Arktischer Ozean: Bedeckt von Schelfeisen und voller Süßwasser

AWI-Geowissenschaftler stellen mit neuen Eiszeit-Befunden bisherige Vorstellung vom Arktischen Ozean auf den Kopf

Der Arktische Ozean war in den zurückliegenden 150.000 Jahren mindestens zweimal flächendeckend von mehr als 900 Meter dickem Schelfeis bedeckt und enthielt in dieser Zeit ausschließlich Süßwasser. Diese überraschende Aussage ist das Ergebnis langjähriger geowissenschaftlicher Untersuchungen, über die Forschende des Alfred-Wegener-Instituts und des MARUM in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature berichten.

Die Wissenschaftler konnten anhand von Ablagerungen am Meeresboden belegen, dass die nördlichen Meere – der Arktische Ozean und das Europäische Nordmeer – in wenigstens zwei Eiszeiten kein Salzwasser enthielten. Stattdessen sammelten sich große Mengen Süßwasser in den Ozeanbecken an, die dann vermutlich schwallweise in den Nordatlantik abflossen. Mithilfe dieser plötzlichen Süßwasser-Einströme lassen sich nun vermutlich abrupte Klimaschwankungen erklären, für die Forscher bislang noch keine schlüssige Ursache gefunden hatten.

Vor 60.000 bis 70.000 Jahren, in einer Phase der Weichsel-Eiszeit, waren große Gebiete Nordeuropas und Nordamerikas von Eisschilden bedeckt. Der Europäische Eisschild erstreckte sich nach bisherigem Wissen damals über mehr als 5000 Kilometer von Irland und Schottland über Skandinavien bis an den Ostrand der Karasee (Arktischer Ozean). In Nordamerika begruben gleich zwei Eisschilde weite Teile des heutigen Kanadas unter sich. Grönland und Gebiete an der Beringmeer-Küste Russlands waren ebenso vergletschert. Wie aber sah zu dieser Zeit die Eissituation weiter nördlich im Arktischen Ozean aus? War er von dickem Meereis bedeckt oder reichten schwimmende Ausläufer der Eisschilde, die sogenannten Schelfeise, bis weit über den Nordpol hinaus?

Wissenschaftliche Antworten darauf hatten bislang nur hypothetischen Charakter. Denn im Gegensatz zum Land, wo Findlinge, Endmoränen und Urstromtäler von der Existenz großer Eisschilde zeugen, gab es im Gebiet des Arktischen Ozeans bislang nur wenige zusammenhängende Spuren von weit ausgedehnten Schelfeisen. Geowissenschaftlerinnen und Geowissenschaftlern des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) und des MARUM Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen ist es nun erstmals gelungen, schlüssige Hinweise aus großen Teilen des Arktischen Ozeans zusammenzutragen und neu auszuwerten.

Demnach bedeckten die schwimmenden Ausläufer der nördlichen Eisschilde in den zurückliegenden 150.000 Jahren mindestens zweimal flächendeckend den Arktischen Ozean; einmal in Phasen der Weichsel-Eiszeit vor 70.000 bis 60.000 Jahren und ein zweites Mal im Laufe der sogenannten Saaleeiszeit vor 150.000 bis 130.000 Jahren. In beiden Zeiträumen sammelte sich außerdem unter den mehr als 900 Meter dicken Eismassen so viel Süßwasser an, dass die Wassermassen des Arktischen Ozeans und des Europäischen Nordmeeres komplett aussüßten.

„Mit diesen Ergebnissen stellen wir die bislang geltende Vorstellung von der Geschichte des Arktischen Ozeans im Eiszeitklima auf den Kopf. Unseres Wissens nach ist bislang niemand auf die Idee gekommen, dass der Arktische Ozean und das Europäische Nordmeer in dieser Zeit phasenweise nur Eis und Süßwasser enthielten – und das nicht nur einmal, sondern mindestens zweimal“, sagt Erstautor und AWI-Geochemiker Dr. Walter Geibert.

Wo Thorium in den Ablagerungen fehlt, kann kein Salzwasser zirkuliert sein

Grundlage dieser Aussage sind geologische Analysen von zehn Sedimentkernen aus verschiedenen Gebieten des Arktischen Ozeans sowie aus der Framstraße und dem Europäischen Nordmeer. Die übereinandergeschichteten Sediment-Ablagerungen bilden die arktische Klimageschichte der zurückliegenden Eiszeiten ab. Als die Geowissenschaftler die Kerne jedoch Schicht für Schicht untersuchten, fehlte bei allen in den jeweils gleichen zwei Zeiträumen ein entscheidender Anzeiger. „Im salzhaltigen Meerwasser entsteht durch den Zerfall von natürlichem Uran immer das Isotop Thorium-230. Es lagert sich am Meeresboden ab und ist dort wegen seiner Halbwertzeit von 75.000 Jahren auch für sehr lange Zeit nachweisbar“, erläutert Walter Geibert.

Geologen nutzen das Thorium-Isotop deshalb als natürlichen Zeitmesser. „Diesmal aber gibt uns sein wiederholtes und vor allem weit verbreitetes Fehlen den alles entscheidenden Hinweis. Die einzig plausible Erklärung dafür ist unseres Wissens nach, dass der Arktische Ozean zweimal in seiner jüngeren Geschichte nur mit Süßwasser gefüllt war – in flüssiger und in gefrorener Form“, erläutert Co-Autorin und AWI-Mikropaläontologin Dr. Jutta Wollenburg.

