Sedimentkerne vor Chile zeigen: AMOC-Abschwächung veränderte Antarktisches Zwischenwasser vor 39,400 Jahren

Klimaforschende simulieren seit Jahren, dass eine wichtige Strömung im Atlantik schwächer werden könnte – und die Modellrechnungen weisen immer wieder in dieselbe Richtung.

Auch die Tiefen- und Zwischenwasserschichten nahe der Antarktis müssten darauf reagieren. Doch Vorhersagen sind noch kein Beleg.

Ein Team, das Sedimentkerne vor der Küste Chiles ausgewertet hat, hat nun genau diese physische Spur gefunden.

Chemische Signale, die in Schalen eingeschlossen sind, die kleiner als ein Sandkorn sind, zeigen: Die erwartete Reaktion setzte vor 39,400 Jahren rasch ein.

Hinweise aus alten Schalen

Geleitet wurde die Untersuchung von Pushpak Martin John Nadar, Paläoklima-Forscher an der Universität Bergen (UiB) in Norwegen.

Die Gruppe untersuchte chemische „Fingerabdrücke“ in winzigen Schalen von Foraminiferen – Meeresboden-Mikroorganismen, deren Kalkgehäuse aus dem jeweiligen Umgebungswasser aufgebaut wird.

Dabei spielten Isotope von Kohlenstoff und Sauerstoff eine Schlüsselrolle: Es handelt sich um leicht unterschiedliche chemische Varianten derselben Elemente.

Diese Isotopenverhältnisse bleiben in den Schalen über Zehntausende von Jahren erhalten und erlauben es, die Eigenschaften von Tiefenwasser aus längst vergangenen Zeiten nachzuvollziehen.

Der ausgewertete Sedimentkern stammt von einem Standort vor der chilenischen Küste, wo Strömungen aus dem Südpolarmeer nach Norden in den Pazifik vordringen.

Im Fokus stand ein Zeitfenster um 39,400 Jahren. Eisbohrkerne aus Grönland zeigen, dass der Nordatlantik damals ungewöhnlich stark abkühlte – und dass die Umwälzzirkulation dort vermutlich geschwächt war.

Wie die Atlantische meridionale Umwälzzirkulation (AMOC) stockt

Diese großräumige „Förderband“-Zirkulation bezeichnen Forschende als Atlantische meridionale Umwälzzirkulation (AMOC).

Dabei strömt warmes, salzreiches Oberflächenwasser nach Norden, gibt Wärme an die Atmosphäre ab, sinkt ab und fließt anschließend in der Tiefe wieder nach Süden zurück. Ohne diesen Mechanismus sähe die globale Wärmebilanz anders aus.

Wenn sich dieses System verlangsamt, bleibt das nicht auf den Nordatlantik beschränkt. Modelle sagen voraus, dass eine schwächere AMOC Wärme und Nährstoffe im Weltozean auf unerwartete Weise umverteilt.

Aktuelle Beobachtungen stützen zudem, dass bereits ein Rückgang im Gang ist. Nadars Team wollte deshalb wissen, ob alte Sedimente messbare Spuren einer solchen, weit über den Atlantik hinausreichenden Veränderung konserviert haben.

Denn falls das der Fall ist, könnte die heutige AMOC-Abschwächung die Meereschemie schon jetzt in Regionen verändern, die weit vom Atlantik entfernt liegen.

Ein Signal im Pazifik

Die Sedimentkerne erzählten eine auffällige Geschichte: Um 39,400 Jahren erwärmte sich das Bodenwasser vor Chile schnell, die Sauerstoffwerte stiegen sprunghaft an und zugleich nahmen die Kohlenstoff-Isotope zu.

Dass drei unabhängige Indikatoren gleichzeitig umschlagen, ist in Paläoklima-Datensätzen eher selten – dort laufen Veränderungen häufig schrittweise und zeitversetzt ab.

Zusammengenommen deuten die Signale auf Wasser hin, das erst kurz zuvor an der Oberfläche gewesen war.

Meeresforschende sprechen in diesem Zusammenhang von verstärkter Belüftung: Das Wasser hatte jüngst Kontakt mit der Atmosphäre, nahm dabei Sauerstoff auf und gab Nährstoffe ab.

Bei der betreffenden Wassermasse handelt es sich um Antarktisches Zwischenwasser. Es bildet sich nahe der Antarktis und breitet sich in Richtung Tropen in etwa 800 Metern Tiefe aus.

Bis zu dieser Studie hatte niemand seine Reaktion auf eine Atlantik-Abschwächung derart präzise zeitlich zuordnen können.

Die chemische Reaktion

Besonders ins Auge fiel der abrupte Sprung beim Sauerstoff. Ein so schneller Anstieg ist typisch, wenn Wasser, das kürzlich an der Oberfläche war, in tieferen Schichten eintrifft.

