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Wissenschaftler, die im Allan Hills-Gebiet der Antarktis bohrten, haben Gletschereis und in ihm eingeschlossene Luftblasen geborgen, die auf etwa 6 Millionen Jahre datiert wurden — die ältesten bisher direkt datierten Eis- und Atmosphärenproben der Erde. Diese Proben, die in nahe der Oberfläche liegendem blauem Eis komprimiert sind, bieten eines der klarsten Fenster auf planetarische Klimabedingungen vom späten Miozän bis weit ins Pliozän hinein.
Warum Allan Hills eine seltene Zeitkapsel ist
Die Antarktis ist ein außergewöhnliches Archiv, weil sich Schichten von Schnee und Eis kontinuierlich ablagern und dabei Luft, Staub und chemische Signaturen einschließen. Doch Allan Hills ist selbst nach antarktischen Maßstäben ungewöhnlich. Dort entfernen starke katabatische Winde und Oberflächensublimation neuen Schnee, wodurch älteres, komprimiertes Eis näher an die Oberfläche gelangt. Über lange Zeiträume hat dies ausgedehnte Bänder blauen Eises entstehen lassen — dichtes, kristallreiches Eis, das rotes Licht stärker absorbiert und daher blau erscheint.
Die genauen Randbedingungen, die so altes Eis nahe der Oberfläche erhalten, werden noch untersucht, erklärt Sarah Shackleton. Es ist sehr wahrscheinlich eine Kombination aus Geländetopographie, beständigen Winden und extremer Kälte, die den Gletscherfluss praktisch stoppt und frische Schichten abträgt. Solche lokalisierten Prozesse können die üblichen, vertikal geordneten Sediment- und Eisablagerungen erheblich stören und ermöglichen so die Exposition tief gealterter Schichten.
Darüber hinaus begünstigt das Vorhandensein von blauem Eis die Probennahme: Die Eisstruktur ist dichter und weniger porös, wodurch atmosphärische Einschlüsse in Kristallrefugien konserviert bleiben. Dieses Umfeld erlaubt Laborwissenschaftlern, Proben mit minimaler Kontamination zu gewinnen — ein kritischer Punkt bei der Analyse alter Gasproben.
Der Eisbohrkern, der Luft enthielt, die vor 6 Millionen Jahren eingeschlossen wurde.
Wie das Team älteres Eis datierte als je zuvor
Das von der National Science Foundation unterstützte COLDEX-Projekt unter Leitung der Glaziologin Sarah Shackleton vom Woods Hole Oceanographic Institution bohrte drei Kerne in Allan Hills und erreichte dabei Tiefen von etwa 150, 159 und 206 Metern (492, 522 und 676 Fuß). Das Team erwartete ungewöhnlich altes Eis, möglicherweise bis ins Pliozän (das vor etwa 2,6 Millionen Jahren endete), doch die Datierungsergebnisse übertrafen die Erwartungen deutlich.
Die Standortwahl beruhte auf einer Kombination aus Fernerkundungsdaten, Luftaufnahmen und Geländebegehungen, die zusammen Bereiche mit ausgedehntem blauem Eis und minimaler Oberflächenneubildung identifizierten. Solche prospektiven Untersuchungen sind integraler Bestandteil moderner Eisbohrprogramme, da sie helfen, kostspielige Feldkampagnen gezielt zu planen und Proben mit maximaler wissenschaftlicher Aussagekraft zu gewinnen.
Argon-Isotopen-Datierung: direkte Altersbestimmungen, keine Schätzungen
Zur Altersbestimmung nutzte das Team Argon-Isotopen-Datierung an mikroskopischen Lufteinschlüssen. Im Gegensatz zu stratigraphischen Korrelationen oder indirekten Proxys misst diese Methode Edelgasisotope, die im Eis selbst eingeschlossen sind, und liefert somit direkte Altersgrenzen. Die tiefsten Proben ergaben Alter nahe 6 Millionen Jahren — und ordnen sie dem späten Miozän zu — während flachere Proben jüngere Alter aufwiesen, die sich vom Ende des Miozäns ins Pliozän erstrecken.
Die Argon-Isotopen-Analyse erfordert extrem empfindliche Massenspektrometrie (z. B. Thermionen- oder Hochvakuum-PIXE- und HR-ICP-MS-Systeme), hohe Reinraumstandards und spezielle Entgasungsprotokolle, um atmosphärische Kontamination zu vermeiden. Bei diesen Messungen wird oft auf Lösungen zurückgegriffen, die die Trennung und Messung von 40Ar, 39Ar und 36Ar ermöglichen, wobei Kalibrierungen gegen Standardgase und interlaboratorische Vergleiche die Zuverlässigkeit erhöhen.
Wichtig ist auch die Validierung durch unabhängige Methoden: Stratigraphische Hinweise, charakteristische chemische Marker im Eis und Vergleich mit bekannten globalen Ereignissen (z. B. vulkanische Ascheschichten) liefern ergänzende Sicherheitschecks. In diesem Fall standen die Argon-Daten in guter Übereinstimmung mit anderen geochemischen Indikatoren und mit dem stratigraphischen Kontext der Region.
