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Perspektive aus dem Inneren des Ozeans unterm Eis © Alfred-Wegener-Institut / Martin Künsting
Forschung

Das Polarmeer war aus Süßwasser

Geowissenschaftler stellen mit neuen Eiszeit-Befunden die bisherige Vorstellung vom Arktischen Ozean auf den Kopf.

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Schwammen zu Urzeiten Forellen um den Nordpol? Ein deutscher Forschungsverbund hat jetzt herausgefunden, dass der Arktische Ozean in den vergangenen 150.000 Jahren zeitweilig aus Süßwasser bestand. Das kommt einer Sensation gleich, ähnlich der Erkenntnis, dass in einem früheren Erdzeitalter die Antarktis von Dschungel bedeckt war.

Falls darin Lebewesen existierten, müssten sie im Dunkeln existiert haben – und unter einem gewissen Druck: Auf diesem riesigen See ruhte ein Deckel aus rund 900 Meter dickem Schelfeis. Das Phänomen ereignete sich mindestens zweimal. Es währte jeweils mehrere tausend Jahre, fand ein Forscherteam des Alfred-Wegener-Instituts und Marum, Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen, kürzlich heraus.

In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature berichten die Wissenschaftler über ihre faszinierenden Erkenntnisse. Den Nachweis erbrachten Ablagerungen am Meeresboden: Sie belegen, dass die nördlichen Meere – der Arktische Ozean und das Europäische Nordmeer – in wenigstens zwei Eiszeiten kein Salzwasser mehr enthielten.

Zustand währte Jahrtausende

Stattdessen sammelten sich in beiden Ozeanbecken große Mengen Süßwasser an, die später – vermutlich schwallweise – in den Nordatlantik abflossen. Diese plötzlichen Süßwasser-Einströme würden auch abrupte Klimaschwankungen erklären, die sich in diesem Zeitraum ereigneten. Bislang hatten Forscher noch keine schlüssige Ursache dafür gefunden.

So könnte es gewesen sein: Vor 60.000 bis 70.000 Jahren, in einer Phase der Weichsel-Eiszeit, waren große Gebiete Nordeuropas und Nordamerikas von Eisschilden bedeckt. Der Europäische Eisschild erstreckte sich nach bisherigem Wissen über mehr als 5.000 Kilometer von Irland und Schottland über Skandinavien bis an den Ostrand der Karasee, ein nördlich von Russland liegendes Polarmeer.

Polarmeer
In Eiszeiten mit besonders niedrigem Meeresspiegel kam der Austausch mit dem Pazifik zum Erliegen © AWI/Martin Künsting

In Nordamerika begruben zeitgleich zwei Eisschilde weite Teile des heutigen Kanada unter sich. Grönland und Gebiete an der Beringmeer-Küste Russlands waren ebenso vergletschert. Über die Situation auf den Ozeanen ist bisher wenig bekannt gewesen: Wie sah zu dieser Zeit die Eissituation weiter nördlich im Arktischen Ozean aus? War er von dickem Meereis bedeckt? Oder reichten schwimmende Ausläufer der Eisschilde, die sogenannten Schelfeise, bis weit über den Nordpol hinaus?

Das Nordpolarmeer wurde zu Seen

Wissenschaftliche Antworten darauf hatten bislang nur hypothetischen Charakter. An Land zeugen Findlinge, Endmoränen und Urstromtäler von der Existenz der riesigen Eisschilde. Doch im Gebiet des Arktischen Ozeans gab es bislang nur wenige zusammenhängende Spuren von weit ausgedehntem Schelfeis.

Das Forscherteam von Alfred-Wegener-Institut und Marum fand nun heraus: Die schwimmenden Ausläufer der nördlichen Eisschilde bedeckten komplett den Arktischen Ozean. Einmal vor 70.000 bis 60.000 Jahren und ein zweites Mal im Laufe der sogenannten Saale-Eiszeit vor 150.000 bis 130.000 Jahren. Dabei sammelte sich unter den mehr als 900 Meter dicken Eismassen so viel Süßwasser an, dass der Arktischen Ozean und das Europäische Nordmeer zu Seen wurden.

„Mit diesen Ergebnissen stellen wir die bislang geltende Vorstellung von der Geschichte des Arktischen Ozeans im Eiszeitklima auf den Kopf“, sagt AWI-Geochemiker Dr. Walter Geibert.
„Unseres Wissens nach ist bislang niemand auf die Idee gekommen, dass der Arktische Ozean und das Europäische Nordmeer in dieser Zeit phasenweise nur Eis und Süßwasser enthielten“, so der Erstautor der gerade erst veröffentlichten Forschungsergebnisse.

Fehlendes Thorium ist der Schlüssel

Er beruft sich dabei auf geologische Analysen von zehn Sedimentkernen aus dem Arktischen Ozean, aus der Framstraße und dem Europäischen Nordmeer. Diese übereinandergeschichteten Sediment-Ablagerungen bilden die arktische Klimageschichte der zurückliegenden Eiszeiten ab.

