Die Welt um uns herum verändert sich. Gletscher schmelzen, Meeresspiegel steigen, und Wettermuster verschieben sich auf eine Weise, die uns alle betrifft. Menschliche Aktivitäten verändern die Zusammensetzung der Atmosphäre – und zu verstehen, wie das mit den beobachteten Veränderungen zusammenhängt und wohin sie führen könnten, ist eine der drängendsten Fragen unserer Zeit.

Das Klima der Erde hat sich schon früher verschoben, unter Bedingungen, die dem ähneln, was sich heute abzeichnet. Könnten wir diese vergangenen Episoden rekonstruieren – wie schnell sich damals etwas veränderte, welche Kräfte dahinter steckten, wie Eisschilde und Ozeane reagierten – hätten wir etwas Unschätzbares: eine längere Perspektive auf das was möglich ist.

Aber wie liest man eine Vergangenheit, die keine schriftlichen Zeugnisse hinterlassen hat? Das sind die Fragen, die im Mittelpunkt unserer Arbeit stehen. Und um sie zu beantworten, müssen wir weiter in die Vergangenheit blicken als es je ein Thermometer oder ein Gezeitenpegel könnte.

Genau hier kommen Proxies ins Spiel.

Marine Organismen wie Foraminiferen – winzige einzellige Lebewesen, die kunstvolle Schalen aus Kalziumkarbonat bauen – aber auch Korallen, Algen und Muscheln hinterlassen in ihren Strukturen chemische Signaturen, die Informationen über die Umweltbedingungen zum Zeitpunkt ihres Wachstums tragen: Temperatur, Säuregehalt des Wassers und mehr. Diese messbaren Signale nennen wir Proxies.

Die in diesen Schalen gespeicherten Signale ermöglichen es uns, vergangene Umweltbedingungen über Zeiträume zu rekonstruieren, für die es keine instrumentell gemessenen Aufzeichnungen gibt – von Jahrzehnten bis zu Tausenden und Millionen von Jahren in die Vergangenheit.

Um das greifbar zu machen: Foraminiferen leben im Ozean, und wenn sie sterben sinken ihre Schalen auf den Meeresboden und werden im Sediment begraben. Durch Sedimentkerne – manchmal aus mehreren tausend Metern Wassertiefe – können wir diese Schalen an die Oberfläche bringen und ihre chemischen Signaturen analysieren. Das Verhältnis von Magnesium zu Kalzium in der Schale korreliert beispielsweise mit der Temperatur des Wassers, in dem die Schale gebildet wurde – und öffnet damit ein Fenster in eine längst vergangene Zeit. Ein weiteres Beispiel ist die Bor-Isotopie, die den pH-Wert des damaligen Meerwassers widerspiegelt – ein Maß für die Karbonatchemie des Ozeans, die eng mit dem atmosphärischen CO₂-Gehalt verknüpft ist. Magnesium, Bor – dies sind nur zwei der chemischen Signale, die wir nutzen, um verschiedene Aspekte vergangener Umweltbedingungen zu rekonstruieren.

Die hochpräzisen Messungen, die diese Analysen erfordern – Spurenelementverhältnisse und Isotopenzusammensetzungen bei sehr geringen Konzentrationen – führen wir in der [ICP-MS Facility] durch, die von unserer Gruppe initiiert und aufgebaut wurde und über die Jahre zu einer gemeinsam genutzten Infrastruktur für verschiedene Arbeitsgruppen des AWI gewachsen ist.

Diese Zusammenhänge sind jedoch nicht für alle Foraminiferenarten gleich. Jede Art bildet ihre Schale unter unterschiedlichen physiologischen Bedingungen – und genau diese Bedingungen, nicht das umgebende Meerwasser direkt, bestimmen letztlich welche Elemente in welchem Verhältnis in der Schale landen. Das chemische Signal, das wir messen ist gewissermaßen ein Nebenprodukt der eigenen Biologie des Organismus.

