Eiskerne zeigen Auswirkungen der Umweltverschmutzung auf die arktische Atmosphäre

Eine von Dartmouth geleitete Studie an Eiskernen aus Alaska und Grönland ergab, dass Luftverschmutzung durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe die entlegenen Gebiete der Arktis in Mengen erreicht, die groß genug sind, um die grundlegende Chemie der Atmosphäre zu verändern. Die Ergebnisse verdeutlichen die weitreichenden Auswirkungen der Emissionen fossiler Brennstoffe und untermauern die Bedeutung von Luftreinhaltevorschriften, die laut dem Team die Auswirkungen umkehren können.

Die Auswirkungen der Verschmutzung der Arktis begannen bereits mit der großflächigen Nutzung fossiler Brennstoffe im Industriezeitalter, so eine Bericht In Naturgeowissenschaften. Die Forscher entdeckten diesen Fußabdruck an einer unerwarteten Stelle – sie maßen den Rückgang eines in der Luft befindlichen Nebenprodukts der Aktivität marinen Phytoplanktons, der sogenannten Methansulfonsäure (MSA), die in den Eisbohrkernen eingefangen wurde, als die Luftverschmutzung zu steigen begann.

Phytoplankton ist eine Schlüsselart in den Nahrungsnetzen der Ozeane und der Kohlenstoffkreislauf gilt als Indikator für die Reaktion der Ozeane auf den Klimawandel. Wissenschaftler nutzen MSA als Indikator für eine verringerte Phytoplanktonproduktivität und damit für ein in Not geratenes Ökosystem der Ozeane.

Doch das von Dartmouth geleitete Team berichtet, dass der MSA-Wert auch in Umgebungen mit hohen Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe sinkt, selbst wenn die Phytoplanktonzahlen stabil sind. Ihre Modelle zeigten, dass diese Emissionen dazu führen, dass sich das ursprüngliche Molekül, das Phytoplankton produziert – Dimethylsulfid – in Sulfat statt in MSA verwandelt, was zu einem trügerischen Rückgang der MSA-Werte führt.

Die Forscher stellten fest, dass der MSA-Wert mit dem Beginn der Industrialisierung rapide abnahm. Als Europa und Nordamerika Mitte des 19. Jahrhunderts begannen, große Mengen fossiler Brennstoffe zu verbrennen, begann der MSA-Wert in grönländischen Eisbohrkernen rapide zu sinken. Fast ein Jahrhundert später sank derselbe Biomarker in Eisbohrkernen aus Alaska rapide, und zwar zu der Zeit, als Ostasien eine groß angelegte Industrialisierung durchlief.

„Unsere Studie ist ein drastisches Beispiel dafür, wie Luftverschmutzung die Chemie der Atmosphäre Tausende von Kilometern entfernt erheblich verändern kann. Die in Asien oder Europa ausgestoßene Verschmutzung konnte dort nicht eingedämmt werden“, sagt Jacob Chalif, Erstautor der Studie und Doktorand im Labor des leitenden Autors Erich Osterberg, einem außerordentlichen Professor für Geowissenschaften in Dartmouth.

„Indem wir all diese Schadstoffe in die Welt entlassen, verändern wir die atmosphärischen Prozesse grundlegend“, sagt Chalif. „Die Tatsache, dass diese abgelegenen Gebiete der Arktis diese unbestreitbaren menschlichen Spuren aufweisen, zeigt, dass es buchstäblich keinen Winkel dieses Planeten gibt, den wir nicht berührt haben.“

Die neue Studie löst ein jahrelanges Meeresrätsel rund um die Bedeutung des MSA, sagt Osterberg, der die Entnahme eines 213 Meter langen Eiskerns aus dem Denali-Nationalpark leitete, den die Forscher für ihre Analyse verwendeten. Osterberg sammelte den Kern im Jahr 2013 mit den Co-Autoren der Studie und den Professoren Cameron Wake von der University of New England sowie Karl Kreutz und dem Dartmouth-Alumnus Dominic Winski (Abschluss 2009) – der 2018 ebenfalls seinen Doktortitel in Dartmouth erhielt – von der University of Maine.

Der Denali-Kern enthält Klimadaten aus einem Jahrtausend in Form von Gasblasen, Partikeln und Verbindungen, die im Eis eingeschlossen sind, darunter MSA, ein häufiges Ziel von Eiskernanalysen. Jahrhundertelang unterlag MSA im Denali-Kern geringfügigen Schwankungen, „bis es Mitte des 20. Jahrhunderts von einem Tisch fiel“, sagt Osterberg.

Forscher in Osterbergs ICE-Labor, zunächst geleitet von Studien-Co-Autor und Dartmouth-Absolvent David Polashenski (Jahrgang 2017), begannen zu untersuchen, was der steile Abfall der MSA-Werte über den Nordpazifik aussagte. Osterberg und Studien-Co-Autorin Bess Koffman, Professorin am Colby College und Postdoktorandin in Dartmouth, testeten später zahlreiche Theorien, um zu erklären, warum der Denali-MSA-Wert zurückging.

