Evolution der mächtigsten Ozeanströmung der Erde
Der Antarktische Zirkumpolarstrom spielt eine wichtige Rolle für die
globale Umwälzzirkulation, den Wärme- und CO2-Austausch zwischen Ozean und
Atmosphäre und die Stabilität der antarktischen Eismassen. Ein
Forschungsteam unter Leitung des AWI hat nun an Klimaarchiven in
Sedimenten aus dem Südpazifik die Fließgeschwindigkeit in den letzten 5,3
Millionen Jahren rekonstruiert. Ihre jetzt in Nature publizierten Daten
zeigen: in Kaltzeiten verlor die Strömung an Schwung, in Warmzeiten wurde
sie schneller. Sollte sie durch die gegenwärtige Erderwärmung also künftig
an Kraft gewinnen, könnte der Südliche Ozean weniger CO2 speichern und
mehr Wärme die Antarktis erreichen.
Er befördert mehr als 100-mal so viel Wasser wie alle Flüsse der Erde
zusammen, ist bis zu 2000 Kilometer breit und reicht bis in die Tiefsee
hinab: der Antarktische Zirkumpolarstrom (engl. Antarctic Circumpolar
Current, ACC). In der Vergangenheit unterlag dieses mächtigste
Strömungssystem der Erde erheblichen natürlichen Schwankungen, wie
aktuelle Untersuchungen an Sedimentbohrkernen offenbaren. Kältere Phasen
im Pliozän und im darauffolgenden Pleistozän, in denen der ACC langsamer
wurde, korrelieren dabei mit dem Vormarsch des Westantarktischen
Eisschilds. In wärmeren Phasen beschleunigte er sich, und der Rückzug der
Eismassen folgte. „Erklären lässt sich der Eisrückgang durch einen
erhöhten Wärmetransport nach Süden“, sagt Dr. Frank Lamy, Forscher in der
Sektion Marine Geologie am Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für
Polar- und Meeresforschung (AWI) und Erstautor der Nature-Studie. „Ein
stärkerer ACC sorgt dafür, dass mehr warmes Tiefenwasser an die
Schelfeiskante der Antarktis gelangt.“
„Der ACC hat einen großen Einfluss auf die Wärmeverteilung und die
CO2-Speicherung im Ozean. Unklar war aber bislang, wie der ACC auf
Klimaschwankungen reagiert und ob Veränderungen des ACC die Folgen der
Erwärmung bremsen oder noch verstärken“, sagt Frank Lamy. „Für bessere
Vorhersagen des zukünftigen Klimas und der Stabilität des Antarktischen
Eisschilds anhand von Computermodellen benötigen wir daher Paläodaten, die
uns etwas über die Stärke des ACC in früheren Warmphasen der Erdgeschichte
verraten.“
Um an diese Daten zu gelangen, fuhr 2019 eine internationale Expedition
geleitet von Frank Lamy und der Geochemikerin Prof. Gisela Winckler vom
Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University (USA) mit dem
Bohrschiff JOIDES Resolution in den zentralen Südpazifik. Dort, in der
Subantarktis, konnte das Forschungsteam aus dem Meeresboden in 3600 Meter
Wassertiefe zwei lange Bohrproben gewinnen, die jeweils aus mehreren
Sedimentkernen bestehen. „Die Bohrstellen liegen in der Nähe von Point
Nemo, dem am weitesten von Landmassen oder Inseln entfernten Ort der Erde,
wo der ACC unbeeinflusst von kontinentalen Landmassen strömt“, sagt Prof.
Helge Arz, Meeresgeologe am Leibniz-Institut für Ostseeforschung
Warnemünde und einer der Hauptautoren der Studie. „An den
Sedimentablagerungen in dieser Region lässt sich seine mittlere
Fließgeschwindigkeit in der Vergangenheit rekonstruieren.“
Die 145 und 213 Meter tiefen Bohrungen im Südpazifik waren Teil des
International Ocean Discovery Program (IODP), das die Erdgeschichte anhand
von geochemischen Spuren in marinen Sedimenten und Gesteinen unter dem
Meeresboden entschlüsselt. Ihnen waren umfangreiche Erkundungsarbeiten auf
mehreren Expeditionen mit dem Forschungsschiff Polarstern vorausgegangen.
Die Sedimente der Bohrkerne reichen 5,3 Millionen Jahre zurück und
umfassen drei vollständige Epochen:
• das Pliozän, in dem es bis zu drei Grad wärmer war als heute und
die CO2-Konzentration in der Atmosphäre mit über 400 ppm ähnlich hohe
Werte erreichte wie aktuell;
• das Pleistozän, das vor 2,6 Millionen Jahren begann und von
wechselnden Eiszeiten (Glaziale) und Warmzeiten (Interglaziale) geprägt
war
• und das Holozän, eine Warmzeit, die mit dem Ende der letzten
Eiszeit vor etwa 12.000 Jahren einsetzte und bis heute andauert.
