Kein eiszeitlicher Düngeeffekt im Antarktischen Ozean

Veränderungen in der Konzentration von atmosphärischem Kohlendioxid (CO₂) gelten als Hauptursache für vergangene und künftige Klimaveränderungen. Eine langjährige Debatte dreht sich um die Frage, ob der etwa 30 Prozent geringere CO₂-Gehalt der eiszeitlichen Atmosphäre durch Eisendüngung verursacht wurde. Demnach wird eisenhaltiger Staub mit Wind und Wasser in den Ozean eingetragen und regt dort etwa das Wachstum von (Kiesel-)Algen an, die vermehrt CO₂ aufnehmen. Sterben sie ab und sinken dann dauerhaft in die Tiefe, verbleibt dort auch das CO₂ wie in einer Falle. Obwohl es klare Hinweise darauf gibt, dass der Staubeintrag während der Eiszeiten zunahm, ist der Düngeeffekt zumindest für den antarktischen Ozean umstritten.

In einer aktuellen Studie ist ein internationales Forscherteam von 38 Forschenden aus 13 Ländern unter der Leitung von Dr. Michael Weber vom Institut für Geowissenschaften der Universität Bonn dieser Frage nachgegangen. Im Rahmen des Integrated Ocean Drilling Program (IODP) fuhr das Team mit dem Bohrschiff «Joides Resolution» in die Scotia-See und holte 2019 zwei Monate lang Bohrkerne vom Meeresboden in 3.000 bis 4.000 Meter Wassertiefe herauf. Weber: «Wir sammelten das höchstauflösende und längste Klimaarchiv, das jemals in der Nähe der Antarktis und ihrer Hauptstaubquelle Patagonien gewonnen wurde».

1,5 Millionen Jahre Klimageschichte

Im 200 Meter langen Tiefseebohrkern U1537 wurde die Klimageschichte der letzten 1,5 Millionen Jahre detailliert aufgezeichnet. Dadurch lässt sich die Rekonstruktion des Staubeintrags annähernd verdoppeln, da antarktische Eisbohrkerne lediglich die letzten 800.000 Jahre abdecken. Die aktuellen Aufzeichnungen aus der Tiefsee zeigen, dass die Staubablagerung während der Eiszeiten tatsächlich um das 5- bis 15-Fache erhöht waren. Dies spiegelt sich auch in den Eisbohrkernen wider.

Die Forschenden fanden jedoch keine Belege für einen Düngungseffekt durch Staub im antarktischen Ozean während der Eiszeiten. Vielmehr war die Produktion etwa von (Kiesel-)Algen und damit die CO₂-Festlegung nur zu Warmzeiten hoch, wenn der Staubeintrag in die Scotia-See gering war. Zu Kaltzeiten verhinderten folglich andere Prozesse, dass das im Ozean gespeicherte CO₂ in die Atmosphäre entweichen und eine Erwärmung auslösen konnte. Hier ist vor allem eine stark ausgedehnte Meereisbedeckung, eine intensivere Schichtung im Ozean sowie eine geringere Dynamik der Strömungssysteme zu nennen, die zu einer Senkung des C0₂-Gehalts der Atmosphäre in Kaltzeiten beitrug.

Für diese Studie war damit die Analyse von Kieselalgenkonzentrationen in den Sedimentkernen von zentraler Bedeutung. Die von Hendrik Vogel geleitete Forschungsgruppe Sedimentäre Geochemie am Institut für Geologie an der Universität Bern und dem Oeschger Centre for Climate Change Research (OCCR) hat eine Methode entwickelt, die die Analyse von Kieselalgenkonzentrationen in den Sedimenten ermöglicht. «Die auf der Infrarotspektroskopie fussende Analysemethode weist eine hohe Genauigkeit bei verhältnismässig niedrigen Kosten auf und eignet sich damit ideal für internationale Grossforschungsprojekte bei denen mehrere Kilometer Sedimentkern analysiert werden müssen», sagt Hendrik Vogel.

