Die Entstehung des Antarktischen Eises

Let’s talk about deep time!

Von Hanna Knahl

Abbildung 1 – Dies ist eine künstlerische Darstellung des Übergangs der Antarktis von einem warmen Klima mit Wald zu einem kälteren Klima mit zunehmendem Eis vor 34 Millionen Jahren. Quelle: Erstellt mit AI Image Generator

Lasst uns wieder in die Vergangenheit reisen, tief in den Sedimenten graben und sehen, welches Gesicht die Antarktis uns diesmal zeigen will! Ist sie heiß und bunt oder cool und eisig? Oder ist sie beides? Meine “Zeitmaschine” wird uns in ein Klima voller Veränderungen und Geheimnisse zurückbringen.

Abbildung 2 – Nagelneue Veröffentlichung über eine Zeit voller Veränderungen und meine erste Co-Autorinnenschaft! Quelle: Screenshot science.org (angepasst) [1]

Wir sind wieder auf Zeitreise! Das letzte Mal sind wir 90 Millionen Jahre zurückgereist, jetzt sind es “nur” 34 Millionen Jahre – immer noch “deep”. Keine Ahnung, was das bedeutet? Kein Problem, ich zeige es euch! Genau das ist es, was ich in meiner Doktorarbeit fast jeden Tag tue. Jetzt bin ich an einer nagelneuen Veröffentlichung über ziemlich altes Zeug beteiligt [1]. Das ist wirklich aufregend, denn sie zeigt uns ein weiteres erstaunliches Gesicht der Antarktis.

Die Antarktis hat mehr als ein Gesicht…

Abbildung 3 – Die mysteriösen Gesichter der Antarktis

…das wisst ihr bereits. Während des letzten Abenteuers habt ihr herausgefunden, dass die Antarktis während der Kreidezeit (der Zeit der Dinosaurier) nicht kalt und eisig war, sondern warm und voller Leben. Ein gemäßigter Regenwald bedeckte den Kontinent am Südpol, das “heiße Gesicht” der Antarktis. Das war vor etwa 90 Millionen Jahren. [2] Und heute zeigt die Antarktis ihr “cooles Gesicht”, denn sie ist von einem riesigen Eisschild bedeckt. Dazwischen muss es also einen großen Wandel gegeben haben – von heiß zu kalt, von Wald zu Eis! Dieser Übergang fand zwischen den Epochen Eozän und Oligozän statt. Das war vor 34 Millionen Jahren. Wie mag das ausgesehen haben? Zeig uns ein anderes Gesicht, Antarktis!

Seeehr alte Sedimente

Ihr habt bereits gelernt, wie man aus Meeressedimenten die Vegetation und das Klima in der Vergangenheit herausfinden kann. Ich habe euch gezeigt, wie Wissenschaftler*innen auf Schiffsexpeditionen gehen und mit speziellen Geräten in den Meeresboden bohren.

Figure 4 – Die Expedition PS104 mit dem Forschungsschiff Polarstern bohrte Sedimentbohrkerne in der Amundsensee (West Antarktis). Quelle: Alfred-Wegener-Institut / Thomas Ronge

Auf diese Weise können sie die örtlichen Bedingungen in der Vergangenheit rekonstruieren (siehe Tabelle 1). Vor 34 Millionen Jahren lagen die Temperaturen weit über 0 °C (die kritische Schwelle für die Bildung von Eis). Es war also immer noch warm, aber nicht so warm wie in der Kreidezeit. Außerdem gab es in der Westantarktis viel Niederschlag – sogar noch mehr als in der Kreidezeit.

Tabelle 1 – Aus den Sedimentkernen ermittelte Klimaparameter für die Kreidezeit [2] und den Eozän-Oligozän-Übergang [1]. CO2 in Teilen pro Million nach Volumen (ppmv)

Das war noch nicht alles! Der Sedimentkern zeigt auch “keinen Hinweis auf die Anwesenheit von Eis” in der Nähe der Bohrstelle in der Zeit vor 34 Millionen Jahren. Das bedeutet, dass es kein Eisschild gegeben haben kann, das bis zur Küste und in den Ozean reichte. Daher gab es in diesem Ozeanbecken auch keine treibenden Eisberge. Stattdessen gab es an Land einen kalten, gemäßigten Wald, wie er heute in Patagonien (ganz im Süden Südamerikas) existiert. [1]

Abbildung 5 – Hier ist ein ähnlicher Sedimentkern zu sehen, der an einem anderen Ort in der Antarktis, dem Rossmeer, gebohrt wurde. Er hat seinen Ehrenplatz im geowissenschaftlichen Labor des Alfred-Wegener-Instituts in Bremerhaven erhalten. Es ist in Stücke von 1 Meter Länge zerschnitten, um das Handling zu erleichtern. Beginnend mit den jüngsten Sedimenten von links bis zu den ältesten (Eozän) rechts. Quelle: Eigenes Bild

So weit so gut, aber warum ist das so interessant?

