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Paläomonsun

Untersuchungen im Arabischen Meer

Mit dem Forschungsschiff F/S Sonne wurden mehrere Fahrten in das Arabische Meer durchgeführt. Bei solchen Fahrten wurden unter der Führung der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) u.a. mehrere Bohrkerne untersucht, die aus dem Bereich der OMZ geborgen wurden.

Das Arabische Meer - speziell der nördliche Teil - gilt als eines der produktivsten Auftriebsgebiete der Welt. „Obwohl das Arabische Meer nur ca. 1 % des Weltozeans ausmacht, wird dort ein Anteil von ca. 5 % der Biomasse produziert" (Fietzge 2000). Da der Monsun die hierfür treibende Kraft darstellt, wurde in den Sedimenten die Signatur der Monsunaktivität vergangener Zeiten konserviert.
Die zweimal jährlich wechselnde Richtung des Monsuns im Bereich des Arabischen Meeres und die damit einhergehenden Änderungen in der Zusammensetzung des eingewehten Staubes schlagen sich auch in den Sedimenten nieder. Dadurch eröffnen die Sedimente des Arabischen Meeres eine Möglichkeit, die Veränderungen des Monsuns der jüngeren Erdvergangenheit nachzuvollziehen. Aber auch Änderungen der Produktivität lassen sich nachweisen.

Staubeintrag

Nach Norden und nach Westen hin wird das Arabische Meer von Wüsten begrenzt. Der aus diesen Regionen eingewehte Staub - vornehmlich Schluff und Ton - bildet mengenmäßig den größten Anteil am abgelagerten Sediment. Nordwest Winde verteilen den Staub von der Arabischen Halbinsel und aus dem Bereich des Persischen Golfes über das ganze Arabische Meer bis hinüber nach Indien (vgl. auch Abbildung 1).

Staub
Abb. 1: Staub über dem Arabischen Meer (Originalkontext: Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC)

Ihre größte Staubfracht entladen die Winde im Juli. Bei dieser Windverfrachtung spielt der Monsun selbst nur eine untergeordnete Rolle. Während des letzten glazialen Maximums vor etwas 127ka war allerdings die Intensität des winterlichen NO-Monsuns erhöht, sodass es zu verstärkten Einträgen aus der Region des Persischen Golfes kam. Abbildungen 2 und 3 verdeutlichen noch einmal den Unterschied. Die Tonmineralien in den Sedimenten bestehen hauptsächlich aus Illiten und Chloriten, die aus dem Himalaya über den Indus bzw. aus dem Iran über den Golf von Oman ins Arabische Meer gelangen, aus Betonit aus den Deccan Traps in Indien, Kaoliniten aus Südindien und Palygorskite aus dem ultramafischen Gestein der Arabischen Halbinsel und Somalia.
Bei der Untersuchung von Bohrkernen aus 3200-3800m Tiefe des nördlichen Arabischen Meeres (Leuschner et al. 2000) stellte sich heraus, dass der klastische Teil holozäner und glazialer Sedimente hauptsächlich (ca. 50-70%) aus Palygorskit besteht. Der Rest stammt je etwa zur Hälfte aus dem Persischen Golf und aus Indischen Zuflüssen.

Staubeintrag
Abb. 2: Staubeintrag in das Arabische Meer für das Holozän (aus Leuschner et al. 2000).

Staubeintrag
Abb. 3: Staubeintrag in das Arabische Meer während des letzten glazialen Maximums (aus Leuschner et al. 2000).

Indus

Der Strom Indus bzw. seine mit dem Wasser mitgeführte Fracht bildet eine weitere wichtige Quelle für die Sedimente des Arabischen Meeres. Er dominiert dabei die Sedimentation vornehmlich im östlichen Teil. Durch das relativ breite Schelf im Mündungsbereich wird ein Großteil dieses Sediments bereits hier abgesetzt. Ist der Meeresspiegel hoch genug, kommt es im überfluteten Schelf daher zur Ausbildung des so genannten Indus Fans. In Kaltzeiten, bei niedrigerem Meeresspiegel hingegen gelangt die Fracht des Indus direkt in die Tiefseebereiche des Meeres, da der Strom überirdisch bis an den Kontinentalhang fließen kann.

Produktivität

Eine internationale Studie namens Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) untersucht die biogeochemischen Kreisläufe im Ozean und deren Rolle im globalen Klimasystem. Der deutsche Anteil (JGOFS-Indik) dieses internationalen Projektes beschäftigt sich mit dem Arabischen Meer. Gegenstand der Forschung sind dabei die vom Monsun gesteuerten biogeochemischen Prozesse und die Bedeutung dieser Region für die globalen Stoffkreisläufe.
Zusammen mit indischen Wissenschaftlern wurden bereits seit längerem Untersuchungen mithilfe von Sinkstofffallen durchgeführt. Als Ergebnis ergab sich eine saisonale Schwankung des Transportes der Stoffe von der Meeresoberfläche hinab zum Grund mit mengenmäßigen Maxima zur Mitte der beiden jährlichen Monsunphasen. Grund hierfür sind die durch den Monsun angetriebenen Auftriebsgebiete im westlichen Teil, die kaltes, nährstoffreiches Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche befördern. Ablesen lässt sich die Stärke dieses Effekts an der Änderung der Oberflächentemperatur (Abbildung 4).

