Jahresringe des Klimawandels

Emmy Noether-Nachwuchsgruppe untersucht „molekulare Fossilien“

Das Meerfelder Maar
Das Meerfelder Maar
© Dirk Sachse / Uni Potsdam

Änderungen des Wasserkreislaufs können einen plötzlichen Klimawandel verstärken, haben Forscherinnen und Forscher der Universität Potsdam und des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) festgestellt. Zu dieser Erkenntnisgelangte die DFG-geförderte Emmy Noether-Nachwuchsgruppe von Dr. Dirk Sachse – auf der Spur von Klimaveränderungen extrahiert und analysiert das Team „molekulare Fossilien“, also organische Überreste von Pflanzen in Seeablagerungen. Die Ergebnisse einer Studie der Gruppe wurden im Januar 2014 in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Nature Geoscience“ veröffentlicht.

Die Bohrplattform zur Entnahme der Sedimentproben
Die Bohrplattform zur Entnahme der Sedimentproben
© Achim Brauer / GFZ

Die Proben eröffnen den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern um Sachse einen Blick in die Vergangenheit: Sie verraten beispielsweise, was zum Ende der jüngsten Eiszeit vor etwa 13000 Jahren geschah. Damals wurde es mit einem abrupten Temperatursturz noch einmal für gut tausend Jahre kalt – die sogenannte Jüngere Dryas-Kaltphase. Die abrupte Abkühlung von 4 bis 6°C innerhalb der erstenhundert Jahre hatte nach den Untersuchungen der Potsdamer Emmy Noether-Gruppe zunächst verschiedene Auswirkungen in der Polarregion und in Mitteleuropa. Während sich in Grönland das Klima sofort total wandelte, kam es in Mitteleuropa, trotz gleichzeitigen Kälteeinbruchs, erst etwa 170 Jahre später zu einer Veränderung der Windsysteme, des Wasserkreislaufs und, als Konsequenz dessen, der Vegetation.

Diesen Zeitverzug entnimmt die Nachwuchsgruppe den Seesedimentproben aus Bohrungen in Mitteleuropa im Vergleich mit den Daten aus grönländischen Eiskernen. Sachse und seine Doktoranden der Emmy Noether-Gruppe untersuchten im Seesediment enthaltene molekulare Pflanzenreste auf ihre Wasserstoffisotopenverteilungen. Das Verhältnis der Wasserstoffisotope in diesen sogenannten Biomarkermolekülen ließ die Nachwuchsgruppe eindeutig nachvollziehen, wie sich Niederschläge, Verdunstung und weitere Vorgänge im Wasserkreislauf abgespielt haben müssen.

Um anhand der Verteilung der Wasserstoffisotope genaue und verlässliche klimatische Aussagen machen zu können, betreibt die Nachwuchsgruppe in Zusammenarbeit mit Pflanzenphysiologen auch umfangreiche Studien mit Pflanzen im Gewächshaus. Dort lassen sich alle Umstände beeinflussen, die auf die Pflanzen einwirken, und lässt sich messen, welche Wasserstoffisotope sich unter welchen Umständen in welcher Konzentration in den Pflanzen und ihren molekularen Bestandteilen anreichern. Die Informationen über diese komplexen Prozesse ermöglichender Gruppe Rückschlüsse auf die Umwelt der Pflanzen zu Beginn der Jüngeren Dryas-Kaltphase.

Arbeiten auf der Bohrplattform
Arbeiten auf der Bohrplattform
© Achim Brauer / GFZ

Seesedimentproben aus dem Meerfelder Maar, einem Vulkansee in der Eifel, lieferten das Material für die Veröffentlichung in „Nature Geoscience“. Die Wahl fiel auf diesen See, weil er sich in vergangenen Studien des GFZ als exzellentes Klimaarchiv speziell für diePhaseam Ende der letzten Eiszeit erwiesen hat.Professor Achim Brauer vom GFZ, ein Koautor der Studie,unterstützte Sachses Emmy Noether-Nachwuchsgruppe maßgeblich alserfahrener Experte sowohl für die Jüngere Dryas-Kaltphase als auch für Vulkanseen in der Eifel.

„Die jährlichen Sedimentschichten im Meerfelder Maar sind vergleichbar mit Jahresringen bei Bäumen“, beschreibt Sachse. Somit kann das Sediment exakt datiert werden. Zusätzlich stellen Vulkanaschelagen, die auch im grönländischen Eis oder anderen Seen in Europa gefunden wurden, Zeitmarkerhorizonte dar. Die Schichten, Varven genannt, verraten dem Forscherteam vieles über die damaligen Umweltverhältnisse: Beispielsweise zeigten frühere GFZ-Forschungsarbeiten, dass dickere Sedimentschichten auf stärkere und häufigere Winde zurückzuführen sind, die mehr Material in den Maarsee geweht haben. Auch die Farbgebung erlaubt Rückschlüsse auf Umweltbedingungen. Die sauerstoffarme Umgebung in den Tiefen des Sees ist ein Glück für die Forschung, denn diese Bedingungen konservieren die Schichtung und die Biomarkermoleküle.

Analyse der Pflanzenbiomarker im Labor
Analyse der Pflanzenbiomarker im Labor
© Universität Potsdam

Doch warum setzte nun der Klimawandel in Mitteleuropa später ein als in Grönland? Die Analyse der Pflanzenbiomarker in den Bohrungen liefert folgende Erklärung: Aufgrund der starken Abkühlung breitete sich das Packeis im Nordatlantik nach Süden hin aus. Damit verschob sich auch die Polarfront, die Trennfläche zwischen polarer Luft und der Luft gemäßigter Breiten. Das führte zu einer Veränderung der Windsysteme, denn die Verschiebung beförderte dauerhaft trockene, polare Luftmassen nach Mittel- und Westeuropa. Die trockene Luft verringerte Menge und Häufigkeit der Niederschläge. Schnell wirkte sich der Wasserentzug auch auf die Vegetation aus: „Erst die Trockenheit hat das Ökosystem über die Klippe gestoßen“, konstatiert Dirk Sachse. Denn erst die Veränderung des Wasserkreislaufs, die etwa 170 Jahre nach dem Temperatursturz einsetzte, beschleunigte den Klimawandel, während die gesunkene Temperatur nur eine langsame Veränderung initiiert hatte.

Das Projekt der Emmy Noether-Nachwuchsgruppe von Dirk Sachse lautet mit vollem Titel „Rekonstruktion von Veränderungen der regionalen Hydrologie während des Holozäns unter Anwendung neuer organisch-geochemischer und molekularer Methoden“. Die Gruppe nennt sich aber auch kurz: „Junior Research Group: Palaeohydrology“. Sie beschäftigt sich einerseits mit der Weiterentwicklung der Wasserstoffisotopenanalyse. Zum anderen erstellt sie hochauflösende Profile von Veränderungen im Wasserkreislauf von Regionen in verschiedenen Klimazonen seit der letzten Eiszeit. Mit den Ergebnissen möchten die Forscherinnen und Forscher um Dirk Sachse das Verständnis der verschiedenen Abläufe bei Veränderungen im Wasserkreislauf, einem ausschlaggebenden Faktor bei Klimaveränderungen, vertiefen. Das erlaubt nicht nur eine detailliertere Rekonstruktion vergangener Entwicklungen, sondern die gewonnenen Kenntnisse liefern auch Hinweise, um die Auswirkungen zukünftiger Klimaveränderungen besser und detaillierter vorherzusagen.

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