Wir wissen aus anderen Studien, dass die CO₂-Konzentration und die Temperaturen in dieser Zeit deutlich gesunken sind. [3] Die kälteren Temperaturen ließen das Eis wachsen. Und aus Rekonstruktionen von Isotopen an fossilen Meeresorganismen wissen wir, dass es Eis gegeben haben muss – irgendwo auf der Erde. [4] Die Frage ist: WO?

Wir wissen, dass die Westantarktis sensibler für warme Temperaturen ist als der Osten. Was meine ich mit West und Ost, wenn wir über den Südpol sprechen? Werft dazu einen Blick auf Abbildung 6. Im Westen sehen wir große Ozeanbecken und weniger Land über dem Meeresspiegel als im Osten. In warmen Klimazonen ist nicht nur die Atmosphäre warm, sondern auch der Ozean speichert eine Menge Wärme. Dieser Wärmespeicher ist sehr bedeutend und macht es viel schwieriger, ein Eisschild im Westen zu bilden und zu erhalten als im Osten. Wir haben uns also gefragt:

Kann es im Osten ein Eisschild gegeben haben, während der Westen eisfrei blieb?

Abbildung 6 – Topographie der Antarktis vor 34 Millionen Jahren. Mit Westantarktis meine ich die linke Hälfte in der Nähe Südamerikas, d. h. westlich des 0°-Meridians von Greenwich. Mit Osten (East) meine ich die andere Hälfte in der Nähe von Australien. Der rosa Stern markiert den Bohrort des Sedimentkerns. Quelle: Eigene Darstellung nach [5]

Was wären Zeitreisen ohne eine Zeitmaschine?

Wie kann man diese Frage angehen? Wir wollten uns ein Bild vom gesamten antarktischen Kontinent machen. Und mal ehrlich, was wäre eine Zeitreise ohne eine Zeitmaschine? Deshalb habe ich begonnen, das “Gesicht” der Antarktis mit meiner Zeitmaschine – einem Klimamodell – zu simulieren.

Meine “Zeitmaschine” hat den langen Namen Alfred-Wegener-Institut Erdsystemmodell (AWI-ESM-2.1) und das Parallele Eisschildmodell (PISM). Sie sieht aus wie in der folgenden Abbildung skizziert:

Abbildung 7 – AWI-ESM 2.1 simuliert das Klima, wobei Ozean, Atmosphäre und Land miteinander interagieren. PISM simuliert das Eisschild. Beide Modelle sind in der Lage, miteinander zu kommunizieren. Quelle: Eigene Darstellung

Es ist ein Computermodell, das mathematische Gleichungen verwendet, die die Dynamik des Ozeans, der Atmosphäre, der Landoberfläche und des Eises beschreiben. Die Pfeile zeigen an, dass die verschiedenen Komponenten miteinander interagieren, so dass sie sehen, was die anderen tun, und sich entsprechend anpassen.

Bereit zum Abheben?

Wenn ich mein Modell laufen lasse, führt es mich zurück in ein Klima, das viel wärmer ist als heute, aber kälter als in der Kreidezeit. Wir finden also keinen gemäßigten Regenwald mehr, sondern kaltgemäßigte Wälder und Sträucher im Westen, was durch die fossilen Überreste im Sediment belegt wird. Wenn wir jedoch in die Ostantarktis blicken, zeigt das Modell dort einen gut entwickeltes Eisschild! (Siehe Abbildung 8)

Jippie, unsere Frage ist beantwortet!

Zumindest für dieses Modell und diesen Aufbau. Wie immer in der Wissenschaft gibt es Unsicherheiten. Verschiedene Modelle und Einstellungen zeigen sehr unterschiedliche Größen des Eisschildes zu dieser Zeit. Das liegt daran, dass wir immer noch Lücken in unserem Wissen über die Bedingungen und den Zeitpunkt des Übergangs vom warmen zum kalten Klima haben. Außerdem unterscheiden sich die Klimamodelle in ihren jeweiligen Stärken und Schwerpunkten. Nichtsdestotrotz bringen uns meine Modellergebnisse im Zusammenspiel mit Daten aus Sedimentkernen einen Schritt weiter, um unsere Wissenslücken in dieser besonderen Zeit voller Veränderungen zu schließen und damit numerische Modelle für Simulationen mit hohem CO₂-Gehalt zuverlässiger zu machen.

