News: Umwälzen ist uncool
Veränderungen der Meeresströmungen, Schwankungen in der Sonneneinstrahlung, unterschiedlich verteilte Landmassen, Kohlendioxidkonzentrationen, vieles wird aufgezählt, warum unser Planet in nicht allzu ferner Vergangenheit so manch eisige Phase erlebte. Doch vielleicht war alles viel einfacher.
© (Ausschnitt)
Vor knapp drei Millionen Jahren wurde es wieder einmal frisch auf Erden: Die – bisher – letzten Eiszeiten warfen ihren kalten Schatten voraus. Auch die polaren Meeresregionen spürten das sinkende Thermometer, wie die Klimaarchive der Sedimente deutlich zeigen – in den hohen Breiten beider Halbkugeln gehen die Ablagerungen von Kieselalgenschalen, den einzigen Überresten der verbreiteten Planktonorganismen, deutlich zurück.
Die Erklärungen für das Phänomen sind allerdings unterschiedlich für Nord und Süd: Während in der Antarktis vor allem eine ausgedehnte Eisbedeckung den kleinen Meeresbewohnern das Leben schwer gemacht haben soll, wird für den Nordpazifik eine stabile Schichtung des Wasserkörpers angenommen, welche die Nährstoffversorgung aus der Tiefe unterbunden habe und die Kieselalgen verhungern ließ.
Verblüffend bleibt aber, dass zwei zeitlich und in der Art ähnliche Phänomene unterschiedliche Erklärungen benötigen. Und liegen Daniel Sigman von der Princeton University und seine Kollegen richtig, dann ist das auch gar nicht der Fall, sondern ein Modell reicht für beide Pole.
Dazu ist ein etwas gründlicherer Blick auf die Faktoren nötig, die zur Schichtung der Wassermassen im Meer führen. Denn hier halten sich zwei Konkurrenten die Waage: die Temperatur und die Salinität, also der Salzgehalt. Warmes Wasser weist eine geringere Dichte auf als kaltes, weshalb es in den Ozeanregionen Richtung Äquator eine temperaturbedingte "Sprungschicht" gibt, in der innerhalb von wenigen hundert Metern die Temperatur um etliche Grad abfällt. Diese Grenze ist sehr stabil und verhindert, dass sich Oberflächen- und Tiefenwasser vermischen – deshalb gelangen auch Nährstoffe nur in Auftriebsregionen wie vor der peruanischen Küste nach oben.
In den polaren Regionen aber sind die Dichteunterschiede nicht so scharf ausgeprägt – denn das ist temperaturabhängig: Der Dichtegradient zwischen 22 und 25 Grad Celsius ist weitaus größer als der zwischen 2 und 5 Grad Celsius. Hier kommt nun vor allem der zweite Faktor zum Tragen: die Salinität. Sie wird in den oberen Schichten durch die Balance aus Verdunstung und Niederschlag oder auch dem Schmelzen oder Gefrieren von Meereis reguliert und kann, wenn sie dort niedrig genug ist, ebenfalls zu einer stabilen Schichtung führen, die den Austausch mit der Tiefe verhindert – das allerdings ist heute nur noch im Nordpazifik zu beobachten, alle anderen Polarmeere zeigen höchsten jahreszeitliche Schichtungen.
Sigman und seine Kollegen gehen nun davon aus, dass vor 2,7 Millionen Jahren die Polarmeere noch so warm waren, dass die winterliche Abkühlung der Oberflächenwässer eventuelle Salinitätsunterschiede übertrumpft und eine Durchmischung mit der Bildung von relativ warmem Tiefenwasser ermöglicht hätten. Die Temperatur spielte hier also die entscheidende Rolle. Als nun aber die Erde in eisige Zeiten zu schlittern begann und sich die Meere abkühlten, gingen die dadurch bedingten Dichteunterschiede zurück, der Gradient wurde schwächer und der Einfluss der Salinität triumphierte: Eine Schichtung entstand. Gleichzeitig wurde damit auch ein positiver Rückkopplungsmechanismus in Gang gesetzt: Durch Niederschläge hätte sich das Oberflächenwasser immer weiter "versüßt" und damit den stabilen, durchmischungsfeindlichen Stockwerksbau noch weiter gefördert.
Für eine weitere mögliche Folge des Modells kommt nun auch noch der Nährstoffkreislauf ins Spiel: Kohlenstoff, in den Tiefen freigesetzt aus den organischen Überresten einstigen Lebens, wäre nun nicht mehr mit dem Wasserfahrstuhl Durchmischung an die Oberfläche gelangt, sondern in der Tiefe festgehalten worden. Die Schichtung hätte damit auch die Freisetzung von Kohlendioxid gehemmt, weithin bekannt als Treibhausgas. Weniger CO2 bedeutet Abkühlung und damit einen weiteren Schubs auf der Temperaturrutsche in Richtung Eiszeit.
