In Gesteinsproben gefundene Aufzeichnungen über die Reaktion der antarktischen Eisdecke auf Klimazyklen

Durch die Analyse ungewöhnlicher Gesteinsproben, die vor Jahren in der Antarktis gesammelt wurden, haben Wissenschaftler der University of California, Santa Cruz, eine bemerkenswerte Aufzeichnung darüber entdeckt, wie die ostantarktische Eisdecke über einen Zeitraum von 100.000 Jahren während des späten Pleistozäns auf Klimaveränderungen reagiert hat.

Der ostantarktische Eisschild ist die größte Eismasse der Welt. Das Verständnis seiner Empfindlichkeit gegenüber dem Klimawandel ist entscheidend für die Bemühungen, zu prognostizieren, wie stark der Meeresspiegel bei steigenden globalen Temperaturen ansteigen wird. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass es anfälliger für Eisverlust sein könnte als bisher angenommen.

Die neue Studie, veröffentlicht am 15 Naturkommunikation, liefert Hinweise auf großflächige Veränderungen an der Basis des Eisschildes als Reaktion auf zyklische Klimaänderungen während des Pleistozäns. Die Veränderungen spiegeln sich in den Arten von Mineralien wider, die an der Basis der Eisdecke abgelagert wurden.

„Eines der wichtigsten Ergebnisse ist, dass die Eisdecke auf Temperaturänderungen im Südpolarmeer reagierte“, sagte Koautor Terrence Blackburn, außerordentlicher Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der UC Santa Cruz. „Das warme Wasser frisst sich an den Rändern der Eisdecke und lässt das Eis schneller fließen, und diese Reaktion reicht tief in das Herz der Eisdecke.“

Die in der Studie analysierten Gesteinsproben bestehen aus abwechselnden Schichten von Opal und Calcit, die sich als Mineralablagerungen an der Basis der Eisdecke gebildet haben und zyklische Veränderungen in der Zusammensetzung subglazialer Flüssigkeiten aufzeichnen.

„Jede Schicht in diesen Proben ist eine Manifestation einer Veränderung an der Basis der Eisdecke, die durch Veränderungen in der Bewegung der Eisströme verursacht wird“, sagte der Erstautor Gavin Piccione, ein Ph.D. Kandidat, der mit Blackburn an der UCSC arbeitet.

Durch die Datierung der Schichten fanden die Forscher eine bemerkenswerte Korrelation zwischen den Schichten von Mineralvorkommen und den Aufzeichnungen der polaren Meeresoberflächentemperaturen, die aus Eisbohrkernen abgeleitet wurden. Der Opal wurde in kalten Perioden und der Calcit in warmen Perioden abgelagert.

„Diese Klimaschwankungen verursachen Veränderungen im Verhalten der Eisschilde, so dass sich die Chemie und Hydrologie unter dem Eis verändern“, sagte Co-Autor Slawek Tulaczyk, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der UCSC, der das Verhalten von Eisschilden und Gletschern für studiert hat Jahrzehnte.

Die Klimazyklen, die den Mineralschichten entsprechen, sind relativ kleine Schwankungen, die alle paar tausend Jahre innerhalb der ausgeprägteren Glazial-Interglazial-Zyklen auftreten, die alle 100.000 Jahre während des gesamten Pleistozäns auftraten. Die glazial-interglazialen Zyklen werden hauptsächlich durch Änderungen in der Umlaufbahn der Erde um die Sonne angetrieben. Die kleineren Klimazyklen im Jahrtausendmaßstab beinhalten Schwankungen der polaren Temperaturen, die durch die Schwächung und Verstärkung einer großen Meeresströmung (der Atlantic Meridional Overturning Circulation oder AMOC) angetrieben werden, die große Wärmemengen durch den Atlantischen Ozean nach Norden transportiert.

Tulaczyk sagte, die neuen Ergebnisse zeigen die Empfindlichkeit des antarktischen Eisschildes gegenüber kleinen, kurzfristigen Klimaschwankungen.

„So wichtig das antarktische Eisschild auch ist – es ist für den Anstieg des Meeresspiegels um fast 17 Meter seit dem letzten Gletschermaximum verantwortlich – wir wissen wirklich sehr wenig darüber, wie es auf Klimaschwankungen reagiert hat“, sagte er. „Wir kennen die letzten 20.000 Jahre ziemlich gut, aber darüber hinaus waren wir fast blind. Deshalb sind diese Ergebnisse so überwältigend.

Die beiden für diese Studie analysierten Gesteinsproben wurden aus Gletschermoränen gesammelt, die mehr als 900 Kilometer (560 Meilen) voneinander entfernt waren, und sie bildeten sich über verschiedene Zeiträume von insgesamt mehr als 100.000 Jahren. Mit anderen Worten, sie zeichnen ähnliche Zyklen der Mineralablagerung unter dem Eis auf, die sich über einen weiten Bereich und über lange Zeiträume abspielen.