Das neue Bild vom Arktischen Ozean

Wie aber kann ein Ozeanbecken, welches über mehrere Wasserstraßen mit dem Nordatlantik und dem Pazifischen Ozean verbunden ist, sich nur mit Süßwasser füllen? „Ein solches Szenario ist denkbar, wenn wir davon ausgehen, dass der globale Meeresspiegel während der Eiszeiten bis zu 130 Meter tiefer lag als heute und die Schelfeise auf dem Arktischen Ozean den Austausch der Wassermassen bremsten“, erklärt Co-Autor und AWI-Geologe Prof. Dr. Rüdiger Stein, der auch am MARUM Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen arbeitet.

Flache Meerengen wie die Beringstraße oder aber die Sunde im kanadischen Archipel waren damals trockengefallen und schieden als Zu- und Abfluss aus. Im Europäischen Nordmeer blockierten vermutlich Eisberge oder aber auf dem Meeresboden aufliegende Gletscherzungen den Abfluss. Zeitgleich aber trugen fließende Gletscher, die sommerliche Eisschmelze und nach Norden verlaufende Flüsse mindestens 1200 Kubikkilometer Süßwasser pro Jahr in den Arktischen Ozean ein. Ein Teil dieser Wassermenge strömte vermutlich nur durch wenige tiefe Gräben im Grönland-Schottland-Rücken über das Europäische Nordmeer in den Nordatlantik und hinderte auf diese Weise Salzwasser daran, nach Norden vorzudringen. Infolgedessen füllte sich der Arktische Ozean nach und nach mit Süßwasser.

„Sowie dieser Mechanismus der Eisbarrieren aber versagte, konnte das schwere Salzwasser wieder in den Arktischen Ozean eindringen“, erläutert Walter Geibert. „Wir glauben, dass es dann bei seinem Einstrom das leichtere Süßwasser rasch nach oben verdrängte, sodass sich die gespeicherten Süßwassermengen ab einem gewissen Punkt über den flachsten Rand des Europäischen Nordmeeres, den Grönland-Schottland-Rücken, in den Nordatlantik ergossen.“

Der Denkansatz, dass riesige Süßwassermassen im Arktischen Ozean gespeichert waren und zu bestimmten Zeitpunkten rasch freigesetzt wurden, würde helfen, eine Vielzahl bekannter Klimaphänomene aus der Vergangenheit besser miteinander in Einklang bringen. „Überreste alter Korallenriffe beispielsweise deuten darauf hin, dass der Meeresspiegel in bestimmten Kaltzeiten höher lag, als Daten aus antarktischen Eisbohrkernen und den Kalkschalen fossiler Meeresorganismen annehmen lassen“, sagt Walter Geibert. „Wenn wir nun aber abrücken von unserer alten Vorstellung, dass in Eiszeiten große Mengen Süßwasser nur in Form von Gletschereis an Land gespeichert waren, und stattdessen berücksichtigen, dass sich ein Teil dieses Süßwassers im Arktischen Ozean befunden haben könnte, dann passen die neu abgeleiteten Meeresspiegelhöhen besser zu den Standorten der alten Korallenriffe“, erklärt der Wissenschaftler.

Süßwasser-Pulse aus dem Arktischen Ozean könnten außerdem als Erklärung für abrupte Klimaschwankungen während der letzten Eiszeit dienen. Wie man mittlerweile weiß, hatte sich in dieser Zeit die Temperatur über Grönland mehrere Male innerhalb weniger Jahre um 8 bis 10 Grad Celsius erhöht und war anschließend erst Hunderte Jahre später zum normalen kalten Eiszeitniveau zurückgekehrt. „Wir sehen hier, dass es auch in der jüngeren Erdgeschichte entscheidende Kipppunkte des Erdsystems rund um die Arktis gab. Unsere Aufgabe ist es jetzt, diese Zusammenhänge genauer zu untersuchen und zu überprüfen, ob unsere neue Vorstellung vom Arktischen Ozean hilft, weitere Wissenslücken zu schließen, gerade auch in Bezug auf die Risiken des menschengemachten Klimawandels“, so Walter Geibert.

Originalstudie
Walter Geibert, Jens Matthiessen, Ingrid Stimac, Jutta Wollenburg, Ruediger Stein: Glacial episodes of a freshwater Arctic Ocean covered by a thick ice shelf. Nature (2021), DOI: 10.1038/s41586-021-03186-y

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Das Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) forscht in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der gemäßigten sowie hohen Breiten. Es koordiniert die Polarforschung in Deutschland und stellt wichtige Infrastruktur wie den Forschungseisbrecher Polarstern und Stationen in der Arktis und Antarktis für die internationale Wissenschaft zur Verfügung. Das Alfred-Wegener-Institut ist eines der 19 Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.

Originalpublikation:

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03186-y

https://www.awi.de/ueber-uns/service/presse/presse-detailansicht/arktischer-ozean-bedeckt-von-schelfeisen-und-voller-suesswasser.html