Das älteste Eis der Erde: Eisbohrungen und was sie enthüllen
Unter der ostantarktischen Hochfläche ruhen Eisschichten, die sich seit Hunderttausenden von Jahren angesammelt haben. Jede Schicht ist ein Archiv — eingeschlossene Luftblasen konservieren die Atmosphäre vergangener Epochen, Staubeintragungen verzeichnen Vulkanausbrüche und Wüstensturmperioden, und die Isotopenverhältnisse des Eises selbst spiegeln die Temperatur wider, bei der der Schnee einst fiel. Niemand hat diese Archive je gelesen, ohne zuvor durch Hunderte Meter Eis zu bohren.
Eisbohrungen gehören zu den technisch anspruchsvollsten und wissenschaftlich ertragreichsten Expeditionen der modernen Glaziologie. Die gewonnenen Eiskerne liefern Klimadaten, die kein anderes natürliches Archiv in vergleichbarer zeitlicher Auflösung und Vollständigkeit bereitstellen kann.
EPICA: 800.000 Jahre auf einem Eiskern
Das Projekt EPICA — European Project for Ice Coring in Antarctica — hat zwischen 1996 und 2004 an zwei Standorten in der Ostantarktis gebohrt. Der bekanntere der beiden Kerne stammt aus Dome C (auch Concordia-Station), auf dem ostantarktischen Plateau auf rund 3.200 Metern Höhe. Der Dome-C-Kern erreichte eine Tiefe von 3.270 Metern und lieferte Eis, das rund 800.000 Jahre alt ist — das älteste kontinuierliche Klimaarchiv aus Eis, das bis heute existiert.
Die Ergebnisse aus diesem Kern haben das Verständnis von Glazial-Interglazial-Zyklen grundlegend verändert. In den eingeschlossenen Luftblasen fanden die Forscher acht vollständige Glazial-Interglazial-Zyklen, jeder mit seinen charakteristischen CO₂-Schwankungen zwischen rund 180 ppm in Kaltzeiten und rund 280 ppm in Warmzeiten. Die aktuellen Konzentrationen von über 420 ppm liegen damit weit jenseits des natürlichen Schwankungsbereichs der vergangenen 800.000 Jahre.
Vostok: Der Vorläufer
Vor EPICA war es der Vostok-Kern, der die Grundlagen der Eiskern-Paläoklimatologie legte. Die sowjetische und später russisch-französisch-amerikanische Forschungsstation Vostok liegt ebenfalls auf dem ostantarktischen Plateau, rund 1.300 Kilometer von der Küste entfernt. Dort begannen Bohrungen in den 1970er Jahren; der tiefste Kern aus den späten 1990er Jahren reichte bis in eine Tiefe von über 3.600 Metern und erfasste Eis von rund 420.000 Jahren.
Der Vostok-Kern lieferte den ersten eindeutigen Nachweis der Kopplung zwischen antarktischer Temperatur und atmosphärischem CO₂ über vier Glazial-Interglazial-Zyklen — ein Befund, der bis heute zu den zentralen Erkenntnissen der Klimawissenschaft zählt.
Grönland: Höhere zeitliche Auflösung
Während die antarktischen Kerne durch extrem niedrige Niederschlagsraten auf dem Hochplateau ermöglicht werden — die Jahresschichten sind dort nur wenige Millimeter dick —, bieten grönländische Kerne eine wesentlich höhere zeitliche Auflösung, weil die Niederschlagsraten dort erheblich größer sind.
Die GISP2- und GRIP-Projekte der frühen 1990er Jahre haben an der grönländischen Eisscheide Kerne bis in Tiefen von über 3.000 Metern gewonnen. Diese Kerne haben mit beeindruckender Detailtreue die abrupten Klimaereignisse des letzten Glazials dokumentiert — die sogenannten Dansgaard-Oeschger-Ereignisse, bei denen die Temperatur in Grönland innerhalb weniger Jahrzehnte um 10 bis 15 Grad Celsius anstieg. Diese abrupten Übergänge sind in den antarktischen Kernen gedämpfter sichtbar, was auf eine bipolare Verzögerung der Klimasignale hindeutet.
Das NEEM-Projekt (North Greenland Eemian Ice Drilling) hat in den 2000er und 2010er Jahren Eis aus dem letzten Interglazial — der Eem-Warmzeit vor rund 125.000 Jahren — gewonnen. Damals waren die Temperaturen in Grönland deutlich wärmer als heute, und der Meeresspiegel lag mehrere Meter höher.
Die Technik des Bohrens
Das Bohren durch mehrere Kilometer altes Eis erfordert spezialisierte Ausrüstung und jahrelange Erfahrung. Moderne Eiskernbohrer sind elektromechanische Systeme, die an einem langen Kabel hängen und beim Einfahren in das Bohrloch durch eine rotierende Klinge Eiszylinder herausschneiden. Das Bohrloch muss ständig mit einer Bohrflüssigkeit gefüllt werden — meist ein Gemisch aus Kerosin und einem chlorierten Lösungsmittel —, um den Druck des umgebenden Eises auszugleichen und ein Kollabieren des Lochs zu verhindern.
Die gewonnenen Eiskerne werden in Segmenten von etwa einem Meter Länge geborgen, unmittelbar vor Ort auf minus 20 Grad Celsius oder kälter gelagert und dann in gekühlten Containern zu den Analysezentren transportiert. Das Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven und das British Antarctic Survey in Cambridge gehören zu den europäischen Einrichtungen, die solche Kerne dauerhaft lagern und analysieren.
Was aus den Blasen abzulesen ist
Die eingeschlossenen Luftblasen sind das direkteste paläoatmosphärische Archiv, das existiert. Während Schnee sich zu Firn und schließlich zu Gletschereis verdichtet, schließen sich die Lufträume zwischen den Körnern und konservieren kleine Portionen der damaligen Atmosphäre. In Tiefen, in denen das Eis sehr alt und stark komprimiert ist, wandeln sich die Blasen in Clathrate um — Käfigstrukturen, in denen Gasmoleküle in das Kristallgitter des Eises eingebaut sind. Die Gase sind aber auch aus Clatraten extrahierbar.
Aus diesen eingeschlossenen Gasen lassen sich CO₂, Methan, Lachgas und andere klimawirksame Spurengase mit hoher Präzision messen. Die zeitliche Zuordnung erfolgt durch Jahresschichtenzählung in flachen Tiefen und durch die Korrelation mit bekannten Ereignissen wie dem Pinatubo-Ausbruch oder dem Tambora-Ausbruch von 1815 in größeren Tiefen.
Das Projekt „Oldest Ice"
Die Suche nach dem ältesten Eis der Erde geht weiter. Das europäische Projekt „Beyond EPICA — Oldest Ice Core" hat an einem Standort namens Little Dome C, rund 35 Kilometer vom ursprünglichen EPICA-Dome-C-Standort entfernt, mit Bohrungen begonnen. Ziel ist es, Eis zu gewinnen, das 1,5 Millionen Jahre alt ist — aus einer Zeit, bevor der sogenannte Mid-Pleistocene Transition die dominante Zyklusperiode von 41.000 auf 100.000 Jahre veränderte.
Dieses Übergangsphänomen ist noch nicht vollständig verstanden: Warum verlängerte sich der Glazial-Interglazial-Rhythmus vor rund einer Million Jahren? Die Antwort könnte im Eis selbst liegen.
Auf der Gletscherkarte erkunden lässt sich nachvollziehen, wo die wichtigsten Bohrstationen der Welt liegen und welche Eisschilde die tiefsten und ältesten Archive der Klimageschichte beherbergen.