In recent years global warming has left its mark on the Antarctic ice sheets. The "eternal" ice in Antarctica is melting faster than previously assumed, particularly in West Antarctica more than East Antarctica. The root for this could lie in its formation, as an international research team led by the Alfred Wegener Institute has now discovered: sediment samples from drill cores combined with complex climate and ice-sheet modelling show that permanent glaciation of Antarctica began around 34 million years ago – but did not encompass the entire continent as previously assumed, but rather was confined to the eastern region of the continent (East Antarctica). It was not until at least 7 million years later that ice was able to advance towards West Antarctic coasts. The results of the new study show how substantially differently East and West Antarctica react to external forcing, as the researchers describe in the prestigious journal Science.
Vor etwa 34 Millionen Jahren erlebte unser Planet eine der grundlegendsten Klimaveränderung, die das globale Klima bis heute beeinflusst: der Übergang von einem Treibhaus mit keinen oder nur ganz wenigen Eisflächen hin zu einem Eishaus mit dauerhaft vergletscherten Gebieten. In dieser Zeit baute sich der antarktische Eisschild auf. Wie, wann und vor allem von wo aus, war bisher noch nicht genau bekannt. Es fehlten zuverlässige Daten und Proben vor Ort, besonders aus der Westantarktis, welche die Veränderungen der Vergangenheit dokumentieren. Diese Wissenslücke konnten nun Forschende des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen des British Antarctic Survey, der Universität Heidelberg, der britischen Northumbria University, des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen und weiteren Partnern der Universitäten Aachen, Leipzig, Hamburg, Bremen und Kiel, der University of Tasmania (Australien), dem Imperial College London (UK), der University of Leicester (UK), der Université de Fribourg (Schweiz), der Universidad de Granada (Spanien), der Texas A&M University (USA), Senckenberg am Meer und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover schließen.
Anhand eines Bohrkerns, den die Forschenden mit dem Bremer Meeresboden-Bohrgerät MARUM-MeBo70 vor den westantarktischen Pine Island und Thwaites Gletschern gezogen haben, konnten sie erstmals in die Geburtsstunde des Eisschildes blicken: Überraschenderweise lassen sich dort während der antarktischen Erstvereisung vor etwa 34 Millionen Jahren keine Anzeichen für eine Präsenz von Eis finden. „Somit muss eine großräumige, dauerhafte Erstvergletscherung irgendwo in der Ostantarktis begonnen haben“, sagt Dr. Johann Klages, Geologe am AWI, der das Forschungsteam leitete. Denn: Die Westantarktis blieb während dieses ersten glazialen Maximums eisfrei. Zu dieser Zeit war sie weiterhin zu großen Teilen von dichten Laubwäldern bedeckt und das kühl-gemäßigte Klima verhinderte, dass sich hier Eis bilden konnte.
Ost- und Westantarktis reagieren grundlegend anders auf äußere Bedingungen
Um genauer zu verstehen, wo sich das erste dauerhafte Eis der Antarktis bildete, haben Computersimulationen am AWI die nun neu vorliegenden aber auch bereits vorhandene Daten zu Luft- und Wassertemperaturen und dem Vorkommen von Eis verknüpft. „Die Simulation hat die Ergebnisse des besonderen Kerns der Geologen gestützt“, sagt Gerrit Lohmann, Paläoklimamodellierer am AWI. „Das krempelt unser Wissen um die antarktische Erstvereisung komplett um.“ Demnach herrschten nur in der Küstenregion des Nördlichen Viktorialandes in der Ostantarktis die klimatischen Grundvoraussetzungen, um dauerhaftes Eis zu bilden. Hier sind feuchte Luftmassen auf ein sich intensiv hebendes Transantarktisches Gebirge gestoßen – ideale Bedingungen für dauerhaften Schnee und in der Folge für die Bildung von Eiskappen. Von dort aus hat sich der Eisschild zügig ins ostantarktische Hinterland ausgebreitet. Bis er die Westantarktis erreichte, dauerte es jedoch noch: „Erst sieben Millionen Jahre später herrschten hier Bedingungen, unter denen sich ein Eisschild bilden konnte“, erklärt Hanna Knahl, Paläoklimamodelliererin am AWI. „Unsere Ergebnisse machen deutlich, wie kalt es erst werden musste, um den Eisvorstoß in die Westantarktis zu bringen, die bereits in vielen Teilen unterhalb des Meeresspiegels lag.“ Was die Untersuchungen auch eindrucksvoll zeigen ist, wie unterschiedlich die beiden Teile des antarktischen Eisschildes auf äußere Einflüsse und grundlegende klimatische Veränderungen reagieren. „Eine leichte Erwärmung reicht schon aus, um das Eis der Westantarktis wieder zum Schmelzen zu bringen – und genau da befinden wir uns gerade“ ergänzt Johann Klages.
Die Erkenntnisse des internationalen Forschungsteams sind immens wichtig, um den extremen Klimaübergang vom Treibhausklima der Vergangenheit in unser heutiges Eishausklima zu verstehen. So können Klimamodelle nun sehr viel genauer greifen, welche Auswirkungen permanent vergletscherte Bereiche auf die globale Klimadynamik, also die Wechselwirkungen zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre haben. Das ist von entscheidender Bedeutung, wie Johann Klages sagt: „Vor allem vor dem Hintergrund, dass uns in naher Zukunft wieder eine solch fundamentale Klimaänderung bevorstehen könnte.“
Mit neuer Technik zu einzigartigen Erkenntnissen
Diese Wissenslücke konnten die Forschenden mit Hilfe eines einzigartigen Bohrkerns schließen, den sie auf der Expedition PS104 mit dem Forschungseisbrecher Polarstern im Jahr 2017 in der Westantarktis gezogen haben. Hierfür kam das am MARUM in Bremen entwickelte Bohrgerät MARUM-MeBo70 zum ersten Mal in der Antarktis zum Einsatz. Der Meeresboden vor den westantarktischen Pine Island und Thwaites Gletschern ist so verdichtet, dass es bisher nicht möglich war, mit konventionellen Methoden der Kernnahme tiefe Sedimente zu erreichen. Das MARUM-MeBo70 hat einen rotierenden Bohrkopf, der es möglich machte, etwa 10 Meter in den Meeresboden zu bohren und Proben zu entnehmen.
Finanziert wurde das Forschungsprojekt, insbesondere aber die Polarstern-Expedition PS104, durch Gelder des AWI, des MARUM, des British Antarctic Survey und des britischen International Ocean Discovery Program (UK-IODP).
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Original publication
J. P. Klages, C.-D. Hillenbrand, S. M. Bohaty, U. Salzmann, T. Bickert, G. Lohmann, H. S. Knahl, P. Gierz, L. Niu, J. Titschack, G. Kuhn, T. Frederichs, J. Müller, T. Bauersachs, R. D. Larter, K. Hochmuth, W. Ehrmann, G. Nehrke, F. J. Rodríguez-Tovar, G. Schmiedl, S. Spezzaferri, A. Läufer, F. Lisker, T. van de Flierdt, A. Eisenhauer, G. Uenzelmann-Neben, O. Esper, J. A. Smith, H. Pälike, C. Spiegel, R. Dziadek, T. A. Ronge, T. Freudenthal, and K. Gohl. Ice sheet-free West Antarctica during peak early Oligocene glaciation. (2024). DOI: 10.1126/science.adj3931.