Die direkte Datierung eingeschlossener Luft ist aus mehreren Gründen wissenschaftlich wertvoll: Sie verbindet die physikalische Altersskala des Eises mit den chemischen und atmosphärischen Messungen in denselben Proben — ein enormer Vorteil gegenüber indirekten Rekonstruktionen, die oft unterschiedliche Archive und Unsicherheiten kombinieren müssen.
Was die Isotope über das antike Klima verraten
Nach der Datierung führten die Forscher Sauerstoffisotopenanalysen am Eis durch, um Rückschlüsse auf die Temperaturbedingungen zu ziehen, unter denen der Schnee ursprünglich gefallen ist. Sauerstoffisotope in Wassermolekülen variieren mit Temperatur und dem globalen Wasserkreislauf; durch Messung dieser Verhältnisse (typischerweise δ18O) können Wissenschaftler vergangene Erwärmungs- oder Abkühlungsphasen des antarktischen Klimas rekonstruieren.
Die Ergebnisse waren auffällig: Vor etwa 6 Millionen Jahren scheint die Antarktis schätzungsweise um rund 12 °C wärmer gewesen zu sein als heute. Diese Abschätzung basiert auf etablierten empirischen Korrelationen zwischen δ18O-Werten und regionalen Temperaturabweichungen sowie auf Modellkalibrierungen, die lokale Effekte und Änderungen im Meeresisotopenkreislauf berücksichtigen.
Statt eines abrupten Wechsels von warm zu kalt deutet das Probenintervall auf einen schrittweisen Übergang zum modernen antarktischen Klima hin. Diese langsame Abkühlung über Hunderttausende bis Millionen Jahre hat wichtige Implikationen dafür, wie Eisschilde auf langfristige Veränderungen der Treibhausgaskonzentrationen und auf astronomische Zyklen (Milanković-Zyklen) reagieren. Sie legt nahe, dass Eisschilde sowohl träge als auch empfindlich sind: träge, weil sie über lange Zeiträume wachsen oder schrumpfen; empfindlich, weil relativ moderate Änderungen in CO2-Konzentrationen oder in Ozeanströmungen über geologische Zeiträume große strukturelle Veränderungen bewirken können.
Zusätzliche Isotopenmessungen — etwa von Deuterium (δD) und von Isotopenverhältnissen in gelösten Sulfaten oder Nitraten — helfen, Niederschlagsquellen, Feuchtigkeitswege und saisonale Signale zu unterscheiden. Kombiniert mit chemischen Tracern wie Spurenmetallen, Staubprofilen und vulkanischer Asche liefern diese Daten ein robustes Bild der paläoklimatischen Rahmenbedingungen.
Für Klimamodelle bietet ein so detailliertes Isotopensignal eine seltene Chance zur Validierung von Simulationen, die atmosphärische Zirkulation, ozeanische Wärmeverteilung und Feedbacks zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre koppeln. Die Tatsache, dass die Isotopenprognosen mit einer direkter datierten Luftprobe verknüpft sind, erhöht das Vertrauen in modellbasierte Rückprojektionen und verbessert die Abschätzung von Klimasensitivitäten.
Allan Hills, Antarktis
Warum diese Ergebnisse für Paläoklima und Zukunftsprognosen wichtig sind
Die direkte Datierung von Luft aus dem Miozän ermöglicht es Wissenschaftlern nun, Modelle zur atmosphärischen Zusammensetzung und Klimaempfindlichkeit gegen reale, alte Atmosphärenproben zu testen. Die eingeschlossenen Lufttaschen, obwohl innerhalb von Eiskristallen komprimiert und nicht als sichtbare Blasen erhalten, enthalten Edel- und Treibhausgase, die einen Schnappschuss der Erdatmosphäre zum Zeitpunkt ihres Einschlusses bewahren.
Durch die Messung von CO2, Methan und anderen Spurengasen in diesen Proben können Forscher bestimmen, welche Konzentrationen das wärmere Klima vor 6 Millionen Jahren antrieben und wie schnell sich die Atmosphäre veränderte, als die Erde in das Pliozän überging. Dieses empirische Referenzniveau verbessert Projektionen, wie moderne Zunahmen von Treibhausgasen in langfristige Temperatur- und Eisschildveränderungen übersetzt werden könnten.
Besonders relevant sind solche Daten für die Abschätzung der Klimasensitivität — also wie viel sich die globale Durchschnittstemperatur bei einer Verdoppelung des atmosphärischen CO2 verändert. Paläoklimatische Daten liefern unabhängige Prüfsteine für Sensitivitätswerte, die anderswo aus Instrumentaldaten oder Modellsimulationen geschätzt werden. Wenn Modelle die Miocene-Pliocene-Bedingungen reproduzieren können, steigt das Vertrauen in ihre Projektionen für die Zukunft.