Die gegenläufige Entwicklung der Staubablagerung und der ozeanischen Produktivität während der Eis- und Warmzeiten des Pleistozäns werden von langfristigen, schrittweisen Veränderungen des Klimasystems im Südpolargebiet begleitet. Die Bioproduktivität war während der Warmzeiten der letzten 400.000 Jahre besonders hoch, unterschied sich jedoch während des mittelpleistozänen Übergangs vor 1,2 Millionen bis vor 700.000 Jahren nur unwesentlich von derjenigen in Kaltzeiten. Im Laufe des Übergangs deckte der Staubeintrag immer grössere Areale in der südlichen Hemisphäre ab. Vor 900.000 Jahren kam es weiterhin zu abrupten Änderungen, die auf eine stärkere Vergletscherung der Antarktis hindeuten.

«Es gibt zwar Hinweise auf einen Düngeeffekt während der Eiszeiten in Bohrkernen ausserhalb der antarktischen Zone», ordnet Weber ein. «Unsere Studie zeigt jedoch, dass die atmosphärischen CO₂-Schwankungen nicht allein von der Eisendüngung durch die Staubablagerungen abhängen. Im antarktischen Ozean ist es vielmehr ein komplexes Zusammenspiel aus Westwindsystem, Produktivität und Rückkopplung mit dem Meereis. Diese Beziehung ist über die letzten 1,5 Millionen Jahre hinweg beständig gewesen».

Quelle: Universität Bonn

Angaben zur Publikation

Weber, M.E., Bailey, I., Reilly, Hemming, S., Martos, Y.M., Reilly, B.T., Ronge, T., Brachfeld, S., Williams, T., Raymo, M.E., Belt, S.T., Smik, L., Vogel, H., Peck, V., Armbrecht, L., Cage, A., Cardillo, F.G., Du, Z., Fauth, G., Fogwill, C.J., Garcia, M., Garnsworthy, M., Glueder, A., Guitard, M., Gutjahr, M., Hernandez-Almeida, I., Hoem, F., Hwang, J.-H., Iizuka, M., Kato, Y., Lee, B.,O’Connell, S., Pérez, L.F., Seki, O., Stevens, L., Tauxe, L., Tripathi, S., Warnock, J., and Zheng, X. (2022): Antiphased dust deposition and productivity in the Antarctic Zone over the past 1.5 Ma. Nature Communications

DOI: 10.1038/s41467-022-29642-5

Kontakt

PD Dr. Hendrik Vogel

Institut für Geologie und Oeschger-Zentrum für Klimaforschung, Universität Bern
Telefon: +41 31 684 84 96
E-Mail: hendrik.vogel@unibe.ch

Michael Weber

Institut für Geowissenschaften, Abteilung für Geochemie und Petrologie, Universität Bonn
Telefon: 0160-96635405
E-Mail: mike.weber@uni-bonn.de

Beteiligte Institutionen und Finanzierung

An der Studie waren neben der Universität Bonn das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven, das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel sowie Forschungsinstitutionen aus England, den USA, Australien, Argentinien, China, Brasilien, Spanien, der Schweiz, den Niederlanden, Japan, Dänemark, Indien und Korea beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft, der britische Natural Environmental Research Council und die United States National Science Foundation übernahmen die Finanzierung.

Über IODP

Das International Ocean Discovery Program (IODP) ist eine internationale Meeresforschungskooperation, die die Geschichte und Dynamik der Erde erforscht, indem sie hochseetaugliche Forschungsplattformen nutzt, um Daten zu gewinnen, die in Sedimenten und Gesteinen des Meeresbodens aufgezeichnet wurden, und um Unterwasserumgebungen zu überwachen. IODP ist auf Einrichtungen angewiesen, die von drei Plattformanbietern mit finanziellen Beiträgen von fünf weiteren Partneragenturen finanziert werden. Zusammen repräsentieren diese Organisationen einundzwanzig Nationen, darunter die Schweiz, deren Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ausgewählt werden, um auf IODP-Forschungsexpeditionen mitzuwirken.

https://www.iodp.org