Ozeanzirkulation und Klimadynamik

Die Paläo-Ozeanographie des Arktischen Ozeans der letzten 55 Millionen Jahre

Abb. 1 Bohrplattform "Vidar Viking" im Vordergrund. Der schwedische Eisbrecher "Oden" und der Russische Eisbrecher "Sovetskiy Soyuz" im Hintergrund zerkleinerten das driftende Meereis, um die Bohrplattform auf Position zu halten (Quelle: IODP).

Kontakt: Prof. Dr. Martin Frank

                Dr. Robert F. Spielhagen

                Dr. Brian Haley

Die Zirkulation im Arktischen Ozean, wie wir sie heute kennen, stellt, verglichen mit der geologischen Vergangenheit, eine Ausnahmesituation dar. Dies wurde in mehreren Publikationen aus geochemischen Analysen einzigartiger Meeressedimente aus dem zentralen Arktischen Ozean abgeleitet. Diese Ergebnisse zeigten, dass der Arktische Ozean vor 55 Millionen Jahren Oberflächentemperaturen von bis zu 24°C erreichte. Vor 45 Millionen Jahren zeigt das erstmalige Auftreten von eistransportiertem Material, dass bereits zu dieser Zeit Eisschilde um den Arktischen Ozean existierten, und nicht erst 30 Millionen Jahre später, wie vorher angenommen. Ein markanter Übergang von sauerstoffarmem zu sauerstoffreichem Tiefenwasser vor 17.3 Millionen Jahren zeigt an, dass sich die Framstraße, die die einzige Tiefenwasserverbindung des Arktischen Ozeans mit dem Atlantik darstellt, bereits zu dieser Zeit öffnete und die Bildung eines gut durchlüfteten Ozeanbeckens erlaubte. Isotopendaten zeigen, dass die Zirkulation des arktischen Ozeans während des überwiegenden Teils der letzten 15 Millionen Jahre und während der Glazialstadien des Spätquartärs stark durch die Bildung von Meereis beeinflusst wurde und nicht, wie heute, durch einfließendes Wasser aus dem Atlantik dominiert war.

Abb. 2 Schematische Karte des heutigen Arktischen und Nordatlantischen Ozeans (nach Haley et al., 2008). Wichtige Strömungen und die zugehörige Nd-Isotopenzusammensetzung sind mit Pfeilen gekennzeichnet (blau für Oberflächenströmungen, schwarz für Tiefenströmungen und Kreuze bezeichnen Hauptgebiete der Tiefenwasserneubildung) und die Verteilung der Eisschilde in weiß (vorletztes Glazial mit roter Umrandung, letztes Glazial mit grüner Umrandung). Das rot gefärbte Gebiet nördlich von Sibirien kennzeichnet die Verbreitung der Verwitterungsprodukte der „Putorana Flutbasalte“ (PB). Die Lokatioin der ACEX-Sedimente ist mit einem Stern gekennzeichnet.

Der Arktische Ozean steht nur in begrenztem Austausch mit dem globalen Ozean, wobei die Framstraße zwischen Grönland und Svalbard die einzige Tiefenwasserverbindung zum Atlantischen Ozean darstellt. Hauptsächlich über diesen Weg wird der tiefe Arktische Ozean heute mit Sauerstoff versorgt. Die meisten vorherigen Studien, die auf tektonischen Modellen beruhten, zeigten, dass sich diese Tiefenwasserverbindung vor etwa 10 Millionen Jahren öffnete. Dies und auch die paläozeanographische und paläoklimatische Entwicklung des Arktischen Ozeans konnten nicht weiter untersucht werden, obwohl klar war, dass der Arktische Ozean empfindlich auf globale Klimaänderungen reagiert und möglicherweise auch selbst Änderungen auslöst. Der Grund war, dass die präquartäre ozeanographische Geschichte des Arktischen Ozeans (älter als etwa eine halbe Million Jahre) einschließlich des Übergangs von der „Greenhouse-“ zur „Icehouse-Welt“ aufgrund fehlender Sedimente nicht zugänglich war. Dies lag an den technischen Problemen, lange Sedimentkerne in einem eisbedeckten Ozean zu gewinnen. 