Die Kohlenstoff-Isotope stützen diese Deutung: Ihre Signatur passte zu frisch umgewälztem Wasser – und nicht zu dem verarmten Muster, das stagnierendes Tiefenwasser hinterlässt.

Auch die leichte Erwärmung des Bodenwassers entspricht dem, was Klimamodelle bei einer schwächeren AMOC erwarten.

Wärme, die normalerweise stärker nach Norden transportiert würde, könnte sich stattdessen in der Südhemisphäre aufgestaut haben und so zusätzliche Wärme in die Zwischenwasserschicht geschoben haben.

Gleichzeitig sanken die Nährstoffwerte in dieser Lage. Dieser Rückgang dürfte auf eine umfassendere Umverteilung des „biologischen Treibstoffs“ in mittleren Wasserschichten hinweisen – mit Folgen für Oberflächenökosysteme in weit entfernten Regionen.

Diese Einordnung passt zu früheren Arbeiten, die das Südpolarmeer als größte Sauerstoffquelle des tiefen Ozeans beschreiben.

Tiefere, wärmere Schichten

In vielen Modellen führt eine schwächere AMOC dazu, dass sich die Thermokline – die Grenze zwischen warmem Oberflächenwasser und kalten Tiefen – im Pazifik nach unten verlagert.

Wenn der nordwärts gerichtete Wärmetransport stockt, sammelt sich Wärme eher südlich des Äquators an. Nadars Ergebnisse stimmen mit dieser Vorhersage überein und liefern dafür Belege aus realen Sedimentdaten.

Die chemischen Muster in den Kernen vor Chile sehen genau so aus, wie man es erwarten würde, wenn sich die Thermokline vertieft und die Schicht knapp unterhalb der Oberfläche mehr „junges“, von der Oberfläche geprägtes Wasser aufnimmt.

Eine solche Übereinstimmung ist in der Paläoklimaforschung nicht selbstverständlich: Modelle liefern häufig ein klares Szenario, doch Sedimentarchive bestätigen es nur selten so eindeutig.

Der Abgleich von Simulationen und Sedimentaufzeichnungen macht nachvollziehbarer, wie der globale Ozean reagiert, wenn ein Teil seiner Zirkulation nachlässt.

Das fehlende Puzzleteil beim Kohlenstoff

Eisbohrkerne zeigen, dass der Kohlendioxidgehalt während früherer Atlantik-Abschwächungen anstieg – und seit Jahrzehnten wird darüber diskutiert, warum.

Einige Erklärungsansätze betonen die Rolle tiefer Pazifikgewässer, andere rücken einen verstärkten Auftrieb im Südpolarmeer nahe der Antarktis in den Mittelpunkt.

Die neuen Befunde grenzen die Möglichkeiten ein. Wenn das Zwischenwasser damals kräftiger belüftet wurde, könnte gespeicherter Kohlenstoff in flachere Schichten gelangt sein, wo er mit der Atmosphäre ausgetauscht wird.

Frühere Forschung zu Antarktischem Bodenwasser deutet auf eine verwandte Rolle hin. Damit ist das CO2-Rätsel nicht allein gelöst.

Aber es fallen einige Kandidaten-Erklärungen weg – übrig bleibt ein kleinerer Satz von Hypothesen, den künftige Studien mit weiteren Sedimentarchiven und zusätzlichen Klimasimulationen prüfen können.

Die Folgen für die Zukunft

Die AMOC schwächt sich derzeit ab – und dieselben physikalischen Hebel, die vor 39,400 Jahren wirkten, sind heute erneut relevant.

Sollte Antarktisches Zwischenwasser heute ähnlich reagieren wie damals, könnten sich Muster von Sauerstoff, Kohlenstoff und Nährstoffen über große Teile des Ozeans deutlich verschieben.

Für die Fischerei könnten solche Verschiebungen produktive Zonen vor Südamerika und Afrika beeinflussen, in denen Nährstoffe aus Zwischenwasserschichten das Leben an der Oberfläche mitversorgen.

Für Prognosen bedeutet das: Modelle, die die Reaktion der Südhemisphäre auf Veränderungen im Atlantik ausblenden, lassen einen Teil des Gesamtbildes außen vor.

Das Team aus Bergen hat gezeigt, dass die Verbindung real ist, schnell abläuft und sich chemisch nachweisen lässt. Forschende müssen die Rückkopplung Antarktis–Atlantik damit nicht mehr allein aus Modellen ableiten.

Die Sedimentarchive bestätigen, dass dieser Prozess bereits einmal stattgefunden hat – und dass er sich erneut ereignen könnte.