Zusammenhang Monsun
Abb. 4: Zusammenhang zwischen Sommermonsun, Auftrieb und biologischer Pumpe (Originalkontext: zmt).

Lange Zeit war unklar, ob es sich bei dem Arabischen Meer um eine CO2-Quelle oder eine CO2-Senke handelt. Untersuchungen im Rahmen des JGOFS-Indik haben gezeigt, dass es sich bei dem Arabischen Meer um eine Quelle für bedeutende Treibhausgase wie CO2 aber auch N2O handelt. Zudem konnte gezeigt werden, dass diese Emissionen von der Produktivität abhängen und daher indirekt durch den Monsun gesteuert werden. Dabei ist zu bedenken, dass Nährstoffe wie Nitrat, Phosphat oder Silikat im Arabischen Meer sehr unterschiedlich verteilt sind. Generell nimmt der Gehalt von den Küsten (Auftriebsgebiete) zur offenen See hin ab. In Küstennähe wird vor allem das Wachstum von Diatomeen gefördert, da diese Silikat zum Aufbau ihrer Schalen benötigen. In diesem Bereich wird CO2 gebunden. Das hier verbraucht Silikat steht in größerer Entfernung vom Ufer nicht mehr zur Verfügung. Das hier nach oben beförderte Wasser enthält im Vergleicht mehr Nitrat, daher wird das Wachtum von Coccolithophoriden mit Schalen aus Karbonat bevorteilt. Bei der Bildung solcher Schalen wird CO2 freigesetzt. In der Bilanz überwiegt die Freisetzung gegenüber der Fixierung in Küstennähe. Abbildung 5 zeigt schematisch den Mechanismus der zugrunde liegenden Kohlenstoffpumpe.

Kohlenstoffpumpe
Abb. 5: Erläuterung der ozeanischen Kohlenstoffpumpe (Originalkontext: zmt).

Noch weiter auf See finden sich Cyanobakterien, die Stickstoff auch aus der Luft beziehen können, da hier auch das Nitrat schon verbraucht ist. Diese Biologische Pumpe und damit das Verhältnis aus Fixierung und Freisetzung reagiert recht empfindlich auf Klimaänderungen bzw. den damit verbundenen Änderungen des Auftriebs.

Paläomonsun

Alle durchgeführten Untersuchungen zeigen vor allem eins: Die Intensität des Monsuns ist über die Zeit keineswegs stabil. Der Monsun schwankt in seiner Intensität auf mehreren Skalen. Zum einen gibt es Schwankungen im halbjährlichen Wechsel zwischen NO-Monsun und SW-Monsun, zum anderen ändert sich seine Stärke im Wechsel mit den regelmäßigen Änderungen der Insolationsstärke.
Die einzelnen Jahreslagen der Sedimente schwanken in ihrer Dicke und dokumentieren damit einen Wechsel in den Anteilen von Niederschlag und Flusseintrag. Dies kann als Indikator für Änderungen im bedingenden Klima aufgefasst werden.

In einem Bereich vor Pakistan, in dem die OMZ den Kontinentalhang berührt, konnte in den Sedimenten ein strenger Wechsel zwischen dunkel gefärbten, laminierten Bereichen mit erhöhtem Anteil organischen Materials und veringertem Carbonatgehalt aus schluffigen Tonen sowie homogenen, grünlich-weißen Bereichen mit weniger organischem Kohlenstoff aber mehr CaCo3 beobachtet werden (vgl. von Rad et al. 1995).
Laminierte Intervalle markieren u.a. das Holozän, die frühe sowie die späte Termination I sowie einen Großteil des Glazials. In diesem Bereich finden sich eine Fülle von Plankton und Benthischen Foraminiferen, was auf eine hohe Oberflächenproduktivität und auf einen hohen Nährstofffluss zum Meeresboden schließen lässt. Die helleren, kohlenstoffreichen Abschnitte hingegen zeigen starke Bioturbation. Dies dürfte auf ein Zusammentreffen einer Erwärmung des Oberflächenwassers mit einer Reduktion des Auftriebs zurückzuführen sein. Dadurch veringert sich die Oberflächenproduktivität, was zu einem Sauerstoffanstieg im Bodenwasser führt. Ein steigender Sauerstoffgehlt ermöglicht wiederum größeren Lebewesen die Existenz.
Während der Interstadiale verursacht ein durch stärkeren Monsun induzierter Auftrieb eine Erhöhung der Produktivität im gesamten Bassin, im Gegensatz zu einem stärkeren Staubeintrag während der Stadiale aufgrund erhöhter Trockenheit in den Wüsten (Leuschner et al. 2000).