Wie Roger Francois von der Woods Hole Oceanographic Institution kommentiert, bieten sie damit "einen elegant einfachen Mechanismus, der sehr gut einige der großen Klimaveränderungen der geologischen Vergangenheit erklären könnte." Es sei doch erfrischend zu sehen, dass es selbst im komplexen Geschehen der Paläoklimatologie noch solche simplen Kernmechanismen gibt, die nur darauf warten, entdeckt zu werden.
Die Erklärungen für das Phänomen sind allerdings unterschiedlich für Nord und Süd: Während in der Antarktis vor allem eine ausgedehnte Eisbedeckung den kleinen Meeresbewohnern das Leben schwer gemacht haben soll, wird für den Nordpazifik eine stabile Schichtung des Wasserkörpers angenommen, welche die Nährstoffversorgung aus der Tiefe unterbunden habe und die Kieselalgen verhungern ließ.
Verblüffend bleibt aber, dass zwei zeitlich und in der Art ähnliche Phänomene unterschiedliche Erklärungen benötigen. Und liegen Daniel Sigman von der Princeton University und seine Kollegen richtig, dann ist das auch gar nicht der Fall, sondern ein Modell reicht für beide Pole.
Dazu ist ein etwas gründlicherer Blick auf die Faktoren nötig, die zur Schichtung der Wassermassen im Meer führen. Denn hier halten sich zwei Konkurrenten die Waage: die Temperatur und die Salinität, also der Salzgehalt. Warmes Wasser weist eine geringere Dichte auf als kaltes, weshalb es in den Ozeanregionen Richtung Äquator eine temperaturbedingte "Sprungschicht" gibt, in der innerhalb von wenigen hundert Metern die Temperatur um etliche Grad abfällt. Diese Grenze ist sehr stabil und verhindert, dass sich Oberflächen- und Tiefenwasser vermischen – deshalb gelangen auch Nährstoffe nur in Auftriebsregionen wie vor der peruanischen Küste nach oben.
In den polaren Regionen aber sind die Dichteunterschiede nicht so scharf ausgeprägt – denn das ist temperaturabhängig: Der Dichtegradient zwischen 22 und 25 Grad Celsius ist weitaus größer als der zwischen 2 und 5 Grad Celsius. Hier kommt nun vor allem der zweite Faktor zum Tragen: die Salinität. Sie wird in den oberen Schichten durch die Balance aus Verdunstung und Niederschlag oder auch dem Schmelzen oder Gefrieren von Meereis reguliert und kann, wenn sie dort niedrig genug ist, ebenfalls zu einer stabilen Schichtung führen, die den Austausch mit der Tiefe verhindert – das allerdings ist heute nur noch im Nordpazifik zu beobachten, alle anderen Polarmeere zeigen höchsten jahreszeitliche Schichtungen.
Sigman und seine Kollegen gehen nun davon aus, dass vor 2,7 Millionen Jahren die Polarmeere noch so warm waren, dass die winterliche Abkühlung der Oberflächenwässer eventuelle Salinitätsunterschiede übertrumpft und eine Durchmischung mit der Bildung von relativ warmem Tiefenwasser ermöglicht hätten. Die Temperatur spielte hier also die entscheidende Rolle. Als nun aber die Erde in eisige Zeiten zu schlittern begann und sich die Meere abkühlten, gingen die dadurch bedingten Dichteunterschiede zurück, der Gradient wurde schwächer und der Einfluss der Salinität triumphierte: Eine Schichtung entstand. Gleichzeitig wurde damit auch ein positiver Rückkopplungsmechanismus in Gang gesetzt: Durch Niederschläge hätte sich das Oberflächenwasser immer weiter "versüßt" und damit den stabilen, durchmischungsfeindlichen Stockwerksbau noch weiter gefördert.
Für eine weitere mögliche Folge des Modells kommt nun auch noch der Nährstoffkreislauf ins Spiel: Kohlenstoff, in den Tiefen freigesetzt aus den organischen Überresten einstigen Lebens, wäre nun nicht mehr mit dem Wasserfahrstuhl Durchmischung an die Oberfläche gelangt, sondern in der Tiefe festgehalten worden. Die Schichtung hätte damit auch die Freisetzung von Kohlendioxid gehemmt, weithin bekannt als Treibhausgas. Weniger CO2 bedeutet Abkühlung und damit einen weiteren Schubs auf der Temperaturrutsche in Richtung Eiszeit.
Wie Roger Francois von der Woods Hole Oceanographic Institution kommentiert, bieten sie damit "einen elegant einfachen Mechanismus, der sehr gut einige der großen Klimaveränderungen der geologischen Vergangenheit erklären könnte." Es sei doch erfrischend zu sehen, dass es selbst im komplexen Geschehen der Paläoklimatologie noch solche simplen Kernmechanismen gibt, die nur darauf warten, entdeckt zu werden.
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