Als die Geowissenschaftler die Kerne Schicht für Schicht untersuchten, fiel ihnen etwas auf: Es fehlte stets in den jeweils gleichen zwei Zeiträumen ein entscheidender Anzeiger. „Im salzhaltigen Meerwasser entsteht durch den Zerfall von natürlichem Uran das Isotop Thorium-230. Es lagert sich am Meeresboden ab“, erläutert Walter Geibert. Wegen seiner Halbwertzeit von 75.000 Jahren sei es dort auch sehr lange nachweisbar

Geologen nutzen das Thorium-Isotop deshalb gern als natürlichen Zeitmesser. „Diesmal aber gibt uns sein wiederholtes und vor allem weit verbreitetes Fehlen den alles entscheidenden Hinweis. Die einzig plausible Erklärung dafür ist unseres Wissens nach, dass der Arktische Ozean zweimal in seiner jüngeren Geschichte ausschließlich mit Süßwasser gefüllt war“, erläutert Co-Autorin und AWI-Mikropaläontologin Dr. Jutta Wollenburg.

Die Beringstraße war trocken

Wie aber kann ein Ozeanbecken, welches mit dem Nordatlantik und dem Pazifischen Ozean verbunden ist, sich komplett mit Süßwasser füllen? Dazu muss man wissen, dass der Meeresspiegel während der Eiszeiten bis zu 130 Meter tiefer lag als heute. „Überdies bremste der Schelfeis-Deckel auf dem Arktischen Ozean den Austausch der Wassermassen“, erklärt Co-Autor und AWI-Geologe Prof. Dr. Rüdiger Stein.

Polarmeer
Vereinfachte Darstellung des Arktischen Ozeans mit eiszeitlichem Eisschild © AWI/Martin Künsting

Flache Meerengen wie die Beringstraße oder aber die Sunde im kanadischen Archipel waren damals trockengefallen. Folglich scheiden sie als Zu- und Abfluss aus. Im Europäischen Nordmeer könnten Eisberge oder aber auf dem Meeresboden aufliegende Gletscherzungen den Abfluss blockiert haben. Zeitgleich aber trugen fließende Gletscher, die sommerliche Eisschmelze und nach Norden verlaufende Flüsse jedes Jahr mindestens 1200 Kubikkilometer Süßwasser – mehr als doppelt so viel wie das heutige Volumen des Michigansees in den USA – in den Arktischen Ozean ein.

Ein Teil dieser Wassermenge mag zwar auch wieder entwichen sein. Die Wissenschaftler nehmen an, dass es vermutlich nur durch wenige tiefe Gräben im Grönland-Schottland-Rücken über das Europäische Nordmeer in den Nordatlantik verloren ging. Doch damit hinderte es zugleich Salzwasser daran, nach Norden vorzudringen. Infolgedessen füllte sich der Arktische Ozean über die Jahrtausende nach und nach mit Süßwasser.

Salzwasser verdrängt Süßwasser

„Sowie dieser Mechanismus der Eisbarrieren aber versagte, konnte das schwere Salzwasser wieder in den Arktischen Ozean eindringen“, erläutert Walter Geibert. Er ergänzt: „Wir glauben, dass es dann bei seinem Einstrom das leichtere Süßwasser rasch nach oben verdrängte.“ Die gespeicherten Süßwassermengen ergossen sich irgendwann über den flachsten Rand des Europäischen Nordmeeres, den Grönland-Schottland-Rücken, in den Nordatlantik.“

Das Vorhandensein riesiger Süßwassermassen würde eine Vielzahl bekannter Klimaphänomene aus der Vergangenheit erklären.
Ein Beispiel: „Überreste alter Korallenriffe deuten darauf hin, dass der Meeresspiegel in bestimmten Kaltzeiten höher lag, als bisher angenommen wurde“, sagt Walter Geibert vom Alfred-Wegener-Institut. „Nehmen wir an, dass sich in Eiszeiten Süßwasser im Arktischen Ozean befand, dann passen die neu abgeleiteten Meeresspiegelhöhen besser zu den Standorten der alten Korallenriffe“, erklärt der Wissenschaftler.

Erklärung für rätselhafte Temperatursprünge

Süßwasser-Pulse aus der Arktis nach Süden wiederum wären eine Erklärung für abrupte Klimaschwankungen während der letzten Eiszeit. Wie man mittlerweile weiß, hatte sich in dieser Zeit die Temperatur über Grönland mehrere Male innerhalb nur weniger Jahre um 8 bis 10 Grad Celsius erhöht. Sie war erst Hunderte Jahre später zum normalen kalten Eiszeitniveau zurückgekehrt.

Polarmeer
Die Polarstern auf Fahrt durchs antarktische Meereis © Mario Hoppmann

„Wir sehen hier, dass es auch in der jüngeren Erdgeschichte entscheidende Kipppunkte des Erdsystems rund um die Arktis gab“, sagt Walter Geibert vom AWI. Erst gestern waren die AWI-Forscher in den Medien: Als Passagiere des längsten Direktflugs, den die Lufthansa jeweils absolvierte, flogen AWI-Wissenschaftler über 13.500 Kilometer von Hamburg zu den Falkland-Inseln. An Bord befand sich ein Team aus Forschern und eine Schiffscrew des Forschungsschiffs „Polarstern“.

Die nächste Aufgabe der Wissenschaftler in Sachen Arktis-Süßwasser ist es jetzt, diese Zusammenhänge genauer zu untersuchen. „So können wir überprüfen, ob unsere neue Vorstellung vom Arktischen Ozean hilft, weitere Wissenslücken zu schließen. Gerade auch in Bezug auf die Risiken des menschengemachten Klimawandels“, so der Geowissenschaftler.

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