Solche und andere Untersuchungen zeigen also, dass die Biogeochemie des Arabischen Meeres in der Vergangenheit Schwankungen unterworfen war. Diese Schwankungen sind zurückzuführen auf Änderungen im Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf.
In einem groberen Zeitmaßstab stimmen diese Schwankungen mit globalen Klimaschwankungen überein. Die helleren, bioturbierten Schichten, welche eine bessere Ventilation repräsentieren, lassen sich zeitlich parallel zu den so genannten Dansgaard-Oeschger-Ereignissen einordnen.

 

Dansgaard-Oeschger-Zyklen

Bei den Dansgaard-Oeschger-Zyklen (D/O-Zyklen) handelt es sich um schnelle Klimaschwankungen während der letzten Eiszeit. Diese Ereignisse traten ab etwa 70ka BP sehr regelmäßig auf. Ein solches Ereignis beginnt immer mit einer raschen Erwärmung. Darauf folgend geht die Temperatur dann langsam (einige hundert Jahre) wieder bis auf eiszeitliche Verhältnisse zurück. Mehrere solcher Ereignisse bilden einen Bond-Zyklus, der mit einem starken D/O-Ereignis beginnt, dem dann immer schwächer werdende folgen. Abgeschlossen wird ein solcher Bond-Zyklus dann mit einem Heinrich-Ereignis. Solche Ereignisse werden vermutlich durch Gletschabbrüche verursacht. Eisberge transportieren Gesteinsmaterial aus dem arktischen Bereich in den Noratlantik, wo sie dann rasch sedimentiert werden und die so genannten Heinrich-Schichten bilden.
Diese Temperaturschwankungen während der Eiszeit wurden zuerst bei der Untersuchung von Bohrkernen aus dem Eis Grönlands aber auch aus der Antarktis entdeckt.

Korrelation mit Grönland

In den vor Pakistan entnommenen Sedimentkernen konnte eine Aschelage nachgewiesen werden. Wie sich herausstellte stammt diese Aschelage vom Ausbruch des auf Sumatra gelegenen Vulkans Toba vor etwa 73-74 ka. In einer gewaltigen Explosion schleuderte dieser damals Asche bis in die Troposphäre hinauf, von wo sie sogar bis zum Arabischen Meer zog und abregnete. Schwefelhaltige Aerosole verteilten sich um den gesamten Globus und konnten in den Eiskernen von Grönland nachgewiesen werden. Auf diese Weise war es möglich, die an relativ weit voneinander entfernt "aufgezeichneten" Klimaereignisse der Vergangenheit zeitlich zu korrelieren.

Korrelation der Klimasysteme
Abb. 5: Korrelation der Klimasysteme (aus Leuschner et al. 2000)

Auf diese Weise konnte nachgewiesen werden, dass sich Klimaschwankungen zeitgleich sowohl in hohen als auch in niederen Breiten auswirken. Als mögliche Ursache kommt die globale atmosphärische Zirkulation in Frage. Ändert sich die Intensität des Monsuns in den Tropen, so gehen damit auch Schwankungen der klimarelevanten Treibhausgase (einschließlich des vom Monsun transportierten Wasserdampfs) einher, die dann Auswirkungen auf die globale Temperatur haben (Lückge).

Insgesamt konnten viele Übereinstimmungen zwischen den Temperaturschwankungen in den nördlichen Breiten und den Klimaarchiven des Arabischen Meeres gefunden werden. Es gibt aber auch markante Unterschiede, speziell bei kurzfristigeren (1000 Jahre) Variationen, die möglicherweise eher von lokaleren Klimafaktoren beeinflusst wurden.
Während die Warmphasen in den Aufzeichnungen des Grönlandeises eher das typische Sägezahnmuster (Bond-Zyklen) zeigen, fanden die Erwärmungen im Bereich des Arabischen Meeres sowohl ebenso abrupt wie gelegentlich auch eher graduell statt. Andererseit wurden aber auch Sägezahnmuster im Wechsel von Feuchtigkeit/Trockenheit des Monsuns vor 85-65ka BP gefunden, wenn auch nicht so ausgeprägt wie in Grönland. D/O-Muster sind also nicht auf die nördliche Hemisphäre begrenzt sondern werden mittlerweile auch mehr und mehr im äquatorialen Bereich gefunden. Die Frage, die sich stellt ist, ob sie alle die gleiche Ursache haben und wenn ja, welche und wie sind die Systeme global gekoppelt.

ICBM-Webmaster (Stand: 10.09.2018)