Eiskerne: Was sie über vergangene Klimata verraten
Das Eis in der Antarktis ist ein Buch, aber man muss bohren, um es zu lesen. Jede Schicht, die im Laufe von Jahren und Jahrtausenden unter dem Gewicht neuen Schnees zusammengepresst wurde, enthält eine Fülle von Informationen: Gasblasen mit der Atmosphäre des Jahres, in dem der Schnee fiel; Staubpartikel, die auf Vulkanausbrüche oder Wüstensturmperioden hinweisen; chemische Verbindungen, die ozeanische Aktivität dokumentieren; und die Isotopenverhältnisse des Eises selbst, die wie ein Thermometer für die Temperaturen vergangener Epochen funktionieren.
Eiskernforschung ist heute eine der zentralen Methoden der Paläoklimatologie, und die Erkenntnisse aus tiefen Eisbohrungen haben unser Bild der Klimageschichte der Erde fundamental verändert.
Das Isotopensignal: Ein eingebautes Thermometer
Wasser besteht aus Sauerstoff und Wasserstoff, von denen jedes Element in der Natur in verschiedenen Isotopen vorkommt. Sauerstoff existiert als O-16 (das häufigste Isotop), O-17 und O-18. Wasserstoff kommt als normales H-1 und als Deuterium (H-2) vor.
Das Verhältnis von O-18 zu O-16 und das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff in einem Eisstück sind temperaturabhängig: Bei niedrigen Temperaturen kondensiert bevorzugt das schwere Isotop, und das Eis, das bei kaltem Klima fällt, ist relativ reicher an dem leichteren Isotop O-16. Bei wärmerem Klima ist das Verhältnis umgekehrt.
Diese Isotopenverhältnisse lassen sich hochpräzise messen und als Proxy für die Temperatur interpretieren, die herrschte, als der Schnee fiel. Die Variationen in den Isotopenprofilen entlang eines Eiskerns zeichnen daher ein kontinuierliches Bild der Temperaturschwankungen über den gesamten Zeitraum, den der Kern umfasst.
Eingeschlossene Gase: Das direkte Atmosphärenarchiv
Die bemerkenswerteste Eigenschaft tiefer Eiskerne ist die Konservierung von Atmosphärenproben. Wenn Firn sich zu Eis verdichtet, werden Lufträume von der Atmosphäre abgeschlossen und bleiben als eingeschlossene Blasen konserviert. Diese Blasen enthalten direkt die Atmosphäre des Jahres oder Jahrzehnts, in dem das Eis entstand.
Aus diesen Blasen können Konzentrationen von CO₂, Methan, Lachgas und anderen Spurengasen gemessen werden. Die Daten aus dem EPICA-Dome-C-Kern in der Antarktis zeigen, dass die CO₂-Konzentration in Kaltzeiten auf rund 180 ppm abfiel und in Warmzeiten auf rund 280 ppm stieg — ein natürlicher Zyklus, der mit der Sonneneinstrahlung und den orbitalen Parametern der Erde zusammenhängt. Die heutige Konzentration von über 420 ppm liegt weit jenseits dieses natürlichen Bereichs.
Methansignale in Eiskernen dokumentieren Veränderungen der tropischen Feuchtgebiete und der Moor-Ausdehnung: In Warmzeiten produzierten Feuchtgebiete mehr Methan, was sich in erhöhten Methankonzentrationen in den eingeschlossenen Blasen niederschlug.
Staubschichten und Vulkansignaturen
Vulkanausbrüche hinterlassen in Eiskernen deutliche chemische Signaturen. Schwefeldioxid, das bei Ausbrüchen in großen Mengen ausgestoßen wird, oxidiert in der Atmosphäre zu Schwefelsäure, die sich auf Schneeoberflächen niederschlägt. Diese Säureschichten sind durch elektrische Leitfähigkeitsmessungen entlang des Eiskerns erkennbar.
Große Ausbrüche — Tambora 1815, Krakatau 1883, Pinatubo 1991 — sind in grönländischen und antarktischen Eiskernen eindeutig identifizierbar. Diese bekannten Ereignisse dienen als zeitliche Anker für die Datierung von Eiskernen aus jüngeren Epochen.
Staubschichten dokumentieren darüber hinaus Perioden erhöhter Wüstenstaub-Aktivität, die mit trockenen und kalten Klimaperioden assoziiert sind. Während der Kälteperioden des Pleistozäns waren die Kontinente trockener und die Vegetation spärlicher, was zu erheblich erhöhter Staubeintragung aus zentralasiatischen und südamerikanischen Wüsten führte.
Jahreschichtenzählung
In Gebieten mit hoher Akkumulation — besonders in Grönland und in den Randbereichen des antarktischen Eisschilds — sind Jahresschichten im Eiskern erkennbar. Diese entstehen durch den saisonalen Wechsel in der Isotopenzusammensetzung des Schnees, in der Staubeintragung und in anderen chemischen Signalen.
Durch Zählen dieser Schichten unter dem Mikroskop oder durch hoch aufgelöste chemische Profile lässt sich ein absolutes Alter für Eisabschnitte bestimmen. Der GISP2-Kern aus der Gipfelregion Grönlands erlaubte eine Jahreschichtenzählung bis auf etwa 40.000 Jahre Tiefe — ein außerordentliches Präzisionsinstrument für die Paläoklimatologie.
Gebirgseiskerne: Regionale Klimaarchive
Eiskerne werden nicht nur in Grönland und der Antarktis gewonnen. Auch in tropischen und gemäßigten Gebirgen werden Bohrungen durchgeführt. Der Ohio State-Glaziologe Lonnie Thompson und seine Teams haben Kerne vom Quelccaya-Gletscher in Peru, vom Huascarán, von der Tibetischen Hochebene (Guliya-Gletscher, Dunde-Gletscher), vom Kilimandscharo und von anderen Gletschern gewonnen.
Diese tropischen und subtropischen Kerne ergänzen die polaren Archive, indem sie lokale und regionale Klimasignale dokumentieren: Monsunvariabilität, ENSO-Ereignisse, Dürreperioden und historische Klimaereignisse wie die Mittelalterliche Warmzeit und die Kleine Eiszeit.
Bedeutung für die heutige Klimadebatte
Die Eiskern-Daten sind eines der wichtigsten Fundamente der modernen Klimawissenschaft. Sie zeigen, dass CO₂ und Temperatur über Hunderttausende von Jahren eng korreliert sind, und sie zeigen, dass die heutige Änderungsrate beider Größen ohne historisches Vorbild ist.
Auf der Karte lassen sich die wichtigsten Bohrstationen und Eiskernarchive der Welt lokalisieren und deren Lage im Kontext der globalen Kryosphäre erkunden.