Neue Erkenntnisse zur Stabilität des Ostantarktischen Eisschildes

Vor der Küste der Ostantarktis, eingebettet in den Meeresboden der Vincennes-Bucht, haben Forschende unter Leitung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des Alfred-Wegener-Instituts Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven einen außergewöhnlich großen Sedimentkörper untersucht: eine rund 260 Meter hohe und 65 Kilometer lange, sogenannte „Grounding-Zone Wedge“, ein asymmetrischer, keilförmiger Sedimentkeil. Mit einem Volumen von mehr als 580 Kubikkilometern ist dieser der bislang größte bekannte isolierte Sedimentkörper auf einem vergletscherten Kontinentalschelf und bildet ein außergewöhnliches Archiv der vergangenen Eisgeschichte der Ostantarktis. 

Der Sedimentkeil entstand im Bereich der sogenannten Aufsetzzone („Grounding Zone“), dem Übergangsbereich von auf dem Meeresboden aufliegendem zu schwimmendem Eis. Während des Rückzugs des Ostantarktischen Eisschildes nach dem Ende der letzten Eiszeit stabilisierte sich diese Aufsetzzone über einen längeren Zeitraum, verlagerte sich anschließend über rund 65 Kilometer wieder in Richtung Meer und zog sich schließlich endgültig zurück. Hochauflösende geophysikalische Messungen zeigen nun erstmals detailliert, wie solch massive Sedimentkörper aufgebaut sind. Die Forschenden konnten nachweisen, dass die Stabilität von Aufsetzzonen nicht allein von Klimaveränderungen, sondern auch in besonderem Maße von der Form und Beschaffenheit des Meeresbodens abhängt. Die Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht wurde, liefert wichtige Referenzpunkte für Modellierungen zum Verhalten des Ostantarktischen Eisschildes.

„Wir sehen deutlich, dass sich ein Eisschild nicht einfach gleichmäßig über alle Buchten zurückzieht. Je nach Beschaffenheit des Untergrunds kann sich die Aufsetzzone über lange Zeit lokal räumlich stabilisieren und durch Sedimentablagerungen sogar wieder seewärts verlagern“, sagt Chiara Tobisch, Erstautorin der Studie und Promovierende in der CAU-Arbeitsgruppe Marine Geophysik und Hydroakustik am Institut für Geowissenschaften. „Neu ist, dass wir diese Dynamik anhand der inneren Struktur des Sedimentkörpers mit hochauflösender Methodik zum ersten Mal sehr präzise visualisieren und den Entstehungsprozess rekonstruieren konnten.“

Ein 65 Kilometer langes Archiv der vergangenen Eisgeschichte

Die sogenannten „Grounding-Zone Wedges“ entstehen dort, wo sich die Übergangszone von auf dem Meeresboden aufliegendem zu schwimmendem Eis eines Eisschildes während eines fortschreitenden Rückzugs über längere Zeit stabilisiert. Bleibt diese Zone über eine längere Zeit stationär, lagert sich dort unter stetigem tidalen Einfluss Sediment ab. Der Aufbau einer solchen keilförmigen Struktur erlaubt dem aufliegenden Eis, sich geringfügig Richtung Meer auszudehnen, was zu neuen Sedimentablagerungen auf der dem Meer zugewandten Seite des Keils führt. Die Kombination aus Sedimentablagerung und Eisvorschub führt zu einer schrittweisen Ausdehnung des Eises in Richtung Meer. Die innere Struktur dieser Sedimentkörper kann Aufschluss darüber geben, wie und unter welchen Bedingungen vergangene Stabilisationsprozesse abgelaufen sind. Der Ort und das Alter dienen als wichtige Referenzpunkte zur Überprüfung von Simulationen für ehemalige und heutige Eisschildbewegungen. 

Forschende schließen Wissenslücke über Aufbau und Entstehungsprozess

Über den internen Aufbau und die Entstehungsprozesse solcher teilweise sehr massiven Strukturen war jedoch bisher nur wenig bekannt. Diese Lücke schließt nun ein internationales Forschungsteam – darunter neben der CAU und dem AWI auch Wissenschaftler:innen der Universität Bremen, der Universität Tasmanien sowie vom Australischen Centre for Excellence in Antarctic Science – für eine der wichtigsten Regionen des ostantarktischen Kontinentalschelfs.

