Ein Thermometer für den Ozean

4. Januar 2018

Die Durchschnittstemperatur des Meeres ist ein wesentlicher Parameter des globalen Klimas – der allerdings nur sehr schwer zu messen ist. Zumindest bis jetzt, denn ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des OCCR hat nun eine entsprechende Methode entwickelt, und zwar mittels Edelgasen im ewigen Eis. Damit lassen sich Rückschlüsse auf die Veränderungen in der Meerestemperatur von der letzten Eiszeit bis heute ziehen.

Das ewige Eis als Zeitzeuge

Die Weltmeere sind der grösste globale Wärmespeicher. Wegen der vom Menschen verursachten Erderwärmung steigt die Temperatur im gesamten Klimasystem; rund 90 Prozent der Extra-Wärme wird von den Ozeanen aufgenommen. Das bedeutet, dass die durchschnittliche Temperatur des Meeres einiges aussagen kann über den Zustand unseres Klimas, sowohl heute als auch in der Vergangenheit. Allerdings ist es schwierig, einen genauen Durchschnittswert über alle Meerestiefen und Weltregionen hinweg zu bestimmen. Meist hängen die Resultate bisheriger Messmethoden stark von Ort, Jahreszeit oder Meerestiefe ab, was zu verzerrten Ergebnissen führen kann.

Im Rahmen des «WAIS Divide Ice Core Project» gelang es einem internationalen Forschungsteam um Bernhard Bereiter von der «Scripps Institution of Oceanography» – der nun am OCCR und an der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) tätig ist –, eine Messmethode zu entwickeln, die es ermöglicht, die Ozeantemperatur der letzten 24’000 Jahre mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Diese Messungen wurden nun in «Nature» publiziert. «Unsere Studie zeigt erstmals ganz klar, dass die Grundidee – die Verbindung zwischen der Konzentration von Edelgasen in der Atmosphäre und der durchschnittlichen Ozeantemperatur – stimmt und die Methode funktioniert», so Bereiter.

Grundlage der Arbeit bilden Eisbohrkerne aus der Antarktis. Die Schichten des ewigen Eises bilden ein Archiv der Atmosphäre, in dem nicht nur Staubpartikel und  Feststoffe, sondern auch Luft eingeschlossen ist. In diesen Luftbläschen kann man die Konzentration verschiedener Gase bestimmen. Dabei spielen für einmal nicht die üblichen Verdächtigen wie die Klimagase Methan und Kohlendioxid eine Rolle, sondern die Edelgase Krypton, Xenon und Argon, wie Bereiter ausführt. Das Prinzip lässt sich wie folgt erklären: Abkühlendes Wasser nimmt Edelgase aus der Atmosphäre auf, wohingegen warm werdendes Wasser Edelgase an die Atmosphäre abgibt. Die Konzentration der Edelgase in der Atmosphäre lässt also Rückschlüsse auf die durchschnittliche globale Temperatur des Meeres zu – nicht auf die wärmere Meeresoberfläche, sondern auf die über die gesamte Wassermasse bis zum Meeresgrund gemittelte Temperatur.

Ein Blick in die Vergangenheit

Die Bohrkerne aus dem antarktischen Eis sind Zeugen längst vergangener Epochen und im Falle des Projekts bis zu 24’000 Jahre alt. In dieser Zeitspanne fand der Übergang von der letzten Eiszeit zur aktuellen Warmzeit statt. Das spiegelt sich auch in den Resultaten aus den Bohrkernen wieder: Die Forschenden stellten einen deutlichen Anstieg der mittleren Ozeantemperaturen fest; insgesamt erwärmte sich der Ozean über einen Zeitraum von 10’000 Jahren um 2.6 Grad. Bei der Auswertung der Daten erkannte Bereiter, dass der Anstieg der durchschnittlichen globalen Meerestemperatur stark mit der Lufttemperatur in der Antarktis zusammenhängt, was den Einfluss der südlichen Hemisphäre auf das globale Klima unterstreicht.

Bislang liefert diese Art der Temperaturmessung nur Werte für sehr grosse Veränderungen wie der untersuchte Übergang von einer Eiszeit zu einer Warmzeit. Prinzipiell liesse sich die Methode aber auch auf aktuelle Veränderungen anwenden. Diese sind jedoch im Vergleich zu den untersuchten Temperaturveränderungen in der Vergangenheit (noch) relativ klein, weshalb man deutlich genauere Methoden bräuchte, als sie aktuell zur Verfügung stehen, so Bereiter.

«WAIS Divide Ice Core Project»

Eisbohrkerne sind unsere einzige Quelle für Proben aus der Paläoatmosphäre und daher für die Paläoklimaforschung extrem wertvoll, weil sie Umweltparameter erfassen, die auf räumlichen Skalen von einzelnen Schneeflocken bis zur gesamten Erdatmosphäre und auf Zeitskalen von Stunden bis zu Hunderten von Jahrtausenden reichen. Sie halten zahlreiche Aspekte des Klimasystems in einem einzelnen, zeitlich hochaufgelösten Archiv fest. Ziel des US-amerikanischen «WAIS (West Antarctic Ice Sheet) Divide Ice Core Project» ist es, das Klima von der letzten Eiszeit bis heute zu untersuchen, und zwar mit grösserer Zeitauflösung und Datierungsgenauigkeit, als dies frühere Eisbohrkerne aus der Antarktis zuliessen. Dies gilt insbesondere für die Aufzeichnung von atmosphärischen Gasen, Wasserisotopen und Chemie.

(Quelle: Empa)

Bernhard Bereiter, Sarah Shackleton, Daniel Baggenstos, Kenji Kawamura & Jeff Severinghaus. Mean global ocean temperatures during the last glacial transition, Nature 553, 39–44, DOI:10.1038/nature25152