Wie der Atlantik Teil der globalen Ozeanzirkulation wurde

23.11.2018/Frankfurt, Oxford, Kiel. Meeresströmungen im tiefen Ozean haben einen wichtigen Einfluss auf das globale Klima. In welchem Ausmaß, zeigte sich zuletzt vor 59 Millionen Jahren, als es zum Austausch großer Mengen an Wasser zwischen dem nördlichen und südlichen Atlantik kam. Das fanden Forscherinnen und Forscher der Goethe-Universität Frankfurt, der Universität Oxford (UK), des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel sowie weiterer Einrichtungen in Deutschland und Großbritannien heraus, indem sie Neodym-Isotope aus Sedimentproben vom Meeresboden aus beiden Regionen des Atlantiks miteinander verglichen. Wie sie in einer heute in Nature Communications veröffentlichten Studie mitteilen, kam es durch die verstärkte Zirkulation des Meereswassers und die gleichzeitige Zunahme des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre zu einem klimatischen Wendepunkt. Mit der gleichmäßigeren Wärmeverteilung über die Erde endete eine mehrere Millionen Jahre andauernde Kaltphase und es begann eine neue Warmzeit.

Neodym(Nd)-Isotope dienen in diesem Fall als Markierung für Wassermassen. Sie gelangen aus Flüssen oder über Sedimente ins Meer oder werden als Bestandteile von Staub ins Wasser geweht. Wenn das Oberflächenwasser zum Meeresgrund sinkt, trägt es einen für seine Entstehungszeit charakteristischen Nd-Isotopen-Fingerabdruck des umgebenden Festlands in die Tiefe. Dort wird es von tiefen Meeresströmungen erfasst, mit anderen Wassermassen vermischt und nach und nach in das Sediment des Meeresbodens eingelagert. Die entstehenden Sedimentschichten haben sich als gute Archive für Meeresströmungen und das Klima vergangener Zeiten erwiesen.

Die Geschichte, die die Forscher aus der Analyse der Nd-Isotope in Bohrkernen aus Tiefseebohrungen rekonstruiert haben, beginnt in der späten Kreidezeit. Die Erde befand damals zwischen zwei Treibhaus-Phasen. Das Klima hatte sich für einige zehn Millionen Jahre abgekühlt, nachdem es vor etwa 90 Millionen Jahren in der Mitte der Kreidezeit seine heißeste Phase erreicht hatte. Aber trotz der langen Abkühlphase war der Meeresspiegel zum Ende der Kreidezeit vor 66 Millionen Jahren höher als heute. Der Atlantische Ozean war noch jung und deutlich kleiner, und das nord- und südatlantische Becken waren flacher als heute.

Die Ozeanpassage, die auf der Höhe des Äquators zwischen Südamerika und Afrika verlief, erlaubte während der späten Kreidezeit nur einen oberflächlichen Wasseraustausch. Aktive Unterwasser-Vulkane bildeten Berge und Plateaus auf dem Meeresboden, die eine freie Zirkulation der Tiefenströmungen behinderten. Im südlichen Atlantik bildete sich der Walfischrücken als steiler Gebirgszug über einem vulkanischen Hotspot. Er befand sich teilweise sogar oberhalb des Meeresspiegels.

Als der Atlantische Ozean sich weiter öffnete, kühlte die Erdkruste am Meeresboden ab und die vulkanische Aktivität ließ nach. Die Becken wurden tiefer und größer, die untermeerischen Plateaus und Meeresrücken sanken zusammen mit der Erdkruste ab. An einem bestimmten Punkt konnte das Tiefenwasser aus dem südlichen Ozean den Walfischrücken in Richtung Norden überqueren und die tieferen Becken des Atlantiks füllen.

„In unserer Studie haben wir erstmals herausgefunden, wann und wie diese Verbindung entstand“, sagt Sietske Batenburg, die Erstautorin der Studie von der Goethe-Universität Frankfurt. „Vor 59 Millionen Jahren wurde der Atlantische Ozean Teil der globalen thermohalinen Zirkulation, also jener Strömung, die vier der fünf Weltmeere miteinander in einem großen, weltumspannenden Kreislauf verbindet“, ergänzt Prof. Dr. Martin Frank, Paläoozeanograph am GEOMAR, Ko-Autor und einer der Initiatoren der Studie.

Die Untersuchungen haben gezeigt: Um die Rolle der Meeresströmungen in früheren Warmzeiten zu verstehen, ist es wichtig, zwischen geographischen Einflüssen und klimatischen Antrieben zu unterscheiden. Auch für die Gegenwart können wir etwas daraus lernen, denn das Treibhausklima der Kreidezeit und des frühen Eozäns könnten als Modelle für künftige Klimaveränderungen dienen.

Diese Forschung ist das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit der Goethe-Universität Frankfurt; der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg; des GEOMAR-Helmholtz Zentrums für Ozeanforschung Kiel; der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe  in Hannover, der Royal Holloway University of London und der University of Oxford.

Die in der vorliegenden Studie verwendeten Sedimentproben stammen aus langen Tiefsee-Bohrkernen. Sie wurden im Rahmen des International Ocean Discovery Program (IODP) gewonnen, das wissenschaftliche Expeditionen zu Tiefseebohrungen koordiniert und die Sedimente lagert, so dass sie der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft für die Forschung zur Verfügung stehen.

Originalarbeit:

Batenburg, S. J., S. Voigt, O. Friedrich, A.H. Osborne, A. Bornemann, T. Klein1, L. Pérez-Díaz und M. Frank (2018): Major intensification of Atlantic overturning circulation at the onset of Paleogene greenhouse warmth. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-018-07457-7