Happy Birthday! Vierzig Jahre klimarelevante Eiskernforschung | Polarjournal
Im Eis des antarktischen Kontinents liegt die Luft aus längst vergangenen Zeiten eingefroren. Die kleinen Luftblasen im Herzen des Eises geben Aufschluss darüber, aus welchen Bestandteilen sich die Luft der Erde vor Jahrtausenden zusammensetzte. Bild: NASA Ludovic Brucker

Die Gründe herauszufinden, warum sich das Klima auf der Erde immer wieder ändert, ist einer der wichtigsten Forschungszweige geworden aufgrund des Klimawandels. Eine der heutzutage wichtigsten Techniken dazu, die Messung von Gasen wie Kohlendioxid in Luftblasen aus dem Eis der Antarktis und Grönlands, war zwar schon in den 1960er Jahren bekannt. Doch damals lieferten die Proben noch Resultate, die nicht mit den tatsächlichen Mengen in der Luft übereinstimmten. Irgendwo lag ein Fehler, den niemand entdecken konnte. Erst 1980 gelang es zwei französischen Forschern das Rätsel zu lösen und ein bis heute allgemein anerkanntes und gültiges Protokoll zu entwickeln.

Die Arbeit der beiden Gletscherforscher Robert J. Delmas, Michel Legrand und Jean-Marc Ascencio war eigentlich nicht darauf ausgerichtet, die Technik, die bis dahin angewandt worden war, zu verändern. Bei dieser wurde das Eis geschmolzen und die Gasproben im Eis gemessen. Doch Delmas und seine beiden Studenten hatten im Rahmen ihrer Arbeit über den sauren Regen Eisproben aus Grönland untersucht. Sie entdeckten, dass auch in Proben, in denen keinerlei Rückstände vulkanischer oder menschlicher Aktivität vorhanden waren, trotzdem Schwefelsäure aus Schwefelhaltigen Bestandteilen, die von Plankton stammten. Reagiert diese Säure mit kohlestoffhaltigem Staub im Eis beim Schmelzen, entsteht zusätzliches Kohlendioxid, welches dann die Messungen völlig verfälscht. Also entwickelten sie eine trockene Methode, um die Luft im Eis analysieren zu können. Dazu wurde Eis unter Vakuum und bei – 40°C zerdrückt und die Luft in den Blasen dann analysiert. Ihre Proben dazu stammten aus der Antarktis und lieferten Daten der vergangenen knapp 35’000 Jahre. Ihr Versuch zeigte, dass eine Senkung der CO2-Konzentration im Eis mit einem Temperaturabfall vor 20’000 Jahren und ein Anstieg von CO2 mit einem Temperaturanstieg vor 10’000 Jahren genau übereinstimmte.

Die Messungen von Delmas et al. (oben, a) stimmten mit Temperaturen aus dem gleichen Zeitraum überein. Die rote Linie zeigt den CO2-Gehalt in der Atmosphäre 1980. Heute liegt diese Linie bei 410 ppm. Bild: Nature

Zur gleichen Zeit wie Delmas arbeitete auch eine Schweizer Forschungsgruppe an Eisproben und verwendete die noch damals übliche Nass-Extraktion, jedoch in einer verfeinerten Art. Ihre Resultate zeigten, dass am Ende der letzten Eiszeit die CO2-Konzentrationen zurückgingen, was die Resultate von Delmas und seinen Kollegen zementierte. Da ihre Methode aber genauer und einfacher zu wiederholen war, etablierte sich die «Trocken-Messmethode von Delmas und bahnten damit den Weg zu den heutigen Messmethoden von Kohlendioxid und anderen Gase aus Luftbläschen aus den Tiefen des antarktischen Eisschildes. Heutzutage erlauben uns die aktuellen Messungen einen Blick bis knapp 1 Million Jahre in die Vergangenheit. Sie zeigen ganz klar, dass die CO2-Konzentration und die globale Temperatur aufgrund der glazialen-interglazialen Klimazyklen Hand in Hand gehen. Damit haben Klimaforscher auch zeigen können, dass das Klima und die Kohlenstoffkreisläufe Teile eines globalen, interagierenden Systems sind.

Heutzutage zeigen die Messdaten aus Eisbohrkernen, dass die Temperaturen auf der Erde und die Menge an CO2 in der Luft denselben Mustern folgen. Eine Verbindung der beiden Systeme liegt also auf der Hand. Bild: Nature

Die beiden Systeme, die eine Rolle bei den sich wiederholenden Warm- und Kaltzeiten, wurden bereits im 19. Jahrhundert in der Theorie erklärt. Während der schwedische Gelehrte Svante Arrhenius die Temperaturschwankungen der Eiszeiten mit der CO2-Menge in der Luft und ihrer Fähigkeit, in der Atmosphäre die abstrahlende Erdwärme zurückzuhalten, hatte der schottische Naturforscher James Croll eine andere Vorstellung. Seiner Meinung nach waren die Vergletscherungszyklen das Resultat von Änderungen der Erdumläufe, die durch natürliche Rückkopplungen wie beispielsweise die Schneemenge, verstärkt würden. Diese Idee griff in den 1930er Jahren der serbische Naturforscher Milutin Milankovic wieder auf, der feine Abweichungen der Erdbewegungen und die dadurch veränderten Mengen an Sonneneinstrahlung in verschiedenen Breitengraden festgestellt hatte. Beide Feststellungen von damals sind heute als die Gründe für die glazialen-interglazialen Zyklen etabliert: Während die wiederkehrenden axialen und orbitalen Oszillationen die Zeitvorgaben der glazialen Kreisläufe bedeuten, steuern die CO2-Mengen in der Atmosphäre und die Reflektion- und Absorptionsfähigkeit der Erdoberfläche (durch die Eis und Schneemenge) die Art und das Ausmass der Veränderungen.

Die Menge an Eis im arktischen Ozean wird heute als einer der wichtigsten Faktoren für die Erwärmung der Erdoberfläche betrachtet. Denn die reflektierte Sonnenstrahlung wird an der Atmosphäre zurück auf die Erde geworfen, schmilzt das Eis und erwärmt den darunterliegenden Ozean, was zu weiterem Schmelzen führt. Bild: Michael Wenger

Die Messmethode, die von Delmas, Legrand und Ascencio vor 40 Jahren entwickelt worden war, zeigt uns heute, dass in den vergangenen 800’000 Jahren zu keinem Zeitpunkt die CO2-Konzentration in der Luft so schnell angestiegen ist, wie zwischen 1850 und heute. Während noch vor 1800 die Menge bei 280 ppm (Teile CO2 pro Million Luftteile) lag, sind wir heute bei 410 ppm, Tendenz steigend. Zurzeit sind Arbeiten und Messungen in der Antarktis im Gange, Eisbohrkerne an die Oberfläche zu holen, die bis zu 2 Millionen Jahre zurückblicken lassen. Gleichzeitig wollen die Forscher auch herausfinden, was dazu geführt hat, dass die Klimazyklen, die bis vor 1.2 Millionen Jahren einem regelmässigen 40’000 Jahre-Zyklus gefolgt waren, relativ plötzlich auf 100’000 Jahre wechselten. Auch das steht wohl, so hoffen die Forscher, im Eis der Antarktis geschrieben.

Quelle: Jean-Robert Petit / Dominique Raynard, Nature (2020) 579

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