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Kernbohrung durch den grönländischen Eisschild

Bei der bisher tiefsten Kernbohrung in Eis wurde letzten Sommer in Grönland das Felsbett erreicht. Der gewonnene, insgesamt mehr als 3000 Meter lange Bohrkern verspricht Aufschluß über Klima un Zusammensetzung der Atmosphäre bis zurück zur vorletzten Eiszeit.


Die Kenntnis der weltweiten Klimaschwankungen und ihrer Mechanismen ist eine Voraussetzung für verläßliche Prognosen darüber, wie eine Verstärkung des atmosphärischen Treibhauseffektes die Lebensverhältnisse auf unserem Planeten beeinflussen wird. Daher wurde das europäische Greenland Icecore Project (GRIP) ins Leben gerufen mit dem Ziel, den grönländischen Eisschild dort zu durchbohren, wo er am mächtigsten ist, und durch die Analyse der Bohrkerne die Klima- und Umweltgeschichte der letzten 200000 Jahre zu rekonstruieren. An dem zwölf Millionen Mark teuren Unternehmen, das von der European Science Foundation (ESF) koordiniert wird, beteiligen sich acht Nationen: Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, lsland, Italien und die Schweiz.

Die Bohrung

Die Feldarbeiten begannen im Sommer 1989 mit der Errichtung der Station Summit im Zentrum des grönländischen Eisschildes (Bild 1). Die Bohrhalle und die Labors für erste Messungen vor Ort wurden in die mächtige Schneedecke gefräst und mit sieben Meter hohen Kuppeln überdacht. Für die Kernbohrung diente ein eigens entwickelter 11,50 Meter langer elektromechanischer Bohrer. Er wurde jeweils an einem Stahlkabel ins Bohrloch gelassen, wo er einen Kern von zehn Zentimetern Durchmesser und rund 2,30 Metern Länge erbohrte. Danach mußte er wieder hochgezogen, geleert und für den nächsten Bohrabschnitt vorbereitet werden. Für die Entnahme des Bohrkerns ließen sich Bohrturm und Bohrer in die Waagerechte kippen (Bild 2). Damit die Eiskerne konserviert blieben, herrschte in der Bohrhalle und den Meßlabors eine Temperatur von -15 Grad Celsius.

Gearbeitet wurde an der Bohrung jeweils nur in den Sommermonaten, wenn die Lufttemperaturen in Zentralgrönland mit -20 bis -30 Grad Celsius vergleichsweise erträglich sind und die Winde nur selten mit Geschwindigkeiten von mehr als 50 Kilometern pro Stunde über die arktische Eiswüste fegen. Um diese Zeit maximal zu nutzen, war die Mannschaft in drei Schichten rund um die Uhr tätig. Pro Tag wurden so etwa 30 Meter gebohrt. Im Sommer 1990 erreichte die Bohrung 769 und im zweiten Sommer 2321 Meter Tiefe. Am 12. Juli des vergangenen Jahres schließlich stieß sie 3028,80 Meter unter dem Eisspiegel auf das Felsbett. Das Alter des an der Sohle gewonnenen Eises beträgt schätzungsweise 200 000 bis 250 000 Jahre.

Die 1300 Eisstangen des gesamten Bohrkerns lagern nun im Geophysikalischen Institut der Universität Kopenhagen. Verschiedene europäische Laboratorien sind dabei, die Proben zu analysieren und aus den Ergebnissen die Klimageschichte während der letzten beiden Vereisungszyklen möglichst detailliert und zuverlässig zu erschließen. Dies wird mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Die im Feld durchgeführten Messungen und erste LaboruntersuE chungen geben allerdings bereits eine Vorahnung davon, was der bisher längste Eiskern an Informationen über das Klima und die Umwelt birgt.

Erste Erkenntnisse

Rückschlüsse auf die mittlere Jahrestemperatur lassen sich aus den Mengenverhältnissen der stabilen Isotope jener beiden chemischen Elemente ziehen, aus denen Wasser besteht. Sauerstoff-18 zu Sauerstoff-16 und Deuterium zu Wasserstoff. Je mehr die schweren Isotope im Vergleich zum Meerwasser abgereichert sind, desto kälter war es zur Zeit des jeweiligen Schneefalls. Inzwischen sind die Verhältnisse der stabilen Isotope bis zu der im Sommer 1991 erreichten Tiefe bestimmt und ausgewertet worden; der entsprechende Abschnitt repräsentiert die Klimageschichte der letzten rund 40 000 Jahre, in die insbesondere auch der Übergang von der letzten Eiszeit zur Nacheiszeit fällt.

