Super-Warmzeiten: Hitzeschocks ließen Arktis schwitzen

Mehrmals in den vergangenen 2,8 Millionen Jahren hat sich die Arktis in bisher ungeahnter Weise aufgeheizt. In Bohrkernen aus einem sibirischen See haben Forscher die Spuren der "Super-Warmzeiten" nachgewiesen. Ähnlich extremes Klima könnte bald wieder drohen.

Neun Monate im Jahr versteckt sich der einsame See mit dem - zumindest für uns - ziemlich unaussprechlichen Namen unter einer Eisdecke. Der Elgygytgyn im Nordosten Sibiriens liegt etwa hundert Kilometer nördlich des Polarkreises in der arktischen Einsamkeit der Tschuktschen-Halbinsel. Der Sprache der lokalen Bewohner verdankt das frostige Gewässer auch seinen Namen: Weißer See.

Ein Meteorit krachte hier vor knapp 3,6 Millionen Jahren ins Vulkangestein; das entstandene Loch füllte sich schnell mit Wasser. Im Laufe der Jahrmillionen setzten sich dann dicke Sedimentpakete am Grund des Kraters ab. Mit ihrer Hilfe können Forscher zurück in die Klimageschichte der Erde blicken. Ein Team um Martin Melles von der Universität Köln berichtet nun im Fachmagazin "Science"  von bisher unbekannten extremen Warmzeiten in der Arktis, die sich in den Bohrkernen vom Grund des Elgygytgyn nachweisen lassen.

Die Forscher hatten die Sedimentschichten bereits im Winter 2008/2009 angebohrt; bis jetzt dauerte die Analyse. In einem 135,2 Meter langen Kernabschnitt finden sich Informationen zum Klima der vergangenen 2,8 Millionen Jahre. Der See gilt als einmaliges Archiv, weil das Gebiet in seiner Umgebung während der letzten Eiszeiten nicht unter dicken Gletschern begraben war. Die endlose Abfolge der Sedimentlagen blieb also lückenlos und weitgehend ungestört.

"Die Arktis ist, was die geologische Geschichte angeht, bisher ein ziemlich weißer Fleck", sagt Forscher Melles. Die sibirischen Messdaten schließen eine wichtige Lücke: Das Klima der vergangenen 120.000 Jahre ist durch Bohrkerne vom grönländischen Inlandeis gut dokumentiert, die bis zu 50 Millionen Jahre entfernte - teils tropische - Vergangenheit durch einen Bohrkern vom Lomonossow-Rücken am Boden des Arktischen Ozeans. Doch dazwischen fehlten den Forschern wichtige Informationen.

Die Proben aus dem Elgygytgyn zeigen den regelmäßigen Wechsel von Warm- und Kaltzeiten in der Arktis - dank Veränderungen der Erdbahn, schwankenden Treibhausgaskonzentrationen und wechselnder Sonnenaktivität. Doch aus dem zyklischen Hin und Her von Temperaturen und Niederschlägen stechen einige Extremereignisse heraus: Die Wissenschaftler haben zwei "normale" Warmzeiten - die aktuelle, seit 12.000 Jahren andauernde und eine weitere vor 125.000 Jahren - mit diesen sogenannten Super-Warmzeiten verglichen. Solche Episoden ereigneten sich zum Beispiel vor 400.000 und vor einer Million Jahren. Im Bohrkern sind in dieser Zeit charakteristische rot-braune Sedimentschichten erkennbar, die sonst nicht auftreten.

Um die Datierung der Ablagerungen haben sich Forscher des Deutschen Geoforschungszentrums (GFZ) in Potsdam entscheidend gekümmert. Sie nutzten den Umstand, dass sich das Erdmagnetfeld in den letzten Jahrmillionen mehrfach umgepolt hat. Die Minerale in den verschiedenen Sedimentlagen verfügen damit über verschiedene magnetische Eigenschaften.

Nadelbäume grünten am sibirischen See - und Grönland war eisfrei

Während der Super-Warmzeiten lagen die Höchsttemperaturen vier bis fünf Grad über den sonstigen Maxima - also insgesamt bei etwa 13 Grad. Außerdem fielen pro Jahr etwa 600 Liter Regen pro Quadratmeter, etwa doppelt so viel wie normal. "Für die Klimatologie sind das Welten", beschreibt Melles die Unterschiede. Rund um den Elgygytgyn, wo heute in der Tundra kaum etwas wächst, grünten damals die Nadelbäume der Taiga. In diesen Zeiten, so die Forscher, dürften auch große Teile des grönländischen Eispanzers verschwunden sein.

Schuld an den Super-Warmzeiten sind nach Ansicht der Wissenschaftler Ereignisse, die Tausende Kilometer weit entfernt stattfanden - in der Antarktis. "Man sieht eine deutliche Übereinstimmung der Super-Warmzeiten in der Arktis mit dem Verschwinden des Westantarktischen Eisschildes", sagt Melles. Informationen zum Rückzug dieses massiven Panzers haben Forscher mit den Bohrkernen der "Andrill"-Bohrung in der Antarktis gewonnen. Deren Auswertung hatte vor drei Jahren die Erkenntnis gebracht, dass die Westantarktis in Warmzeiten eisfrei war.

Doch wie soll die Südpolregion das Klima in der Arktis beeinflussen? Die Forscher schlagen dafür zwei Mechanismen vor:

• Mit dem Westantarktischen Eisschild verschwanden zeitweise auch die riesigen, an ihn anschließenden Eisschelfe. Die sind aber nötig, damit wie derzeit große Mengen kalten Bodenwassers aus dem Südozean nach Norden in den Atlantik und den Pazifik strömen. Fehlt der kühle Strom, erwärmt sich unter anderem der nördliche Pazifik. Dadurch werden wiederum die umliegenden Landflächen aufgeheizt - und die Temperaturen steigen. Für dieses Szenario gibt es nach Ansicht der Forscher gleich mehrere Belege in Sedimentkernen aus den Meeren vor Neuseeland und Kamtschatka.
• Die große Schmelze tief im Süden ließ die Meeresspiegel steigen - nach Melles' Ansicht um mindestens fünf Meter. Dadurch könnte sich der Wasserdurchsatz in der aktuell sehr flachen Beringstraße vergrößert haben. Auf diese Weise wären größere Mengen warmen Wassers in den Arktischen Ozean gelangt. Für dieses Szenario gibt es keine direkten Beweise - auch wenn es den Wissenschaftlern plausibel erscheint.

Die Erkenntnisse aus dem Elgygytgyn bergen einigen Zündstoff. Denn aktuelle Prognosen warnen davor, dass dem Eis in der Südpolregion aktuell wieder eine massive Schmelze droht . Und das brächte wohl auch einschneidende Veränderungen im Hohen Norden. "Das ist zwar ein Prozess, der sich über Jahrhunderte zieht - aber durchaus in Zeiträumen abläuft, die für uns Menschen interessant sind", sagt Forscher Melles.

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