Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum in der Arktis

Klimawandel während der letzten 65 Millionen Jahre. Das Ausmaß des PETM wird durch die grobe Auflösung und Mittelung der Klimaproxis wahrscheinlich um einen Faktor 2 bis 3 unterschätzt

Das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM) vor etwa 55 Millionen Jahren war eine kurze Periode einer globalumfassenden starken Klimaerwärmung, die mit einem erhöhten Eintrag von Treibhausgasen verbunden war. Die Temperaturen stiegen dabei von etwa 18 °C im späten Paläozän bis auf über 23 °C während des PETM. Die damit einhergehenden Umweltveränderungen sind für niedrige Breiten teilweise gut dokumentiert. Erst eine 2004 in der zentralen Arktis entnommene Sedimentprobe liefert Erkenntnisse über die veränderten Bedingungen in den hohen nördlichen Breiten.

Arktische Temperaturen vor dem PETM

Eine 1970 auf einer driftenden Eisinsel durchgeführte oberflächliche Bohrung brachte aus der Oberen Kreidezeit stammendes Sediment vom Alpha-Rücken (unterseeische Erhöhung) hervor. Mit Hilfe des nachgewiesenen Zusammenhangs zwischen der Zusammensetzung von Membranlipiden von marinen Crenarcheota und der jährlichen mittleren Ozeanoberflächentemperaturen (TEX₈₆-Methode) wurde die mittlere Oberflächentemperatur im Arktischen Ozean (bei etwa 80° N) auf 15 ± 1°C für das frühe Maastrichtium bestimmt. Zum Vergleich: Das heutige Jahresmittel der Oberflächenlufttemperatur bei 80° N beträgt etwa –15 °C.

Auf diese ohnehin warme Erde überlagerte sich ein Temperaturanstieg, das Paläozän/Eozän-Temperaturmaximum (PETM). Das PETM umfasst etwa 200 000 Jahre. Für niedrige und mittlere Breiten (φ<60°) sind ein Temperaturanstieg der Oberfläche und des Ozeantiefenwassers um etwa 4-8°C sowie umfassende Veränderungen der terrestrischen und marinen Biosphäre gut dokumentiert.

Untersuchung einer Sedimentprobe der Arktis

Die Forschungsmission IODP 302 (Integrated Ocean Drilling Program Expedition) förderte 2004 eine Sedimentprobe vom Lomonossow-Rücken in der zentralen Arktis zutage. Dieser Rücken stellt ein Stück der kontinentalen Kruste dar, die sich während des Paläozäns vom Eurasischen Schelfrand abgespalten hat und nach dem Paläozän in heutige Tiefen abtauchte. Die Sedimente, die dem oberen Paläozän und dem unteren Eozän zuzuordnen sind, befinden sich etwa zwischen 406 und 263 m Sedimenttiefe unterhalb des Meeresbodens.

Vor dem PETM kam der subtropische Dinoflagellat Apectodinium nur in niedrigen Breiten vor. Das plötzliche Auftauchen dieser Art in etwa 387 – 378,5 m Tiefe der untersuchten Sedimentprobe zeugt von dem erheblichen Anstieg der Arktischen Ozeanoberflächentemperaturen. Der Vergleich von Kohlenstoffisotop-Messungen(δ¹³C) in der Arktischen Sedimentprobe mit den Messungen für das PETM in anderen Flachwassergebieten stützt die Annahme, dass dieses Intervall dem PETM zuzuordnen ist. Die Messungen mit der TEX₈₆-Methode ergeben, dass die Ozeanoberflächentemperaturen von etwa 18° C im späten Paläozän bis auf über 23° C während des PETM anstiegen und dann allmählich wieder bis auf 17° C absanken. Verschiedene Messungen lassen darauf schließen, dass das hier untersuchte Gebiet küstennah lag und im späten Paläozän stark durch Flusseinträge beeinflusst wurde. Während des PETM verstärkt sich jedoch der Einfluss mariner Bedingungen. Dies wird auf eine Meeresspiegelerhöhung zurückgeführt. Die thermische Ausdehnung des Meerwassers um etwa 5 m auf Grund der Erhöhung der Tiefenwassertemperaturen um 5-8 °C kann eine Ursache hierfür sein.

