Wieso stieg der CO₂-Gehalt der Atmosphäre nach dem Ende der letzten Eiszeit plötzlich an? Vorgänge am Boden des Südpolarmeeres könnten dafür verantwortlich sein, berichten Forscher um die Geochemikerin Dr. Katharina Pahnke in der Zeitschrift Science.

Vor den Küsten der Antarktis findet ein ewiger und für das Klima äußerst wichtiger Kreislauf statt. Die Hauptrolle darin spielen mikroskopisch kleine Algen: Solange sie leben, nehmen die Einzeller das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre auf und binden es in Form von organischen Verbindungen. Nach ihrem Tod sinken die Mikroben in die Tiefsee – und nehmen das CO₂ mit. Auf diese Weise kann das Treibhausgas für viele Jahrtausende im Meer verschwinden. Fachleute nennen den Prozess „biologische Pumpe“.

 „Um das CO₂ langfristig aus der Atmosphäre zu entfernen, muss jedoch gewährleistet sein, dass es in der Tiefe stabil lagert“, berichtet die Geochemikerin Dr. Katharina Pahnke, Leiterin der Max-Planck-Forschungsgruppe Marine Isotopengeochemie, die am ICBM und am Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen angesiedelt ist. Ein Team um die Oldenburger Forscherin hat nun ein wichtiges Indiz dafür gefunden, dass der tiefe Südpazifik während der letzten Eiszeit stark geschichtet war und somit dazu beigetragen haben könnte, das Kohlendioxid langfristig in der Tiefsee zu speichern.

CO₂-Speicher in der Tiefsee

Die jetzt im Fachmagazin Science veröffentlichte Studie der Forscher vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität Oldenburg und dem Max-Planck Institut für Marine Mikrobiologie in Bremen und vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven (AWI) sowie weiteren Partnern deutet außerdem darauf hin, dass sich die Wassermassen im Zuge der Erwärmung auf der Südhalbkugel nach dem Ende der Eiszeit stärker vermischten. Damit konnte das gespeicherte CO₂ wieder aus der Tiefe entweichen und die Erderwärmung verstärken. Die Forschungsergebnisse stützen somit eine Theorie, derzufolge Prozesse im tiefen Südozean maßgeblich zu den natürlichen CO₂-Schwankungen beigetragen haben.

Um herauszufinden, wie sich die Wassermassen dort während der letzten 30.000 Jahre entwickelten, gewann das Team auf einer Fahrt des Forschungsschiffes Polarstern im Südpazifik Sedimentkerne in Wassertiefen zwischen 3.000 und mehr als 4.000 Meter. Die Geochemiker Dr. Chandranath Basak und Dr. Henning Fröllje vom ICBM – die beiden Hauptautoren der Studie – entnahmen winzige Zähne und andere Skelett-Bruchstücke von fossilen Fischen aus dem Sediment, um diese Überreste auf Isotope des Seltenen Erdmetalls Neodym zu analysieren.

Auffällige Neodym-Signaturen in Fischbruchstücken

„Neodym eignet sich besonders gut, um Wassermassen unterschiedlicher Herkunft zu identifizieren“, sagt Pahnke. Denn jede Schicht hat eine charakteristische Neodym-Signatur. Das Verhältnis verschieden schwerer Varianten des Elements hängt davon ab, aus welchem Meeresbecken das Wasser stammt. Die kälteste und daher tiefste Wassermasse im Südpazifik wird beispielsweise am Kontinentalrand der Antarktis gebildet und trägt eine spezifische Neodym Signatur. Darüber befindet sich eine Schicht, in der sich Wasser aus dem Nordatlantik, dem Süd- und dem Nordpazifik mischt und daher eine andere Signatur aufweist.

Anhand der Fischüberreste aus den Tiefseesedimenten, die das Neodym-Signal der Tiefenwässer archivieren, konnten die Forscher nachvollziehen, wie sich die Neodym-Werte in der Vergangenheit in verschiedenen Wassertiefen entwickelt haben. Das Ergebnis: Während des Höhepunkts der letzten Eiszeit vor rund 20.000 Jahren lag die Neodym-Signatur aus Proben unterhalb von 4.000 Metern Wassertiefe deutlich niedriger als in geringeren Wassertiefen. „Ein derart ausgeprägter Unterschied lässt sich nur dadurch erklären, dass die Wassermassen sich damals nicht vermischten“, sagt Fröllje, der inzwischen an der Universität Bremen tätig ist. Er und seine Kolleginnen und Kollegen schließen daraus, dass das Wasser in der Kaltzeit stabil geschichtet war.

Stärkere Vermischung vor 18.000 Jahren

Als sich das Klima auf der Südhalbkugel zum Ende der letzten Eiszeit vor etwa 18.000 Jahren erwärmte, brach die Schichtung auf und die Neodym-Werte in den verschiedenen Wassertiefen glichen sich an. „Wahrscheinlich gab es eine stärkere Vermischung, weil die Dichte des Wassers durch die Erwärmung abnahm“, erläutert Pahnke. Damit konnte der in der Tiefe gespeicherte Kohlenstoff freigesetzt werden.

Klimaforscher rätseln bereits seit einiger Zeit, warum der CO2-Gehalt der Atmosphäre in der Vergangenheit parallel zu den Temperaturen auf der Südhalbkugel schwankte, während sich die Temperaturen im Norden teilweise gegenläufig entwickelten. Eine Theorie lautet, dass Vorgänge im Südozean dabei eine wichtige Rolle spielten. „Mit unseren Untersuchungen liefern wir nun erstmals handfeste Beweise für die Theorie, dass es einen Zusammenhang zwischen den CO2-Schwankungen und der Schichtung im Südpolarmeer gab“, sagt Dr. Frank Lamy vom AWI, einer der Ko-Autoren. Die aktuelle Studie untermauert die Vermutung, dass die Erwärmung der Südhalbkugel die stabile Schichtung im Südpolarmeer aufbrach und damit zum Ausgasen des gespeicherten Kohlenstoffs führte.