Wie bei der Grönland-Studie untersuchten sie zunächst, ob der Rückgang der Meeresumwelt ein Hinweis auf einen Rückgang der Meeresproduktivität sei, „aber nichts ergab einen Sinn“, sagt Osterberg. „Es war ein Rätsel.“

Chalif nahm das Projekt etwa zu der Zeit auf, als die Co-Autorin der Studie und Dartmouth-Absolventin Ursula Jongebloed (Jahrgang 18), heute Doktorandin an der University of Washington, eine Studie aus dem Jahr 2019 über Eisbohrkerne in Grönland neu auswertete, die berichtete, dass die MSA dort seit dem 19. Jahrhundert stetig zurückging. Diese Studie führte den Rückgang auf einen Zusammenbruch der Phytoplanktonpopulationen im subarktischen Atlantik aufgrund einer Verlangsamung der Meeresströmungen zurück.

Doch Jongebloeds Arbeit führte im letzten Jahr zu einer Studie, die berichtete, dass der Rückgang der Meeresumwelt in den grönländischen Eisbohrkernen nicht das Ergebnis des Zusammenbruchs des marinen Ökosystems ist. Vielmehr könnte er durch Verschmutzung verursacht werden, die die Entstehung der Meeresumwelt von vornherein verhindert hat.

Chalif und Jongebloed trafen sich 2022 auf einer Konferenz in der Schweiz und diskutierten die MSA-Aufzeichnungen von Grönland und Denali.

„Wir haben alle unsere bisherigen Annahmen überdacht“, sagt Chalif. „Wir wussten, dass der Rückgang der Meeresumwelt am Denali-Gletscher nicht auf die Produktivität der Meere zurückzuführen war, also wussten wir, dass eine Art Veränderung der Atmosphärenchemie eine Rolle spielen musste.“

Sie diskutierten die möglichen Auswirkungen der Nitratverschmutzung, die häufig durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht. Chalif begann noch am selben Abend, sich mit den Auswirkungen von Nitrat auf MSA zu befassen.

„So ziemlich genau auf das Jahr, in dem die MSA am Denali sinkt, schießt der Nitratwert in die Höhe. In Grönland ist etwas ganz Ähnliches passiert“, sagt Chalif. „Am Denali ist die MSA 500 Jahre lang relativ stabil, kein nennenswerter Trend. Dann, im Jahr 1962, sinkt sie steil ab. Bei Nitrat war es ähnlich, aber in die entgegengesetzte Richtung – es ist im Grunde jahrhundertelang stabil und steigt dann steil an. Als ich das sah, hatte ich ein Aha-Erlebnis.“

Ihre Ergebnisse zeigten, dass sich Luftverschmutzung durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe über den Atlantik und den Pazifik verteilt und die Produktion von MSA in der Arktis hemmt. Die Erkenntnisse schließen nicht nur einen großflächigen Zusammenbruch mariner Ökosysteme aus, sondern eröffnen auch neue Möglichkeiten, MSA-Werte zur Messung der Luftverschmutzung zu verwenden, insbesondere in Regionen ohne offensichtliche Emissionsquellen, berichten die Forscher.

„Der Zusammenbruch der marinen Ökosysteme war als Erklärung für den Rückgang der Meeresumwelt einfach nicht brauchbar, und diese jungen Wissenschaftler haben herausgefunden, was wirklich vor sich ging“, sagt Osterberg.

„Für mich ist das eine neue Art zu verstehen, wie sich die Verschmutzung auf unsere Atmosphäre auswirkt“, sagt er. „Die gute Nachricht ist, dass wir nicht den Zusammenbruch der Meeresökosysteme erleben, den wir erwartet hatten. Die schlechte Nachricht ist, dass die Luftverschmutzung die Ursache dafür ist.“

Doch die Daten aus dem grönländischen Kern zeigen, dass sich die Atmosphäre dort zu stabilisieren begann, als die Luftverschmutzung in Europa und Amerika stärker reguliert wurde, sagt Osterberg. In den 1990er Jahren erholte sich MSA wieder, als die Stickstoffbelastung zurückging. Das liegt daran, dass Stickoxide, die Verschmutzungsart, die MSA betrifft, sich innerhalb weniger Tage auflösen, im Gegensatz zu Kohlendioxid, das Jahrhunderte lang in der Atmosphäre verweilt.

„Diese Daten zeigen, wie wirksam Regulierungen bei der Reduzierung der Luftverschmutzung sein können. Sie können unmittelbare Auswirkungen haben, wenn man den Hahn zudreht“, sagt Osterberg. „Ich mache mir Sorgen, dass sich jüngere Menschen mit einer Umweltkrise abfinden, weil wir nur noch schlechte Nachrichten hören. Ich denke, es ist wichtig, gute Nachrichten anzuerkennen, wenn wir sie bekommen. Hier sehen wir, dass Regulierungen funktionieren können.“