Um einen Proxy mit Zuversicht über verschiedene Arten, Zeiträume und Ozeanbedingungen hinweg einzusetzen, müssen wir die physiologische Umgebung verstehen, in der die Schale gebildet wird: wie Kalzium und andere Ionen den Ort der Kalzifizierung erreichen, wie der Organismus die Chemie an diesem Ort für seine eigenen biologischen Zwecke reguliert und wie Kristalle unter diesen Bedingungen Schicht für Schicht wachsen. Dieses Verständnis erlaubt es uns zu beurteilen, wo ein Proxy verlässlich ist und wo er seine Grenzen erreicht – und ihn mit begründetem Vertrauen statt bloßer Annahme in neue Kontexte zu übertragen. Mit langjähriger Erfahrung in Karbonatmineralogie und Kristallchemie ist dieses mechanistische Verständnis der Biomineralisation eine der zentralen Stärken unserer Gruppe.

Warum diese Signale zwischen Arten variieren – und unter welchen Bedingungen sie verlässlich sind – ist selbst ein aktives Forschungsfeld unserer Gruppe. Durch eine Kombination aus Feldarbeit und kontrollierten Laborexperimenten untersuchen wir, wie verschiedene Organismen Elemente in ihre Schalen einbauen – und schaffen damit die mechanistische Grundlage für robuste Proxies über ein breites Anwendungsspektrum.

Im obigen Beispiel rekonstruieren wir Umweltbedingungen über Zeiträume von tausenden bis Millionen von Jahren. Manche Fragen spielen sich aber auf viel kürzeren Zeitskalen ab und erfordern eine ganz andere zeitliche Auflösung.

Nehmen wir die Atlantifizierung – den Prozess, durch den wärmere und salzreichere Wassermassen aus dem Atlantik durch die Framstraße immer weiter nach Norden in den Arktischen Ozean vordringen. Dies ist ein aktuelles und andauerndes Phänomen, und um sein Tempo und Ausmaß zu verstehen, brauchen wir Archive mit einer hohen zeitlichen Auflösung: ein detailliertes Bild von Jahr zu Jahr.

Dafür wenden wir uns Organismen wie Clathromorphum compactum zu, einer krustigen Rotalge die auf arktischen Riffen wächst. Wie Baumringe legen diese Algen jedes Jahr eine neue Wachstumslage an, und die chemischen Signaturen jeder Lage spiegeln die Bedingungen des jeweiligen Jahres wider. Indem wir diese Signaturen Lage für Lage lesen, können wir nachvollziehen wie sich die arktischen Gewässer in den vergangenen ein bis zwei Jahrhunderten verändert haben – genau in dem Zeitraum, in dem sich die Atlantifizierung verstärkt hat.

Viele unserer Paläoklima-Rekonstruktionen entstehen in enger Zusammenarbeit mit der Sektion Marine Geologie des AWI – unsere Proxy-Expertise verbindet sich dabei mit deren tiefem Wissen über Sedimentarchive und paläozeanographische Aufzeichnungen.

Zwei sehr unterschiedliche Archive also, die zwei sehr unterschiedliche Fragen beantworten. Zusammen geben sie uns was keines allein leisten könnte: die zeitliche Tiefe, um natürliche Klimavariabilität zu verstehen und die Auflösung um die Veränderungen von heute zu erkennen und einzuordnen.

Wie profitiert die Gesellschaft von Proxies?

Über all diese Zeitskalen und Archive hinweg hilft unsere Arbeit dabei, die Veränderungen, die wir heute beobachten, in der Geschichte des Erdsystems zu verankern – nicht um ihre Bedeutung zu relativieren, sondern um sie besser zu verstehen.

Der praktische Wert liegt auf der Hand: Die Modelle mit denen wir zukünftige Klimaentwicklungen projizieren, müssen an der Vergangenheit getestet werden. Wenn ein Modell nicht reproduzieren kann was wir wissen, dass es geschehen ist, können wir nicht vertrauen, was es vorhersagt. Proxy-Datensätze gehören zu den wichtigsten Werkzeugen für diesen Test – und je verlässlicher die Proxies, desto belastbarer die Projektionen, die beeinflussen wie Gesellschaften sich auf den Klimawandel vorbereiten und reagieren.

Arbeitsgruppe

Dr. Gernot Nehrke
Dr. Albert Benthien
Dr. Jutta Wollenburg
Dr. Grit Steinhöfel-Sasgen
Dr. Gerald Langer
Klaus-Uwe Richter
Anja Terbrüggen
Beate Müller
Kerstin Beyer
Ulrike Richter
Prof. Dr. Jelle Bijma (Senior Advisor)