„Die Chemie der beiden Proben stimmte überein, obwohl sie so weit voneinander entfernt waren, was uns die Zuversicht gab, dass ein groß angelegter, systematischer Prozess im Gange war“, sagte Piccione.

Der Mechanismus hinter der Bildung von Schichten aus Opal und Calcit ist etwas kompliziert und erfordert nicht nur ein Verständnis der Mineralchemie, sondern auch der ungewöhnlichen Hydrologie unter dem antarktischen Eisschild. Wärme aus dem Erdinneren („geothermische Erwärmung“) verursacht ein Schmelzen an der Basis der Eisdecke, die durch die Dicke des Eises von kalten Polartemperaturen isoliert ist. Dort, wo das Eis zu den Rändern der Eisdecke hin dünner wird, beginnt das subglaziale Schmelzwasser wieder zu gefrieren, wodurch gelöste Mineralien konzentriert und schließlich hypersaline Sole gebildet werden.

Wenn das Wasser durch erneutes Gefrieren konzentriert wird, bilden sich mineralische Ablagerungen, und das erste, was ausfällt, ist Calcit, die häufigste Form von Calciumcarbonat. Opal (amorphes Siliziumdioxid) wird schließlich aus älteren, übersättigten Solen ausfallen, die keinen Kohlenstoff mehr enthalten.

„In der Antarktis gibt es diese interessanten Solen ohne Kohlenstoff, weil alles früher ausgefällt wurde. Wenn diese Solen also von anderen Wasserquellen isoliert werden, bilden sie Opal“, erklärte Piccione.

Um eine Calcitschicht auf dem Opal zu erhalten, ist ein Zufluss von kohlenstoffhaltigem Gletscherschmelzwasser erforderlich, das während warmer Intervalle in den Klimazyklen auftritt, wenn sich die AMOC verlangsamt. Das führt zu einer Erwärmung der südlichen Hemisphäre und bringt warmes Wasser in Kontakt mit den schwimmenden Schelfeis an den Rändern der Eisdecke. Während sich das warme Wasser am Boden der Schelfeise auffrisst, beginnt sich die „Erdungslinie“, an der das Eis mit dem Land in Kontakt kommt, zurückzuziehen, und das Eis fließt schneller aus dem Inneren heraus zu den Rändern.

Tulaczyk erklärte, dass die Bewegung des Eises über dem Grundgestein Wärme erzeugt und die Menge an Schmelzwasser an der Basis der Eisdecke erhöht. „Wenn Sie sich eine Karte vorstellen, wo sich Schmelzwasser unter der Eisdecke befindet, dehnt sich dieses Gebiet in warmen Perioden aus und zieht sich in kalten Perioden zusammen, wie ein Herzschlag“, sagte er.

Die daraus resultierenden „Frost-Flush-Zyklen“ an der Basis des Eises erklären die abwechselnden Schichten von Opal und Calcit in den Felsen.

Die Ergebnisse weisen auf die Wassertemperaturen im Südpolarmeer als den Hauptmechanismus hin, der die Reaktion des Antarktischen Eisschildes auf Änderungen des globalen Klimas antreibt. Die Temperaturen in der Antarktis sind so kalt, dass eine Erwärmung um ein paar Grad kein Oberflächenschmelzen des Eises verursachen wird, aber Wissenschaftler wissen, dass die Eisdecke in der Vergangenheit geschmolzen und Teile davon zusammengebrochen sind, sagte Blackburn. „Es war schwer zu verstehen, aber dies zeigt deutlich, dass die Ozeanerwärmung der treibende Mechanismus ist“, sagte er.

„Wenn Sie sich die Orte ansehen, die heute Eis verlieren, konzentrieren sie sich entlang der Ränder der Eisdecke, wo sie mit dem sich erwärmenden Ozean in Kontakt kommt“, fügte Tulaczyk hinzu. „Der Hauptgrund für die Erwärmung der Ozeane ist jetzt das atmosphärische Kohlendioxid, nicht die AMOC, aber ich glaube nicht, dass es dem Eisschild egal ist, was die Erwärmung verursacht.“

Tulaczyk sagte, die Ergebnisse zeigen, dass sich die Eisdecke während warmer Perioden zurückziehen und sich dann während der anschließenden Abkühlung erholen kann. „Im Zusammenhang mit der Schwellenfrage – sitzt die Eisdecke auf einer Schwelle, jenseits derer es zu einem außer Kontrolle geratenen Schmelzen kommen würde und alles verschwinden würde – sehe ich das hier nicht“, sagte er. „Das Eis reagiert empfindlich auf diese kurzfristigen Schwankungen, aber das Ausmaß des Eisverlusts ist gering genug, dass es sich durch Abkühlung erholen kann.“