Dieser Übergang verlief in Grönland alles andere als gleichmäßig (siehe "Ursachen der Vereisungszyklen" von Wallace S. Broecker und George H. Denton, Spektrum der Wissenschaft, März 1990, Seite 88). Nachdem vor ungefahr 16 000 Jahren eine leichte Erwärmung eingesetzt hatte, stieg vor 14500 Jahren die mittlere Jahrestemperatur innerhalb von nur etwa zwei Jahrzehnten um rund fünf Grad Celsius an. Nach 2000 milden Jahren wurde das Klima dann ebenso plötzlich für ein Jahrtausend noch einmal eiszeitlich kalt. Erst 11500 Jahre vor der Gegenwart ging die Erde in einem wiederum sehr raschen Temperaturanstieg endgültig in die heute noch andauernde Warmphase über.

Dieser Temperaturverlauf war schon an zwei früheren Bohrkernen von Camp Century im Norden Grönlands und von der Station Dye 3 im Süden der Insel gemessen worden. Außerdem stimmt er mit den Ergebnissen von Untersuchungen an Seesedimenten und Torfmooren in Europa überein.

Allerdings liefert der Eisbohrkern von Summit nicht bloß eine Bestätigung der früheren Befunde, sondern erlaubt wesentlich detailliertere Aussagen. Bei den Bohrkernen von Camp Century und Dye 3 stammt das ganze Eis der letzten Eiszeit aus den untersten 250 Metern über dem Felsbett, wo die Schichten bereits stark zusammengedrückt sind und nicht ausgeschlossen werden kann, daß ihre Abfolge durch den nahen Gesteinsuntergrund gestört ist. Bei der mehr als 3000 Meter tiefen Bohrung von Summit liegt der Übergang zur Nacheiszeit dagegen noch 1400 Meter über dem Felsbett, und die Dicke einer Jahresschicht beträgt mehr als fünf Zentimeter. Damit läßt sich dieser wichtige Temperaturanstieg, der in der gleichen Größenordnung liegt wie der im nächsten Jahrhundert zu erwartende, viel genauer untersuchen.

Die grönländischen Eiskerne geben aber auch Auskunft über die Zusammensetzung der Atmosphäre in der Vergangenheit; denn die Blasen von sehr kaltem Eis enthalten annähernd unveränderte Luftproben aus der Zeit der Eisbildung. Wir wissen bereits von früheren Bohrungen, daß die Konzentrationen der drei wichtigsten Treibhausgase – Kohlendioxid, Methan und Distickstoffmonoxid – beim Übergang von der letzten Eiszeit zur Nacheiszeit angestiegen sind, was auf die enge Kopplung zwischen globaler Temperatur und Konzentration der Treibhausgase hinweist. Offen ist aber die Frage, ob der Konzentrationsanstieg selbst der auslösende Faktor war oder ob er durch eine erste Temperaturerhöhung verursacht wurde und diese dann nur verstärkte. Hier wird der Eiskern von Summit Klärung bringen. Da die Gasanalysen zeitaufwendig sind, ist mit den Ergebnissen freilich erst in einigen Monaten zu rechnen.

Eine Besonderheit von GRIP waren die zahlreichen Analysen bereits am Ort der Bohrung. Insbesondere hat man entlang des gesamten Bohrkerns kontinuierlich elektrische Eigenschaften, die Staubkonzentration sowie die Konzentrationen von Wasserstoffperoxid, Formaldehyd, Ammonium, Calcium und Nitrat mit hoher örtlicher Auflösung gemessen; diese Stoffe wurden ausgewählt, weil es für sie feldtaugliche Meßmethoden gibt und weil bei einigen von ihnen (Ammonium, Wasserstoffperoxid und Formaldehyd) Veränderungen während der Lagerung zu befürchten sind. Etliche dieser Meßgrößen zeigen ausgeprägte saisonale Schwankungen, anhand derer sich Jahresschichten identifizieren und abzählen lassen.

Für eine Überraschung sorgten die erstmals durchgeführten Ammoniummessungen. Sie ergaben in Abständen von einigen Jahrzehnten im Sommer jeweils Spitzenwerte, welche die normalen Konzentrationen um mehr als das Zwanzigfache übersteigen. Die Ergebnisse von Messungen verschiedener organischer Säuren in den entsprechenden Eisabschnitten lassen darauf schließen, daß diese Maxima von großen Wald- oder Steppenbränden herrühren.

Ein tieferer Teil des Bohrkernes repräsentiert die letzte Zwischeneiszeit, die vor ungefähr 115000 bis 130000 Jahren herrschte. Für diesen Teil liegen erst die Resultate der Feldmessungen und noch sehr wenig Labordaten vor, und es wäre zu früh, eine Interpretation zu versuchen. Immerhin läßt sich jetzt schon sagen, daß der Bohrkern über diese Warmzeit, die rund zwei Grad wärmer als die heutige war, sehr interessante Geheimnisse preisgeben wird. Es hat den Anschein, als seien die vergangenen 10000 Jahre, in denen der Mensch seßhaft wurde und seine Zivilisation entwickelte, die ruhigste und günstigste Klimaperiode während der vergangenen 200000 Jahre gewesen. Wir haben also allen Grund, Sorge zu tragen, daß unser Klimasystem nicht aus dem Gleichgewicht gerät.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1993, Seite 19
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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