter langen Abschnitt aus einem Bohrkern. Eine Polarstern-Expedition von AWI, British Antarctic Survey und dem Bremer Zentrum für Marine Umweltwissenschaften MARUM hatte ihn im antarktischen Sommer 2017 aus dem Meeresboden der Amundsensee gewinnen können. Klages stellt die Erkenntnisse zusammen mit dem Team der Polarstern-Expedition 104 in der aktuellen "Nature" vor.

Zeugen eines vielfältigen Ökosystems

In dem Bohrkern aus der Amundsensee fanden die Wissenschaftler Sporen und Pollen von 62 verschiedenen Pflanzengruppen, ja sogar Reste von fossilisierten Baumwurzeln. All das sind Zeugen eines höchst vielfältigen Ökosystems. "Wir haben wirklich einen Paläoboden von vor 90 Millionen Jahren nach oben gebracht, ein wirklich terrestrisches Sediment, das sich nur unter Bedingungen an Land hat ablagern können", erklärt Johann Klages. Die Stelle, die heute unter 946 Meter Ozeanwasser liegt, befand sich in der Oberen Kreidezeit im Binnenland des südlichen Kontinents Gondwana, der allerdings seit dem Mittleren Jura vor rund 170 Millionen Jahren langsam auseinanderbrach. Auch in der Nähe der Bohrstelle entwickelte sich ein Rift, ein Riss zwischen Kontinenten. In diesem Fall war es der antarktische Kontinent und Zeelandia, eine Kontinentalmasse, die heutzutage weitgehend unter Wasser liegt. Nur ihre Spitzen ragen als Neuseeland aus dem Meer.

Wie weit das Rift allerdings zu dem Zeitpunkt entwickelt war, an dem der Regenwaldboden bestand, können die Forscher nicht sagen. "Wir haben aufgrund der Pollen ja nur einen Zeitraum zwischen 93 und 83 Millionen Jahren bestimmen können, genauer geht es nicht", sagt Johann Klages. In diesen zehn Millionen Jahren kann der Riss zwischen Zeelandia und der Antarktis ausgesehen haben wie das ostafrikanische Rift heute, also ein Graben mitten im Festland. Er kann aber auch schon weiter entwickelt gewesen sein wie im Bereich des Roten Meeres, wo sich in der nördlichen Fortsetzung des ostafrikanischen Rifts inzwischen ein schmales Meer gebildet hat. Sicher ist nur, dass der Regenwaldboden aus dem Bohrkern keinerlei Einfluss von salzigem Meerwasser gezeigt hat.

Überraschender Fund

Es handelt sich um einen unerwarteten Fund, denn die Expedition auf der pazifischen Seite des Südkontinents hatte eigentlich die vergleichsweise junge Vergangenheit der dortigen Pine-Island- und Thwaites-Gletscher im Visier, die zu den schnellsten Eisströmen der Westantarktis gehören. Ziel waren Sedimentschichten aus der Eem-Warmzeit vor 128.000 bis 117.000 Jahren, der jüngsten Warmzeit vor unser derzeitigen. Mit dem Meeresbodenbohrgerät MeBo70 bohrte die Gemeinschaftsexpedition in den Meeresboden des mittleren antarktischen Schelfs. Die seismischen Vorerkundungen versprachen an der fraglichen Stelle besonders dicke Sedimentschichten, die weit genug in die Vergangenheit zurückreichen sollten.

Der Bohrplatz war also gut gewählt, doch die Bohrung selbst verlief nicht ganz wie geplant. "Wir haben uns durch ungefähr 26 Meter halbfesten Sandstein gebohrt, der für das Bohrteam sehr unerfreulich ist, weil er nicht sehr stabil ist", berichtet Klages, "dann kam noch ein Meereisfeld in Sicht." Das Eisfeld hätte für die "Polarstern" kein Problem dargestellt, wenn nicht ein millionenteures Bohrgerät am Meeresboden gestanden hätte, das nur durch ein vergleichsweise dünnes Kabel mit der Oberfläche verbunden war. Wäre das Kabel durchtrennt worden, wäre MeBo70, eines von weltweit drei Meeresbodenbohrgeräten, nur wenig mehr als ein Stück Schrott in der Amundsensee gewesen. "Wir haben dann gesagt", so Klages, "OK, wir hängen noch drei Meter dran und machen dann Schluss. Und in diesen drei Metern war dann dieses Material drin, das völlig anders aussah." Statt hellen Sandsteins füllte ein dunkles, sehr feines Material die letzten Hüllrohre, die MeBo70 mit an die Oberfläche brachte.