Klimamodelle, die das frühe Paläozän mit einem atmosphärischen CO₂-Gehalt von 2000 ppm simulieren, unterschätzen die Arktischen Ozeanoberflächentemperaturen im Sommer um mindestens 15 °C für das PETM. Der Äquator-Pol-Temperaturgradient wird von den Modellen erheblich überschätzt. Die hohen polaren Temperaturen und der geringere Äquator-Pol-Gradient können nicht nur durch höhere Treibhausgaskonzentrationen erklärt werden. Zudem zeigen Modellsimulationen, dass höhere atmosphärische Wärmetransporte als Ursache unwahrscheinlich sind. Deswegen geht man davon aus, dass bisher nicht in den Modellen betrachtete physikalische Prozesse in Verbindung mit einer hohen Treibhausgaskonzentration dafür verantwortlich sind. Zu einer Erwärmung der hohen Breiten und einer tropischen Abkühlung könnten die Zunahme polarer Stratosphärenbewölkung bzw. die verstärkte Ozeanvermischung durch Hurrikane beigetragen haben.

Weitere Erkenntnisse über die Bedingungen in der Arktis während des PETM geben Untersuchungen über den Wasserkreislauf. Dazu wurden Wasserstoffisotop-Messungen (δD, D:Deuterium) von n-Alkanen durchgeführt. Beim Transport von Luftpaketen aus dem tropischen und subtropischen Ozean in höhere Luftschichten und zu den Polen hin findet Abkühlung und Kondensation statt. Dies bewirkt eine Absenkung des Deuterium-Anteils. Die Ergebnisse der δD-Messungen in der Sedimentprobe ergeben, dass der Niederschlag in der Arktis im Vergleich zu heutigen Verhältnissen einen erheblich höheren D-Anteil hatte. Die wahrscheinlichste Ursache dafür ist ein verringerter meridionaler und/oder vertikaler Temperaturgradient, der zu einem reduzierten Ausregnen von subtropischem Wasserdampf beim Transport in hohe Breiten führt. Erhöhter Niederschlag in Arktischen Regionen bewirkt eine Abnahme des Salzgehaltes. Für die angenommene erhöhte Wasserzufuhr während des PETM spricht daher auch die Beobachtung, dass in dieser Epoche der Anteil an Dinocysten von Lebewesen, die einen niedrigen Salzgehalt tolerieren, zugenommen hat, sowie ein hoher saisonaler Flusseintrag.

Zusammenfassung

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Arktis während des PETM u. a. durch sehr hohe Oberflächentemperaturen, einen erniedrigten Temperaturgradienten zwischen Äquator und Polen, hohe Treibhausgaskonzentrationen, einen erhöhten Meeresspiegel, eine Zunahme der Wasserzufuhr in sehr hohe Breiten und einen geringeren Salzgehalt charakterisiert wird. Über die Ursachen für diese Entwicklung können dabei zum Teil nur Vermutungen angestellt werden, so dass weitere Forschung auf diesem Gebiet nötig ist, auch um die heutige Klimaentwicklung besser verstehen und einordnen zu können.

Quellen

• A. Sluijs et al.: Subtropical Arctic Ocean temperatures during the Palaeocene/Eocene thermal maximum, Nature, No. 441, 2006, S. 610–613
• H. C. Jenkyns et al.: High temperatures in the Late Cretaceous Arctic Ocean, Nature, No.432, 2004, S. 888–892
• M. Pagani et al.: Arctic hydrology during global warming at the Palaeocene/Eocene thermal maximum, Nature, No. 442, 2006, S. 671–675
• K. Moran et al.: The Cenozoic palaeoenvironment of the Arctic Ocean, Nature, No. 441, 2006, S. 601–605