Winter in sibirischen Permafrostregionen werden seit Jahrtausenden wärmer

Gletscher sucht man im russischen Lena-Delta vergeblich. Anders als in der Antarktis oder Grönland bildet sich das Eis in der sibirischen Tundra nicht oberirdisch an Berghängen oder auf Hochplateaus. Es entsteht direkt im Untergrund als Eiskörper in Form eines Keils.

„Eiskeile sind ein typisches Merkmal der Permafrostregionen. Sie entstehen, wenn sich der dauerhaft gefrorene Boden im Winter aufgrund der großen Kälte zusammenzieht und an bestimmten Stellen aufreißt. Schmilzt dann im Frühjahr der Schnee, rinnt das Schmelzwasser in diese Risse. Bei einer Bodentemperatur von etwa minus zehn Grad Celsius gefriert es dort jedoch sofort wieder. Wiederholt sich dann dieser Prozess in den darauffolgenden Wintern, entsteht im Laufe der Jahrzehnte und Jahrhunderte ein Eiskörper, der an einen riesigen Keil erinnert“, sagt Dr. Hanno Meyer, Permafrost-Forscher am AWI Potsdam und Erstautor der Studie.

Mit einer Tiefe von bis zu 40 Metern und einer Breite von maximal sechs Metern sind die Eiskeile in der sibirischen Arktis zwar nicht so mächtig wie ein antarktischer Gletscher. Die teilweise mehr als 100 000 Jahre alten Eiskörper aber speichern auf dieselbe Art und Weise Klimainformationen und können von Wissenschaftlern mit Methoden der Gletscherforschung untersucht werden. „Das Schmelzwasser stammt jeweils vom Schnee eines Winters. Gefriert es in der Frostspalte, werden daher Informationen über die Wintertemperatur in jenem Jahr mit eingeschlossen. Uns ist es nun erstmals gelungen, diese im Eis gespeicherten Temperaturinformationen mithilfe der Sauerstoff-Isotopenanalyse zu einer Klimakurve für die vergangenen 7000 Jahre zusammenzufassen“, so AWI-Forscher und Ko-Autor Dr. Thomas Opel.

Die neuen Daten sind die ersten eindeutig datierten Wintertemperaturdaten aus der sibirischen Permafrostregion und zeigen einen klaren Trend: „In den zurückliegenden 7000 Jahren sind die Winter im Lena-Delta kontinuierlich wärmer geworden – eine Entwicklung, die wir so bisher aus kaum einem anderen arktischen Klimaarchiv kennen“, sagt Hanno Meyer. Denn: „Bisher wurden vor allem fossile Pollen, Kieselalgen oder Baumringe aus der Arktis genutzt, um das Klima der Vergangenheit zu rekonstruieren. Sie aber speichern vor allem Temperaturinformationen aus dem Sommer, wenn die Pflanzen wachsen und blühen. Die Eiskeile stellen eines der wenigen Archive dar, in denen reine Winterdaten gespeichert werden“, erklärt der Permafrost-Experte.

Mit den neuen Daten schließen die Wissenschaftler zudem eine wichtige Lücke: „Die meisten Klimamodelle zeigen für die zurückliegenden 7000 Jahre in der Arktis eine langfristige Abkühlung im Sommer sowie eine langfristige Erwärmung im Winter an. Für letztere aber gab es bisher keine Temperaturdaten, eben weil die meisten Klimaarchive hauptsächlich Sommerinformationen speichern. Jetzt können wir zum ersten Mal zeigen, dass Eiskeile ähnliche Winterinformationen enthalten wie sie von den Klimamodellen simuliert werden“, so AWI-Modellierer und Ko-Autor Dr. Thomas Laepple.

Um wie viel Grad Celsius genau die arktischen Winter wärmer geworden sind, können die Wissenschaftler nicht in absoluten Zahlen sagen: „Das Ergebnis der Sauerstoff-Isotopenanalyse verrät uns zunächst nur, ob und wie sich das Isotopenverhältnis verändert hat. Steigt es, sprechen wir von einer relativen Erwärmung. Wie groß diese allerdings genau ausgefallen ist, können wir noch nicht ohne Weiteres sagen“, erklärt Thomas Opel.

