Umweltphysiker zeigen Schwankungen der vergangenen 230.000 Jahre anhand der Isotopenzusammensetzung von Sedimentproben aus der Tiefsee

Wachstum und Rückgang des isländischen Eisschildes haben in den vergangenen 230.000 Jahren zu großen Veränderungen in der Meerwasserchemie des Nordatlantiks geführt, verursacht durch die Wechselwirkung von Vulkanismus und Eis auf Island. Das zeigen Wissenschaftler des Instituts für Umweltphysik an der Universität Heidelberg anhand von Sedimentkernen des nordöstlichen Atlantiks – des Rockall Plateau. Die Forscherinnen und Forscher analysierten die Isotopenzusammensetzung des Seltene-Erden-Elements Neodym in diesen Bohrproben: Danach schwankte das isotopische Signal im Zeitverlauf von glazialen und interglazialen Perioden erheblich und folgte dabei dem „Rhythmus“ der Eiszeiten, wie die Untersuchungen unter der Leitung von Prof. Dr. Norbert Frank zeigen.

Die Isotopenzusammensetzung von Neodym (Nd) im Meerwasser ist eines der am häufigsten verwendeten Instrumente, um zu rekonstruieren, wie sich die Ozeanzirkulation in der jüngeren geologischen Vergangenheit verändert hat. Das Verfahren beruht auf der zentralen Annahme, dass die chemischen „Fingerabdrücke“, die die Zusammensetzung der großen Wassermassen aufweisen, im Laufe der Zeit weitgehend konstant geblieben sind. Die Untersuchungen der Heidelberger Wissenschaftler deuten nun darauf hin, dass diese feste Isotopenzusammensetzung für den Nordatlantik während glazialer Perioden nicht mehr zutrifft. Ihre Analysen der Tiefseesedimente des Rockall Plateau zeigen, dass sich die Chemie des nordatlantischen Meerwassers wiederholt und erheblich geändert hat. Die Forscherinnen und Forscher führen diese Veränderungen auf vulkanisches Material von Island zurück.

Ihre Untersuchungen beziehen sich darauf, dass unterschiedliches kontinentales Gestein unterschiedliche isotopische Signaturen aufweist. Das Verhältnis der spezifischen Isotope ¹⁴³Nd und ¹⁴⁴Nd des im Meerwasser gelösten Neodym spiegelt dabei die Gesteine wider, aus denen das Seltene-Erden-Element herausgelöst wurde. Als der Eisschild auf Island während eines Glazials vorrückte und sich seinen Weg durch das isländische basaltische Grundgestein bahnte, produzierte er große Mengen an feinem, hochreaktivem Gesteinsmehl. Dieses Material wurde an den umgebenden nordatlantischen Ozean abgegeben, wo es Neodym mit einer deutlichen radiogenen Signatur – angereichert in ¹⁴³Nd – auflöste und freisetzte. Die Analyse der Neodym-Isotope aus dem Sedimentkern ODP Site 982 des Rockall Plateau zeigt, dass die oberen Wassermassen des Nordatlantiks während der Eiszeitspitzen durchweg weitaus radiogener waren als in den warmen Zwischeneiszeiten und dass diese Schwankungen eng mit dem Volumen des isländischen Eisschildes korrelierten.

Die Heidelberger Wissenschaftler entwickelten ein sogenanntes Boxmodell, mit dem sie ihre Analysen der Sedimentproben aus der Tiefsee reproduzieren konnten. Danach waren die Veränderungen der Meerwasserchemie als Folge des vulkanischen Inputs nicht streng linear, sondern Reaktionen auf die Dynamik des Eises auf Island – sie erreichten während der Phasen rascher Vergletscherung ihre Höhepunkte. „Das isotopische Signal folgte dem Rhythmus der Eiszeiten fast Schritt für Schritt“, sagt Dr. Antao Xu. „Das weist darauf hin, dass die isländischen Eisschilde selbst die treibenden Kräfte dafür waren, dass die Meerwasserchemie des Nordatlantiks während der vergangenen 230.000 Jahre mehrfach umgestaltet wurde.“ Die Forschungsergebnisse zeigen außerdem, dass der Eisschild den Zufluss von Mikronährstoffen wie Eisen reguliert hat. Dies dürfte Auswirkungen auf das Leben im Meer und den Kohlenstoffkreislauf während der Eiszeiten gehabt haben, so Dr. Xu, der Mitglied der von Prof. Frank geleitete Arbeitsgruppe „Physik der Umweltarchive“ ist.

„Die Ergebnisse unserer Forschungsarbeiten unterstreichen, dass die Eisschildsysteme in hohen Breitengraden bei der Regulierung der Ozeanchemie eine entscheidende Rolle spielen“, betont Prof. Frank. Diese Erkenntnisse haben nach den Worten des Wissenschaftlers weitreichende Auswirkungen. „Sie mahnen zur Vorsicht bei der Annahme, dass feste isotopische Fingerabdrücke existieren, die zur Rekonstruktion der vergangenen Ozeanzirkulation eingesetzt werden können. Zudem decken sie einen bislang unterschätzten Zusammenhang zwischen der Kryosphäre, der kontinentalen Verwitterung und der Chemie des Ozeans auf.“

Die aktuellen Untersuchungen waren Teil eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts zu der Frage, wie sich die Ozeanzirkulation und die geochemischen Kreisläufe im Verlauf der großen Klimawandelphasen der Vergangenheit entwickelt haben. Die Forschung stützt sich auf Sedimentkerne aus einer Expedition des Ocean Drilling Program (ODP) / International Ocean Discovery Program (IODP), die vom IODP Bremen Core Repository am MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen zur Verfügung gestellt wurden. Die Ergebnisse der Heidelberger Arbeiten sind in „Science Advances“ erschienen.