In Kombination mit Daten aus Baumringaufzeichnungen können Stalagmiten ein einzigartiges Archiv zur Untersuchung natürlicher Klimaschwankungen über Hunderte von Jahren hinweg eröffnen, wie ein Forscherteam unter Beteiligung von Geowissenschaftlern der Universität Heidelberg und des Karlsruher Instituts für Technologie gezeigt hat.
Die Forscher analysierten die Isotopenzusammensetzung von Sauerstoff in einem Stalagmiten, der aus kalkhaltigem Wasser in einer Höhle in Süddeutschland entstand. In Verbindung mit den aus Baumringen gewonnenen Daten konnten sie kurzfristige Klimaschwankungen über Jahrhunderte rekonstruieren und mit historisch dokumentierten Umweltereignissen korrelieren. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur Erd- und Planetenwissenschaft.
Bisher ließen sich kurzfristige Klimaschwankungen über Hunderte von Jahren nur mithilfe von Jahrringaufzeichnungen analysieren, indem unabhängige Messungen aus mehreren Studien kombiniert werden, erklärt der Geowissenschaftler Dr. Tobias Kluge vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
Die um einige Millimeter variierende Größe der Baumringe gibt Aufschluss über die Dynamik der saisonalen Niederschläge und damit über die klimatischen Bedingungen in der jeweiligen Wachstumsperiode. Laut Dr. Kluge sind vor allem in kalten Jahren Sommer mit starken Niederschlägen zu erwarten, während in warmen Jahren sehr feuchte Winter zu erwarten sind.
Im Gegensatz zu Baumringen werden Stalagmiten bisher nur in Ausnahmefällen zur systematischen Messung von Klimadaten und deren jährlichen Schwankungen eingesetzt. Ausschlaggebend ist das in eine Höhle eindringende Regenwasser, dessen gelöster Kalk die Stalagmiten bildet.
Dieses Wasser stammt aus lokalen Niederschlägen in der kalten und warmen Jahreszeit und zeichnet sich jeweils durch eine besondere Isotopenzusammensetzung des Sauerstoffs aus. Daraus lassen sich Analysen ableiten, ob und in welchen Jahren Winter- oder Sommerniederschläge dominierten.
Die Forscher aus Heidelberg und Karlsruhe untersuchten einen Stalagmiten – einen Tropfstein, der aus dem Boden einer Höhle wächst – aus der Kleinen Teufelshöhle in der Fränkischen Schweiz. Mit einer Wachstumsrate von 1 bis 4 Zentimetern pro Jahrtausend, also einer jährlichen Wachstumsrate von etwa der Breite eines einzelnen Haares, wuchs dieser Stalagmit deutlich langsamer als vergleichbare.
Die Wachstumszonen des Stalagmiten sind hundertmal dünner als ein Baumring, sodass bereits wenige Zentimeter Aufschluss über die klimatischen Bedingungen über tausend Jahre geben können. Die Zusammensetzung der Sauerstoffisotope wurde mit der Ionensonde am Geowissenschaftlichen Institut der Universität Heidelberg gemessen.
„Die Analysen erforderten präzise Messungen innerhalb der jährlichen Wachstumszonen von nur wenigen Mikrometern, was nur mit solchen Großforschungsgeräten möglich ist“, erklärt Prof. Dr. Mario Trieloff, Leiter des Heidelberger Ionensondenlabors.
Die Forscher berichten, dass die vom Stalagmiten Kleine Teufelshöhle gewonnenen Klimadaten sowohl regionale als auch globale Umweltereignisse erkennen ließen. Das ungewöhnlich kalte Jahr 1816, das als „Jahr ohne Sommer“ in die Geschichte einging, war auf einen Ausbruch des Vulkans Tambora in Indonesien im April 1815 zurückzuführen, der möglicherweise durch einen bis dahin unbekannten Vulkanausbruch sechs Jahre zuvor noch verstärkt wurde. Die Daten aus den Stalagmitenmessungen zeigen, dass die Sommer in dieser Zeit kalt und die Winter sehr nass waren, was zusammen mit ganzjährigen Überschwemmungen zu Missernten und Hungersnöten führte.
Die im Stalagmiten gespeicherten Informationen liefern auch Hinweise auf langfristige Klimaschwankungen wie die Kleine Eiszeit, deren Kernperiode Ende des 16. Jahrhunderts begann und bis ins späte 17. Jahrhundert andauerte. Nach Angaben der Forscher war dieser Zeitraum von häufigen Überschwemmungen geprägt, die in der Stadt Nürnberg unweit der Teufelshöhle historisch belegt sind.
Die Klimadaten der Höhle wurden anhand eines Baumringarchivs aus der Umgebung verifiziert. Die Daten deuten auf kalte, trockene Winter hin, die die jährliche Eis- und Schneeschmelze verzögerten und zu großen kurzfristigen Überschwemmungen mit katastrophalen Folgen führten, erklärt Dr. Kluge vom Institut für Angewandte Geowissenschaften des KIT.
Mehr Informationen:
Tobias Kluge et al., Bewertung von Klimaextremen auf regionaler Ebene während des letzten Jahrtausends anhand einer jährlich aufgelösten Stalagmitenaufzeichnung, Briefe zur Erd- und Planetenwissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118458