Darüber hinaus erlauben kombinierte Messungen von Treibhausgasen und Isotopensystemen Rückschlüsse auf Ursachen-Wirkungs-Beziehungen: etwa, ob CO2-Anstiege primär durch vulkanische Emissionen, Störungen des Ozeankreislaufs oder durch Rückkopplungen aus der Vegetation und dem Permafrost bedingt waren. Solche Erkenntnisse sind für die Unterscheidung natürlicher Klimavariabilität und menschengemachter Einflüsse von zentraler Bedeutung.
Nicht zuletzt bieten diese Proben eine Möglichkeit, die Rolle regionaler versus globaler Steuerfaktoren zu entwirren: War die erkennbare Erwärmung primär lokal (z. B. durch veränderte Meeresströmungen um die Antarktis) oder spiegelt sie einen globalen CO2-getriebenen Trend wider? Die Kombination aus Gasanalysen, Isotopie und Partikelchemie kann diese Frage näher beleuchten.
Die Forschenden heben die Bohrvorrichtung, mit der die Kerne gewonnen wurden
Nächste Schritte: mehr Bohrungen und zusätzliche chemische Hinweise
COLDEX-Direktor Ed Brook (Ohio State University) erklärt, dass das Team bereits eine größere, mehrjährige Kampagne in Allan Hills plant, um die Aufzeichnungen tiefer auszubauen und mehr atmosphärische Proben über einen breiteren Zeitbereich zu sammeln. Das vorgeschlagene Programm, das zwischen 2026 und 2031 angesetzt ist, zielt darauf ab, Treibhausgaskonzentrationen und isotopische Veränderungen über Millionen von Jahren zu kartieren und damit die Beschränkungen sowohl natürlicher Variabilität als auch der Treiber langfristiger Abkühlungen ins Pleistozän zu verbessern.
Technisch werden künftige Kampagnen noch striktere Kontaminationskontrollen, erweiterte analytische Kapazitäten und verstärkte interdisziplinäre Kooperation benötigen. Dazu gehören mobile Reinraumeinheiten im Feld, schnelle Probenlogistik zur Reduzierung von Gasverlusten und verbesserte Probenpräparationsmethoden, etwa Kryoextraktionstechniken zur Gewinnung gasförmiger Komponenten aus Eiskernen ohne Zusatzstoffe.
Neben Messungen von Treibhausgasen sollen zukünftige Arbeiten eingeschlossene Partikel, radiogene Isotope und Spurengase analysieren, um Ozeanzirkulation, Eisschildausdehnung und vulkanische Einflüsse während des Miozän–Pliozän-Übergangs zu rekonstruieren. Isotope wie 10Be, 14C (sofern erhalten) oder radiogene Segenium- und Nd-Systeme können Alterungsprozesse und Erosionsepisoden beleuchten, während Staubanalysen Auskunft über Trockenheitsphasen und Windstärken geben.
Ferner werden verbesserte Klimamodelle, die die neuen Daten assimilieren, es erlauben, Szenarien durchzuspielen: Wie hätten unterschiedliche CO2-Konzentrationen, veränderte Meeresspiegel oder veränderte Wärmetransporte der Ozeane die Antarktis und die globale Klimabalance beeinflusst? Solche Simulationen sind essentiell, um vergangene Prozesse in eine prognostische Perspektive für das 21. Jahrhundert und darüber hinaus zu übersetzen.
Experteneinschätzung
Dr. Elena Moreno, eine Paläoklimatologin, die nicht zum COLDEX-Feldteam gehört, kommentiert: "Direkt datierte Luftproben von vor 6 Millionen Jahren sind ein Wendepunkt. Sie verankern Modellsimulationen an realen atmosphärischen Zusammensetzungen statt an abgeleiteten Werten. Solche empirischen Referenzen sind selten und außerordentlich wertvoll, um sowohl die vergangene als auch die zukünftige Klimaempfindlichkeit besser zu verstehen."
In der Summe unterstreichen die Allan-Hills-Kerne, wie lokal unterschiedliche Bedingungen überraschend gut alte Klimarekorde konservieren können. Sie bekräftigen auch eine praktische Erkenntnis für Feldwissenschaftler: Die wertvollsten Archive finden sich oft dort, wo die Umgebung lebensfeindlich erscheint — an Orten, an denen Wind, Kälte und die Geomorphologie zusammenwirken, um die Erinnerung der Erde zu bewahren.
Für die Forschungspraxis bedeutet dies, dass gezielte Prospektionen, interdisziplinäre Zusammenarbeit und die Anwendung modernster analytischer Methoden wesentlich sind, um das wissenschaftliche Potenzial solcher Archive voll auszuschöpfen. Die neu gewonnenen Daten aus Allan Hills werden in den kommenden Jahren wahrscheinlich zentrale Referenzpunkte für Studien zu Klimasensitivität, Eisschilddynamik und langfristigen Kohlenstoffkreisläufen bilden.
Quelle: sciencealert
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