Entlang der verschiedenen Zeitaltern zugeordneten Schichten in den
Bohrkernen analysierten die Forschenden die Größenverteilung von
Sedimentpartikeln, die sich in Abhängigkeit von der
Strömungsgeschwindigkeit am Meeresboden absetzen. Auf diese Weise konnten
sie die Evolution des ACC seit dem frühen Pliozän bestimmen, als eine
langfristige Abkühlung des Klimas einsetzte. Zusätzliche Hinweise zur
Dynamik des ACC in der jüngeren Erdgeschichte lieferten Sedimentkerne von
früheren Reisen mit der Polarstern im Südpazifik.
Ihre Ergebnisse zeigen, dass der ACC im Pliozän bis vor drei Millionen
Jahren zunächst schneller wurde, während die Erde langsam abkühlte.
Ursache dafür war ein wachsendes Temperaturgefälle vom Äquator zur
Antarktis, das für stärkere Westwinde sorgte - den Hauptantreiber des ACC.
Trotz anhaltender Abkühlung verlor er danach an Kraft. „Die Trendumkehr
fällt mit einer Zeit zusammen, in der sich das Klima und die Zirkulation
in der Atmosphäre und im Ozean stark veränderten“, sagt Frank Lamy. „Vor
2,7 Millionen Jahren, am Ende des Pliozäns, vereiste die Nordhalbkugel
großflächig und die Eisschilde der Antarktis dehnten sich aus. Grund waren
durch tektonische Prozesse ausgelöste Veränderungen in den
Meeresströmungen im Zusammenspiel mit langfristiger Meeresabkühlung und
sinkenden atmosphärischen CO2 Gehalten.“
Für die vergangenen knapp 800.000 Jahre, in denen der CO2-Gehalt in der
Atmosphäre zwischen 170 und 300 ppm schwankte, konnten die Forschenden an
den Sedimentbohrkernen einen engen Zusammenhang zwischen der Stärke des
ACC und den glazialen Zyklen nachweisen: In Warmzeiten, in denen der
CO2-Gehalt der Atmosphäre anstieg, nahm die Fließgeschwindigkeit um bis zu
80 Prozent gegenüber heute zu, in Eiszeiten um bis zu 50 Prozent ab.
Gleichzeitig verlagerte sich der ACC und somit der Auftrieb von
nährstoffreichem Tiefenwasser im Südlichen Ozean im Wechsel von Warm- und
Eiszeiten, wie geochemische Sedimentanalysen ergaben. Sie zeigen, dass
sich die Silikatschalen von Kieselalgen - dem wichtigsten Phytoplankton im
Südozean -, in Eiszeiten weiter nördlich am Meeresgrund ablagerten als in
Warmzeiten.
„Ein schwächelnder ACC und ein geringer CO2-Gehalt der Atmosphäre während
der Eiszeiten des Pleistozäns deutet auf einen schwächeren Auftrieb und
eine stärkere Schichtung des Südlichen Ozeans, sprich, eine größere
CO2-Speicherung hin“, sagt Gisela Winckler. Durch den menschengemachten
Klimawandel, so das Fazit der Studie, könnte der ACC zukünftig an Kraft
gewinnen. Folglich könnte sich die CO2-Bilanz des Südlichen Ozeans
verschlechtern und das Eis der Antarktis schneller schmelzen.
Hintergrund: der Antarktische Zirkumpolarstrom
Als Ringstrom, der im Uhrzeigersinn um die Antarktis fließt, verbindet der
Antarktische Zirkumpolarstrom (ACC) den Atlantik, Pazifik und Indischen
Ozean. Damit besitzt er eine Schlüsselfunktion für die weltweite
Meereszirkulation und beeinflusst über das atlantische Förderband
letztlich auch das Klima in Europa. Sein Motor sind die stürmischen
Westwinde der Subantarktis sowie Unterschiede in Temperatur und Salzgehalt
zwischen Subtropen und Südlichem Ozean. Der ACC bildet eine Barriere für
das warme Oberflächenwasser der Subtropen auf dem Weg in die Antarktis.
Gleichzeitig wird er durch vergleichsweise warmes Tiefenwasser aus dem
Atlantik und Pazifik gespeist. Große Meereswirbel, die im ACC entstehen
und nach Süden wandern, sowie der Auftrieb von Tiefenwasser transportieren
die Wärme zu den Schelfeisen am Kontinentalrand, besonders im pazifischen
Sektor der Antarktis. Der vom ACC verursachte Auftrieb bringt zudem
Nährstoffe an die Oberfläche, die das Algenwachstum ankurbeln und somit
den biologischen Kohlenstoffexport in die Tiefsee verstärken - aber auch
CO2 transportiert, das in die Atmosphäre entweicht.