Abbildung 8 – Dicke des Eisschilds (links) und Vegetationstyp (rechts) simuliert durch das Klimamodell. Quelle: [1] Bearbeitet

Man könnte zum Beispiel denken, dass das Eis auf den höchsten Bergen im Osten zu wachsen beginnt, wo es am kältesten ist. Falsch gedacht! Wir sehen, dass das Eis tatsächlich in Küstennähe auf dem Festland zu wachsen beginnt, wo sich – zur gleichen Zeit – die transantarktischen Berge beginnen zu erheben. Warum ist das so? Ihr habt bereits in dem Artikel über die Kreidezeit gelernt, dass man nicht nur kalte Temperaturen braucht, um eine Eisdecke wachsen zu lassen, sondern auch genügend Niederschlag. Wenn es keinen Schnee gibt, kann es so kalt sein, wie es will, es wird sich kein Eisschild bilden. Das ist der Effekt, den wir in dem Modell sehen. Nur an der Küste gibt es genug Niederschlag, um den Prozess des Aufbaus einer Eisdecke in Gang zu setzen, bei dem sich jede Schneeschicht auf die Vorherige legt.

Das Eisschild wächst bis zu einer Größe, die etwa 35 Metern des Meeresspiegels entspricht, was bedeutet: Wenn das Eis schmelzen würde, würde der globale mittlere Meeresspiegel um etwa 35 Meter ansteigen. Für das heutige antarktische Eisschild beträgt dieser Wert etwa 58 Meter. [6] Das modellierte ostantarktische Eisschild ist also schon ziemlich groß und hat einen großen Einfluss auf das lokale und globale Klima. Aber das wird Teil zukünftiger Forschung sein;)

Ein neues Gesicht der Antarktis ist enthüllt

Abbildung 9 – Das Gesicht der Antarctis als das Eis zu wachsen begann. Quelle: Verändert nach der Erzeugung durch KI

Mit vereinten Kräften haben Sedimente und Modellsimulationen erneut ein neues Gesicht der Antarktis enthüllt. Während des Übergangs von heißem zu kaltem Klima zeigt die Antarktis ein Gesicht aus beidem – Eis und Wald. Während im Westen noch kühl-gemäßigte Vegetation und milde Temperaturen herrschen, ist im Osten bereits ein gut entwickelter Eisschild zu sehen. Dieser Übergang setzte sich fort und machte schließlich dem riesigen Eisschild Platz, das den gesamten Kontinent bis heute bedeckt. Lasst uns unser Bestes tun, um dieses wunderbare Eisschild zu erhalten!

Touch down in der Gegenwart…

Quellen

[1] J. P. Klages et al., Ice sheet–free West Antarctica during peak early Oligocene glaciation. Science 0, eadj3931 DOI:10.1126/science.adj3931

[2] Klages, J.P., Salzmann, U., Bickert, T. et al. Temperate rainforests near the South Pole during peak Cretaceous warmth. Nature 580, 81–86 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2148-5

[3] Hutchinson, D. K. et al. (2021). “The Eocene–Oligocene transition: a review of marine and terrestrial proxy data, models and model–data comparisons”. In: Climate of the Past 17.1, pp. 269–315. doi: 10.5194/cp-17-269-2021.

[4] Bohaty, S. M. et al. (2012). “Foraminiferal Mg/Ca evidence for Southern Ocean cooling across the Eocene–Oligocene transition”. In: Earth and Planetary Science Letters 317-318, pp. 251–261. issn: 0012-821X. doi: 10.1016/j.epsl.2011.11.037.

[5] Paxman, G. J. G. et al. (2019). “Reconstructions of Antarctic topography since the Eocene-Oligocene boundary”. In: Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology 535.109346. doi: 10.1016/j.palaeo.2019.109346.

[6] IPCC, 2019: Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems [P.R. Shukla, J. Skea, E. Calvo Buendia, V. Masson-Delmotte, H.-O. Pörtner, D. C. Roberts, P. Zhai, R. Slade, S. Connors, R. van Diemen, M. Ferrat, E. Haughey, S. Luz, S. Neogi, M. Pathak, J. Petzold, J. Portugal Pereira, P. Vyas, E. Huntley, K. Kissick, M. Belkacemi, J. Malley, (eds.)]. In press.

Übersetzt mit der Unterstützung durch KI (deepl.com)