Eisendüngung kühlt Eiszeitklima

Eisen ist in einigen nährstoffreichen Ozeanen ein Mangelelement. Insbesondere im Südlichen Ozean rund um die Antarktis und in einigen Teilen des Pazifiks wären an sich genügend Nitrat und Phosphat im Wasser gelöst. Für ein ausgeprägtes Wachstum von Algen und anderem Phytoplankton fehlt heutzutage jedoch das lebenswichtige Eisen.

Das war nicht immer so. In der letzten Eiszeit erlebte der Südliche Ozean eine Algenblüte – möglicherweise dank einer verstärkten Eisenzufuhr. Mit starken Winden wurde damals permanent Staub von der Südspitze Südamerikas in dieses Meer verfrachtet.

Das im Staub vorhandene Eisen begünstigte das Algenwachstum, was der Atmosphäre Kohlendioxid entzogen haben dürfte: Die Algen bauten den Kohlenstoff in die Pflanzenmasse ein. Starben die Organismen ab, sanken sie auf den Meeresgrund, wo der Kohlenstoff schliesslich abgelagert wurde.

Umstrittene Hypothese gestützt

Diesen Mechanismus beschrieb Ende der 1980er der Ozeanograph John H. Martin in seiner «Eisenhypothese». Diese war jedoch umstritten, nicht nur wegen ihrer «praktischen» Umsetzung – einige Forscher schlugen vor, Teile des Pazifiks als Massnahme gegen den Klimawandel mit Eisen zu düngen, um der Atmosphäre CO2 zu entziehen – sondern auch, weil andere Forscher Hinweise fanden, die dafür sprachen, dass die Produktivität des Südpolarmeers während den Eiszeiten sogar kleiner als heute gewesen sein soll. Sie stützten ihre Aussagen auf der Analyse der Verhältnisse bestimmter Isotopen, die sie aus Diatomeen isolierten und bestimmten.

Einem Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich und der Princeton University mit Beteiligung weiterer Universitäten ist es nun aber gelungen, Puzzleteile zu finden, die die Eisenhypothese festigen.

In einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift «Science» erschienen ist, zeigen sie auf, dass während der letzten Eiszeit tatsächlich massiv mehr Staub und damit Eisen vom Südzipfel Südamerikas in den Südlichen Ozean verfrachtet wurde als heute.

Isotopen geben über Algenwachstum Auskunft

Um die Eisenhypothese zu überprüfen, rekonstruierte die Forschungsgruppe anhand von Sedimentbohrkernen aus dem subpolaren Südozean das eiszeitliche Algenwachstum. Darüber hinaus analysierten die Wissenschaftler auch die damit einhergehenden Veränderungen im Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf, denn diese verändern sich bei starkem Planktonwachstum markant.

Ob und wie stark diese Nährstoffe während der letzten Eiszeit durch die biologische Produktivität an der Wasseroberfläche aufbraucht wurden, konnten die Wissenschaftler anhand von Stickstoffisotopen an einzelligen Mikroorganismen, sogenannter Foraminiferen, feststellen. Diese bauen das Stickstoff-Isotopenverhältnis im Gleichgewicht mit den damaligen Umweltbedingungen in ihr Skelett ein.

Die fossilen Überreste dieser Kleinstlebewesen lassen sich aus Sedimentbohrkernen gewinnen. Für ihre Studie verwendeten die Forschenden eine neue Analysetechnik, die an der Princeton University entwickelt wurde. Diese erlaubte es, die Zusammensetzung der Stickstoffisotope in kleinsten Sedimentmengen zu bestimmen.

Die Analysen zeigten den Forschenden eindeutig, dass die eiszeitliche Zunahme des Staubeintrags und des Algenwachstums mit einem stärkeren Verbrauch von Nährstoffen zusammenhängt. «Dies spricht für die Eisenhypothese und gegen andere Erklärungsmodelle», sagt Erstautor Alfredo Martinez-García, Postdoc in der Gruppe von ETH-Professor Gerald Haug. Über zwei Jahrzehnte nach John Martins visionärer Studie hätten sie nun weitere Indizien zusammentragen können, die die Eisenhypothese stützten.

Künstliche Eisendüngung nicht machbar

Die Bestätigung der Eisenhypothese unterstreicht überdies auch den grossen Effekt einer Algenblüte auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre: Die Eisendüngung sei ein grundlegender Rückkoppelungsmechanismus, mit dem die Forschung nun erklären könne, weshalb die CO2-Konzentration der Atmosphäre während der Eiszeiten ein Minimum erreichte, sagt Martinez-García.

Diese Studie liefert auch eine neue Grundlage für die Debatte darüber, ob die CO2-Konzentration mithilfe einer künstlichen Eisendüngung von nährstoffreichen aber eisenarmen Ozeanen gesenkt und damit der Klimawandel gebremst werden kann. «Unsere Daten zeigen auf, dass eine kontinuierliche Eisendüngung von grossen Ozeangebieten eine abwegige Idee ist, um die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu senken.

Sie ist in der Eiszeit zwar natürlicherweise vorgekommen, aber in einem ganz anderen Massstab und unter anderen ozeanographischen Rahmenbedingungen», so Gerald Haug. «Diesen Vorgang künstlich nachzustellen, ist allerdings weder technisch machbar noch sinnvoll, da er enorme Risiken für das ökologische Gleichgewicht der Ozeane birgt und rein quantitativ keine Lösung für das menschgemachte CO2-Problem darstellt.»

Im Laufe der letzten Eiszeit sank die CO2-Konzentration in der Atmosphäre dank natürlicher Eisendüngung im Laufe von Jahrhunderten um 40 ppm (parts per million). Zurzeit steigt die CO2-Konzentration menschgemacht allerdings viel schneller: um zwei ppm pro Jahr. Der Effekt einer künstlichen Eisendüngung würde demnach nicht lange anhalten. Selbst wenn man eine Fläche im subpolaren Südozean von der dreifachen Grösse der USA mit dem Spurenelement düngen würde, würde man die Klimaerwärmung lediglich um maximal 20 Jahre verzögern. Tatsächlich wäre der Effekt aufgrund einer heute grundlegend andersartigen Ozeanzirkulation im polaren Südozean deutlich geringer als während der letzten Eiszeit.

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2014/03/eisendueng…