Deutliche Hinweise fanden die Wissenschaftler bei der Suche nach den Ursachen der Erwärmung. Hanno Meyer: „Wir sehen in unserer Kurve eine klare Zweiteilung. Bis zum Beginn der Industrialisierung um das Jahr 1850 können wir die Entwicklung auf eine sich ändernde Position der Erde zur Sonne zurückführen. Das heißt, damals haben die Dauer und Intensität der Sonneneinstrahlung von Winter zu Winter zugenommen und auf diese Weise zum Temperaturanstieg geführt. Mit dem Beginn der Industrialisierung und dem zunehmenden Ausstoß von Treibhausgasen wie Kohlendioxid aber kam dann noch der vom Menschen verursachte Treibhauseffekt hinzu. Unsere Datenkurve zeigt ab diesem Zeitpunkt einen deutlichen Anstieg, der sich wesentlich von der vorgegangenen langfristigen Erwärmung unterscheidet.“

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher nun überprüfen, ob dieselben Anzeichen für eine langfristige Winter-Erwärmung der Arktis auch in anderen Permafrostregionen der Welt zu finden sind. Thomas Opel: „Wir haben Daten aus einem Gebiet 500 Kilometer östlich des Lena-Deltas, die unsere Ergebnisse stützen. Wir wissen allerdings nicht, wie es zum Beispiel in der kanadischen Arktis aussieht. Wir vermuten, dass die Entwicklung dort ähnlich ist, belegen aber können wir diese Annahme noch nicht.“

Die Basisdaten der neuen Lena-Delta-Temperaturkurve stammen aus 42 Eisproben. Diese hatten die AWI-Wissenschaftler in mehreren Expeditionen von 13 Eiskeilen genommen, welche der Fluss bei Hochwasser freigespült hatte. „In unsere Studie sind nur jene Proben eingegangen, deren Alter wir bestimmen konnten. Diese Arbeit fällt bei Eiskeilen zum Glück leicht, denn mit dem Schmelzwasser gelangen jede Menge Pflanzenreste und anderes organisches Material in das Grundeis – und deren Alter können wir mit der Radiokarbon-Methode sehr genau bestimmen“, so Hanno Meyer.

Die Studie wurde finanziert mit Forschungsgeldern des Alfred-Wegener-Institutes sowie aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft und des Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft.

Informationen für Redaktionen

Die Studie erscheint am 26. Januar 2015 unter folgendem Titel im Online-Portal des Fachmagazins Nature Geoscience:
Hanno Meyer, Thomas Opel, Thomas Laepple, Alexander Yu Dereviagin, Kirstin Hoffmann und Martin Werner (2015): Long-term winter warming trend in the Siberian Arctic during the mid- to late Holocene, Nature Geoscience, Vol 8, DOI: 10.1038/ngeo2349 (Link: http://dx.doi.org/10.1038/ngeo2349)

Ihre wissenschaftlichen Ansprechpartner am Alfred-Wegener-Institut sind:

• Dr. Hanno Meyer (Tel: 0331 288-2115; E-Mail: Hanno.Meyer@awi.de)
• Dr. Thomas Opel (E-Mail: Thomas.Opel@awi.de)
• Dr. Thomas Laepple (0331-288- 2159 E-Mail: Thomas.Laepple@awi.de )
• Dr. Martin Werner (0471-4831-1882; E-Mail: Martin.Werner@awi.de)

In der AWI-Pressestelle steht Ihnen Sina Löschke (Tel: 0471 4831-2008; E-Mail: medien@awi.de) für Rückfragen zur Verfügung.

Das Alfred-Wegener-Institut forscht in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der mittleren und 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 18 Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.

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http://dx.doi.org/10.1038/ngeo2349