Material stammt aus extrem warmer Zeit

Der dunkle Bohrkernabschnitt stammt aus einer Periode, die zu den wärmsten der vergangenen 170 Millionen Jahre gehört. In Äquatornähe betrug die Oberflächentemperatur des Meerwassers im Jahresdurchschnitt 35 Grad. Wie es an den Polen aussah, konnten die Paläowissenschaftler bislang nur vermuten, denn Fossilien aus der Kreidezeit kannte man nur in geringer Zahl von der Seymour-Insel an der Nordspitze der Antarktischen Halbinsel. "Wir haben jetzt den allersüdlichsten Beweis gefunden, wie das Klima in dieser extremen Zeit ausgesehen hat. Es war sehr viel wärmer, als wir es vorher gewusst haben und als wir es auch erwartet haben", so Klages. Aus der detaillierten Überlieferung rekonstruierten die Forscher den Regenwald, wie er damals wohl ausgesehen hatte. "Auf dieser Basis konnten wir berechnen, welche Temperaturen ungefähr für diese Umweltbedingungen und dieses Ökosystem notwendig waren".

Paläoklimamodellierer um Gerrit Lohmann vom AWI nutzten diese Angaben dann, um mit einem Modell die Bedingungen zu simulieren, unter denen an diesem extremen Ort ein solcher Regenwald hätte wachsen können. Die Modellrechnungen ergaben, dass der gesamte antarktische Kontinent von Wäldern bedeckt sein musste, dass Klages und seine Kollegen also nicht per Zufall auf die letzte Restvegetation in einer ansonsten schon vom Eis geprägten Umwelt gestoßen waren. Die Rechnungen ergaben sogar, dass es gar kein Eis von größerer Ausdehnung gegeben haben dürfte. Grundsätzlich war ein solches Ökosystem an diesem Ort nur möglich, wenn der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre deutlich über demjenigen lag, den man für diese Periode bislang schon annahm, und damit die heutigen von gut 400 ppm drastisch überstieg. " Bis zu unserer Studie ging man davon aus, dass die globale Kohlendioxidkonzentration im Zeitalter der Kreide bei etwa 1000 ppm lag", so Gerrit Lohmann, "in unseren Modellversuchen aber waren Konzentrationswerte von 1120 bis 1680 ppm notwendig, um die damaligen Temperaturen in der Antarktis zu erreichen.“

Wie konnten die Pflanzen vier Monate Dunkelheit überleben?

Die Paläoklimatologen haben demnach eine Menge zu erklären. Vor allem ist die Frage nach wie vor ungeklärt, wie sich das Klima von diesem extremen Warmzustand so weit abkühlen konnte, dass rund 40 Millionen Jahre später die Eisschilde zu wachsen begannen. " Es ist nach wie vor unklar, wann und warum sich die Antarktis vereiste, uns in unseren Klimasimulationen konnten wir darauf noch keine zufriedenstellende Antwort finden“, sagt Gerrit Lohmann.

Die Werte aus dem Bohrkern legen jedenfalls nahe, dass in der Oberkreide die Temperaturen selbst im antarktischen Winter nicht dauerhaft unter Null sinken konnten. Torsten Bickert, Geowissenschaftler am MARUM, erläutert: "Wir wissen jetzt, dass die Sonneneinstrahlung in der Kreidezeit ruhig vier Monate lang ausbleiben konnte. Bei einer entsprechend hohen Kohlendioxidkonzentration herrschte dennoch ein gemäßigtes Klima ohne Eismassen am Südpol.“ Nicht wirklich klar ist allerdings die Frage, wie die Ökosysteme mit der langen Dunkelheit umgingen. Schließlich sind Pflanzen darauf angewiesen, ihre Nährstoffe mit Hilfe des Sonnenlichtes herzustellen. "Es gibt für diese Pflanzenvergesellschaftung heute auch kein Analogbeispiel mehr auf der Erde", so Johann Klages, "das heißt, die müssen schon sehr widerstandsfähig gewesen sein."