Fund einzigartiger geologischer Proben gibt Aufschluss über die Entstehung des heutigen antarktischen Eisschildes

Die globale Erwärmung hat in den vergangenen Jahren auch auf den antarktischen Eisschilden Spuren hinterlassen. Das „ewige“ Eis der Antarktis schmilzt schneller als bislang angenommen, insbesondere in der Westantarktis stärker als in der Ostantarktis. Die Ursache dafür könnte in seiner Entstehung liegen, wie ein internationales Forscherteam unter Leitung des Alfred-Wegener-Instituts nun herausfand.

Sedimentproben aus Bohrkernen kombiniert mit komplexen Klima- und Eisschildmodellen zeigen, dass die permanente Vereisung der Antarktis vor rund 34 Millionen Jahren begann – allerdings nicht wie bislang angenommen den gesamten Kontinent, sondern sich auf den östlichen Teil des Kontinents (Ostantarktika) beschränkte. Erst mindestens 7 Millionen Jahre später konnte das Eis in Richtung der westantarktischen Küste vordringen.

Die Ergebnisse der neuen Studie zeigen, wie unterschiedlich Ost- und Westantarktika auf äußere Einflüsse reagieren. Forscher beschreiben im Journal Wissenschaft.

Vor etwa 34 Millionen Jahren erlebte unser Planet einen der grundlegendsten Klimawechsel, der die globalen Klimabedingungen bis heute beeinflusst: den Übergang von einer Treibhauswelt (ohne oder mit nur sehr geringer Ansammlung von kontinentalem Eis) zu einer Eishauswelt (mit großen, dauerhaft vergletscherten Gebieten). Während dieser Zeit bildete sich der antarktische Eisschild. Wie, wann und vor allem wo, war bisher nicht bekannt, da es an zuverlässigen Daten und Proben aus Schlüsselregionen, insbesondere aus der Westantarktis, fehlte, die die Veränderungen in der Vergangenheit dokumentierten.

Diese Wissenslücke konnten Forscher des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) nun schließen, gemeinsam mit Kollegen des British Antarctic Survey, der Universität Heidelberg, der Northumbria University (Großbritannien) und des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen sowie Kooperationspartnern der Universitäten Aachen, Leipzig, Hamburg, Bremen und Kiel sowie der University of Tasmania (Australien), des Imperial College London (Großbritannien), der Université de Fribourg (Schweiz), der Universidad de Granada (Spanien), der Leicester University (Großbritannien), der Texas A&M University (USA), Senckenberg am Meer und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover.

Anhand eines Bohrkerns, den die Forscher mit dem Meeresboden-Bohrgerät MARUM-MeBo70 vor den Gletschern Pine Island und Thwaites an der Küste der Amundsensee in Westantarktika geborgen hatten, konnten sie erstmals die Entstehungsgeschichte des eisigen antarktischen Kontinents rekonstruieren. Überraschenderweise finden sich in dieser Region keinerlei Hinweise auf die Anwesenheit von Eis während der ersten großen Phase der antarktischen Vereisung.

„Das bedeutet, dass irgendwo in der Ostantarktis eine großflächige, dauerhafte erste Vereisung begonnen haben muss“, sagt Dr. Johann Klages, Geologe am AWI, der das Forschungsteam leitete. Denn die Westantarktis blieb während dieses ersten glazialen Maximums eisfrei. Sie war zu diesem Zeitpunkt noch weitgehend von dichten Laubwäldern bedeckt und es herrschte ein kühl-gemäßigtes Klima, das eine Eisbildung in der Westantarktis verhinderte.

Ost- und Westantarktis reagieren sehr unterschiedlich auf äußere Bedingungen

Um besser zu verstehen, wo sich in der Antarktis das erste dauerhafte Eis bildete, kombinierten die AWI-Paläoklimamodellierer die neu verfügbaren Daten mit bereits vorhandenen Daten zu Luft- und Wassertemperaturen sowie zum Vorkommen von Eis.

„Die Simulation hat die Ergebnisse des einzigartigen Bohrkerns der Geologen bestätigt“, sagt Prof. Dr. Gerrit Lohmann, Paläoklima-Modellierer am AWI. „Das verändert unser Wissen über die erste antarktische Vereisung völlig.“

Die grundlegenden klimatischen Bedingungen für die Bildung von dauerhaftem Eis herrschten der Studie zufolge nur in den Küstenregionen des ostantarktischen Nordviktorialandes. Hier erreichten feuchte Luftmassen das steil ansteigende Transantarktische Gebirge – ideale Bedingungen für dauerhaften Schnee und die anschließende Bildung von Eiskappen. Von dort breitete sich der Eisschild rasch ins ostantarktische Hinterland aus. Bis er die Westantarktis erreichte, dauerte es allerdings noch einige Zeit.

„Erst rund sieben Millionen Jahre später ermöglichten die Bedingungen das Vordringen eines Eisschildes bis an die westantarktische Küste“, erklärt Hanna Knahl, Paläoklima-Modelliererin am AWI. „Unsere Ergebnisse zeigen deutlich, wie kalt es werden musste, bis das Eis die Westantarktis bedecken konnte, die damals in weiten Teilen bereits unter dem Meeresspiegel lag.“

Was die Untersuchungen auch eindrucksvoll zeigen: Wie unterschiedlich die beiden Regionen des antarktischen Eisschildes auf äußere Einflüsse und grundlegende Klimaveränderungen reagieren.

„Bereits eine geringe Erwärmung würde genügen, um das Eis in der Westantarktis erneut schmelzen zu lassen – und genau dort befinden wir uns gerade“, ergänzt Klages.

Die Erkenntnisse des internationalen Forscherteams sind entscheidend für das Verständnis des extremen Klimaübergangs vom Treibhausklima zum heutigen Eishausklima. Wichtig ist auch, dass die Studie neue Erkenntnisse liefert, mit denen Klimamodelle genauer simulieren können, wie sich dauerhaft vergletscherte Gebiete auf die globale Klimadynamik auswirken, also auf die Wechselwirkungen zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre.

Dies sei von entscheidender Bedeutung, sagt Klages, „gerade vor dem Hintergrund, dass wir schon in naher Zukunft erneut vor einem solch tiefgreifenden Klimawandel stehen könnten.“

Mit neuen Technologien zu einzigartigen Erkenntnissen

Diese Wissenslücke konnten die Forschenden mithilfe eines einzigartigen Bohrkerns schließen, den sie während der Expedition PS104 auf dem Forschungsschiff Polarstern im Jahr 2017 in der Westantarktis holten. Dabei kam erstmals das am Bremer MARUM entwickelte Bohrgerät MARUM-MeBo70 in der Antarktis zum Einsatz.

Der Meeresboden vor den westantarktischen Gletschern Pine Island und Thwaites ist so hart, dass es mit herkömmlichen Bohrmethoden bisher unmöglich war, tiefe Sedimente zu erreichen. Das MARUM-MeBo70 verfügt über einen rotierenden Bohrkopf, der es ermöglichte, etwa 10 Meter tief in den Meeresboden zu bohren und die Proben zu bergen.