Grundlage der Studie sind 340 Kilometer hochauflösende seismische Reflexionsdaten, die während der Expedition PS141 mit dem deutschen Forschungsschiff Polarstern Anfang 2024 in der Vincennes-Bucht vor dem subglazialen Aurora-Becken erhoben und mit bathymetrischen Daten sowie Sediment-Echolotmessungen kombiniert wurden. Erstmals lässt sich damit die innere Schichtung eines solchen Keils in bislang unerreichter Detailgenauigkeit visualisieren. Die Daten zeigen deutlich ausgeprägte, seewärts vorrückende Sedimentschichten. Sie dokumentieren, wie Material aus dem Landesinneren unter dem Eis herantransportiert und an der Aufsetzzone abgelagert wurde. Besonders aufschlussreich ist die Stelle am landseitigen Ende der „Grounding-Zone Wedge“, an der der Rückzug endete und in eine Stabilisierung der Aufsetzzone überging. Dort verändert sich die Neigung des Meeresbodens. Gleichzeitig weisen die geophysikalischen Daten auf einen stärker verfestigten Untergrund hin. Diese beiden Faktoren trugen dazu bei, dass sich der Rückzug des Eises verlangsamte, die Aufsetzzone sich stabilisierte und sogar um insgesamt rund 65 Kilometer in Richtung Meer vorschob. Die Forschenden gehen davon aus, dass der Keil nach dem Letzten Glazialen Maximum vor etwa 20.000 Jahren entstand. Eine Modellabschätzung auf Basis eines vereinfacht angenommenen Sedimentflusses ergibt eine mögliche Aufbauzeit von etwa 4.000 Jahren. 

Warum der Meeresboden für Zukunftsprognosen wichtig ist

Der Ostantarktische Eisschild (EAIS) ist die größte Eismasse der Erde. Würde er vollständig abschmelzen, entspräche dies einem globalen Meeresspiegelanstieg von etwa 52 Metern. Wie schnell sich die Region unter einem sich erwärmenden Klima verändert, hängt unter anderem von der Wechselwirkung zwischen Eis, Ozean und Untergrund ab. In diesem Zusammenhang ist die Vincennes-Bucht besonders spannend, da hier mit dem Vanderford-Gletscher einer der am schnellsten zurückweichenden Gletscher der Ostantarktis ins Meer mündet, welcher eine direkte Verbindung ins tiefe Aurora-Subglazialbecken hat und somit für eine hohe Dynamik des EAIS sorgen kann. Zusätzlich beschleunigt hier derzeit relativ warmes, modifiziertes zirkumpolares Tiefenwasser den Eisverlust.

Die neue Studie macht deutlich, dass die Reaktion des auf dem Meeresboden aufsitzenden Eises jedoch nicht allein durch äußere Antriebe wie Ozeantemperatur oder Meeresspiegel bestimmt wird. „Auch lokale Veränderungen der Meeresbodenneigung und der geologischen Eigenschaften des Meeresbodens können von entscheidender Bedeutung sein. Schon kleine Änderungen dieser Faktoren können den Widerstand unter dem Eis beeinflussen und damit die Stabilität der Aufsetzzone verändern. Bisher wurden diese Faktoren in regionalen Eisschildmodellen jedoch nur unzureichend abgebildet“, fügt Dr. Johann Klages, Koautor und Geowissenschaftler am AWI hinzu.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Geometrie des Meeresbodens für die Entwicklung der Grounding-Zone eine viel größere Rolle spielen kann als es ein Blick auf die großen klimatischen und ozeanischen Veränderungen vermuten lässt“, sagt Professor Dr. Sebastian Krastel, Leiter der Arbeitsgruppe Marine Geophysik und Hydroakustik an der Universität Kiel. „Wenn wir die zukünftige Entwicklung der Antarktis modellieren wollen, müssen wir deshalb auch die kleinräumige Struktur des Untergrundes möglichst realistisch berücksichtigen.“ Die neu entdeckte Grounding-Zone Wedge in der Vincennes-Bucht liefert dafür einen außergewöhnlich detaillierten Referenzpunkt zur Überprüfung solcher Modelle.

Förderung
Die Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1158 „Antarktisforschung“ sowie durch das AWI-Forschungsprogramm „Changing Earth – Sustaining our Future“ gefördert. Darüber hinaus leistet sie einen Beitrag zum internationalen Forschungsprogramm „Instabilities and Thresholds in Antarctica“ (INSTANT) des Wissenschaftlichen Ausschusses für Antarktisforschung (SCAR).

Diese Meldung erschien zuerst bei der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).