Staubtransport in der hohen Atmosphäre

Staub aus Südamerika war während der vergangenen zwei Eiszeitzyklen eine wichtige Eisenquelle für den nährstoffarmen Südpazifik – insbesondere zu Beginn der Kaltzeiten.

Das zeigt eine jetzt in der Zeitschrift PNAS veröffentlichte Studie. Der Theorie des Teams um den Geochemiker Torben Struve von der Universität Oldenburg zufolge transportierte der Jetstream die feinen Mineralteilchen einmal fast um die gesamte Antarktis. Die Forschenden nutzten einen Bohrkern vom Meeresboden als Klimaarchiv, um die Beiträge verschiedener Staubquellen von den umliegenden Kontinenten zu rekonstruieren.

Staub aus der trockenen Puna-Hochebene im Nordwesten Argentiniens war während der vergangenen zwei Eiszeitzyklen eine wichtige Eisenquelle für den nährstoffarmen Südpazifik – insbesondere zu Beginn der Kaltzeiten. Das zeigt eine jetzt in der Zeitschrift PNAS veröffentlichte Studie von Forschenden um den Geochemiker Dr. Torben Struve von der Universität Oldenburg. Der Theorie des Teams zufolge nahm der Jetstream – eine westwärts gerichtete Luftströmung in mehreren Kilometern Höhe – die feinen Mineralteilchen mit auf seinem Weg von der Ostseite der Anden und transportierte sie einmal fast um die gesamte Antarktis bis in den Südostpazifik. Die Forschenden nutzten einen Bohrkern vom Meeresboden als Klimaarchiv, um die Beiträge verschiedener Staubquellen von den umliegenden Kontinenten zu rekonstruieren.

Atmosphärischer Staub ist ein wichtiger Teil des Klimasystems. Zum einen beeinflusst er die Strahlungsbilanz der Erde, da feine Staubteilchen in großen Höhen das einfallende Sonnenlicht reflektieren und somit kühlend wirken. Zum anderen können mit den Mineralteilchen Nährstoffe wie Eisen oder Mangan in entlegene Meeresgebiete gelangen, wo sie das Algenwachstum anregen. Wenn die Algen sterben und in die Tiefsee absinken, wird der Atmosphäre auf diese Weise langfristig Kohlendioxid entzogen, was ebenfalls zu einer Abkühlung führt. Diese Mechanismen können besonders effektiv im abgelegenen und eisenlimitierten subpolaren Südozean wirken, weshalb Veränderungen des Staubkreislaufs auf der Südhalbkugel eine wichtige Rolle im natürlichen Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten in der Vergangenheit zugeschrieben wird.

Das Team um Struve analysierte einen Sedimentkern vom Boden des subpolaren Südpazifiks, dessen Ablagerungen 260.000 Jahre in die Vergangenheit reichen und somit zwei Eiszeitzyklen umfassen. Anhand des geochemischen Fingerabdrucks des Staubs ermittelten die Forschenden, wie hoch der Anteil von Partikeln aus Südamerika, Südafrika, Australien und Neuseeland in den verschiedenen Phasen der beiden Eiszeiten war. „Wir waren überrascht davon, dass Staub aus Südamerika während des gesamten Untersuchungszeitraums dominierte, obwohl er einen sehr weiten Weg von der Quelle bis zu unserer Probenahmestelle zurücklegen musste“, sagt Hauptautor Struve.

Bis zu zwei Drittel der Partikel stammen der Analyse zufolge von dort, besonders hoch war ihr Anteil zu Beginn der Kaltzeitzyklen. Näher gelegene Landmassen wie Australien oder Neuseeland trugen nur in vergleichsweise kurzen Zeitabschnitten mehr als die Hälfte zum abgelagerten Staub bei. So nahm ihr Beitrag besonders gegen Ende der Eiszeiten zu, als sich das Klima wieder erwärmte. Die Forschenden schließen aus den Daten, dass der südamerikanische Staub aus den hochgelegenen Quellregionen der östlichen Anden vergleichsweise einfach in den Jetstream gelangen konnte und dann in den höheren Bereichen der Atmosphäre die Antarktis umrundete. Im Gegensatz dazu konnten die Staubteilchen aus den niedrig-gelegenen Quellregionen Australiens und Neuseelands schneller wieder mit dem Regen aus der Luft gewaschen werden und haben diese für den Langstreckentransport nötigen Höhen seltener erreicht.

Der größte Anteil des südamerikanischen Staubs stammte der Studie zufolge aus bis zu 5.000 Meter hoch in den Anden gelegenen Regionen, die sich über den Nordwesten des heutigen Argentiniens und den Süden Boliviens erstrecken. Diese Gegend umfasst Teile der Puna-Altiplano-Hochebene sowie trockene Hochtäler der Zentralanden. Sie wurde von Forschenden als mögliche Eisenquelle für den Südozean bislang jedoch wenig in Betracht gezogen. Wie das Team berichtet, enthält der von dort stammende Staub besonders in den Kaltzeiten eine Form von Eisen, die wahrscheinlich auf eine erhöhte eiszeitliche Gletscheraktivität in den Quellregionen zurückzuführen und biologisch gut verwertbar ist.

Insgesamt nahm die Staubproduktion aus allen Quellen der aktuellen Untersuchung zufolge während der Eiszeiten gegenüber den Warmzeiten zu, so dass der Eiseneintrag durch Staub um den Faktor drei bis sechs anwuchs – ein Ergebnis, das frühere Studien bestätigt, denen zufolge es in der Vergangenheit bei kühlerem Klima trockener und vermutlich auch windiger war als in Warmzeiten. In den Daten fand das Team außerdem weitere Hinweise darauf, dass sich die vorherrschenden Westwinde rund um die Antarktis in Warmzeiten und gegen Ende der Eiszeiten nach Süden verlagerten oder abflauten.

Die Erkenntnisse könnten dazu beitragen, den Wechsel zwischen Eis- und Warmzeiten auf der Südhalbkugel besser zu verstehen, so Hauptautor Struve: „Wie genau die natürliche Eisendüngung im Südozean diese Klimaveränderungen verstärkte, ist noch nicht vollständig geklärt“, sagt der Geochemiker. Die neuen Daten bieten aber wertvolle Einblicke und könnten in aktuelle Erdsystemmodelle einfließen, die dann wiederum einen genaueren Blick auf die Abläufe erlauben.

Ob es sinnvoll sei, nährstoffarme Meeresgebiete gezielt mit Eisen zu düngen, um den aktuellen Klimawandel zu verlangsamen, lasse sich anhand der Studie nicht beurteilen, so der Wissenschaftler. „Ich wäre damit sehr vorsichtig – um einen nennenswerten Effekt zu erzielen, müsste man schwer erreichbare Meeresgebiete über lange Zeiträume großflächig mit biologisch verwertbarem Eisen versorgen. Das erscheint kaum praktikabel.“

An der aktuellen Studie wirkten neben Forschenden vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres der Universität Oldenburg auch ein Wissenschaftler vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven und eine Kollegin vom Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University im US-Bundesstaat New York mit.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Torben Struve, Tel.: 0441/798-3359, E-Mail: torben.struve@uol.de

Originalpublikation:

Torben Struve, Jack Longman, Martin Zander, Frank Lamy, Gisela Winckler und Katharina Pahnke: „Systematic changes in circumpolar dust transport to the Subantarctic Pacific Ocean over the last two glacial cycles”, PNAS 119 (47), DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2206085119

Weitere Informationen:

http://uol.de/icbm/mig