Die Geschichte des Arktischen Ozeans zum ersten Mal zugänglich
Die kontinuierlichen zentralarktischen Sedimentkerne, die im Sommer 2004 während der „Arctic Coring Expedition“ (ACEX, Leg 302 des Integrated Ocean Drilling Programms (IODP)1) die nahe des Nordpols auf dem Lomonosov-Rücken in 1000-1200 m Wassertiefe gewonnen wurden, erlaubten zum ersten Mal Einblicke in die klimatische und ozeanographische Geschichte des Arktischen Ozeans. Diese Expedition wurde mit 3 Schiffen durchgeführt: Eine Bohrplattform konnte dadurch für mehrere Tage im driftenden Meereis präzise an einer Position gehalten werden, so dass zwei Eisbrecher das Eis zerkleinerten. Die 428 m von erbohrtem Sediment reichten zurück bis in die Oberkreide. Diese Sedimente waren sehr schwer zu datieren, da sie speziell in den obersten 200 m so gut wie keine Fossilien enthalten. Die obersten 150 m der Sedimente konnten am ehemaligen IFM-GEOMAR (heute GEOMAR) mit Hilfe des kosmogenen Radionuklids 10Be datiert werden, das eine Halbwertszeit von 1.5 Millionen Jahren hat. Die Datierung ergab ein Alter von 12.3 Millionen Jahren in einer Tiefe von 150 m und eine durchschnittliche Sedimentationsrate von 14.5 m/Million Jahre (Frank et al., 2008). Eine solche Rate ist ähnlich der in anderen Ozeanbecken und nicht deutlich niedriger, wie vorher angenommen wurde. Die älteren erbohrten Sedimente zeigten, dass der Arktische Ozean bis etwa vor 46 Millionen Jahren ein Flachmeer mit brackischen Bedingungen war, wobei relativ hohe Temperaturen von 15-20°C vorherrschten, die während des Paläozän-Eozänen Thermalen Maximums (PETM) Werte von bis zu 24°C erreichten (Moran et al., 2006). Noch wichtiger war jedoch, dass sich vor etwa 45 Millionen Jahren eine dramatische Abkühlung ereignete, die zur Bildung von Meereis führte, was durch das erstmalige Auftreten von eistransportiertem Material belegt ist. Dies ist etwa 30 Millionen Jahre früher als vorher angenommen und etwa zeitgleich mit dem Beginn der Vereisung der Antarktis. Dieses Resultat erforderte die Revision des Paradigmas, dass die erste Vereisung der Antarktis durch deren tektonische Position und eine damit verbundene thermische Isolation verursacht wurde, sondern zeigte vielmehr, dass die Vereisung der hohen Breiten durch eine globale Abkühlung bewirkt wurde.

Die Öffnung der Wasserstraße zwischen dem Arktischen Ozean und dem Atlantik
Einer der Forschungsschwerpunkte an den ACEX Sedimenten war die Zeit, in der die Framstraße zwischen dem Arktischen Ozean und dem Nordatlantik etabliert wurde, was vorher nur auf der Basis tektonischer Modelle erforscht werden konnte. Oberhalb eines Hiatus von 26 Millionen Jahren haben die ACEX Sedimente ein Alter von 18.2 Millionen Jahren. Sie sind reich an organischem Kohlenstoff, ähnlich dem gesamten älteren Teil der erbohrten Sedimente, was zeigt, dass der tiefe arktische Ozean nicht gut mit Sauerstoff versorgt war und eher einem fast vollständig abgeschlossenen großen brackischen See ähnelte. In einer Tiefe von 190 m und einem Alter von 17.3 Millionen Jahren fand sich ein scharfer Übergang zwischen den kohlenstoffreichen schwarzen Sedimenten und kohlenstoffarmen braunen Sedimenten darüber. Dieser Wechsel dokumentiert eine erhöhte Sauerstoffversorgung und damit den Beginn eines gut ventilierten Ozeanbeckens, ähnlich den heutigen Bedingungen. Dieser Beginn der Belüftung konnte nur dadurch etabliert werden, dass durch die geöffnete Framstraße große Mengen salzreichen atlantischen Wassers in den Arktischen Ozean einflossen und damit Sauerstoff in intermediäre und Tiefenwässer lieferten (Jakobsson et al., 2007). Diese frühe Öffnung wurde sowohl von neuen tektonischen Informationen gestützt, als auch von einem Modell, das die minimale Breite der Framstraße für eine tiefe Konvektion im Arktischen abschätzte.

Abb. 3 Die Evolution des "Arctic Intermediate Water" (AIW) vom mittleren Miozän bis heute (nach Haley et al., 2008). (i) (offene Kreise) NADW εNd Daten aus Mangankrusten im Nordatlantik. (ii) (grüne Kreise) AIW εNd aus den ACEX Sedimenten. Gelbe Punkte repräsentieren Sedimentoberflächen und die grüne Box zeigt den Bereich der spätquartären Daten, die in Abb. 4 im Detail gezeigt sind. Schwarze Rauten sind Gesamtgesteinsdaten. (iii) Kompilierte globale δ18O Daten aus benthischen Foraminiferen zeigen wichtige finale Änderungen des Übergangs von "Greenhouse-" zur "Icehouse-Welt" (~16 bis 11 Millionen Jahre und nach ~3 Millionen Jahren vor heute).

Die Evolution der Zirkulation im Arktischen Ozean
Das meiste Wasser des tiefen Arktischen Ozeans wird heute durch die Framstrasse ausgetauscht und erneuert, die eine Tiefe von 2,500 m hat. Eine ausgeprägte und stabile Süßwasser-Schicht an der Oberfläche des Arktischen Ozeans, die durch die großen russischen Flüsse erzeugt wird, verhindert die Tiefenwasserbildung im Arktischen Ozean selbst nahezu vollständig. Neue Ergebnisse zeigen nun, dass diese Situation im überwiegenden Teil der vergangenen 15 Millionen Jahre nicht die Regel sondern eher die Ausnahme war (Haley et al., 2008). Diese Schlussfolgerung wurde aus dem Meerwasser-Isotopenverhältnis des Elements Neodym (143Nd/144Nd) in der Vergangenheit gezogen, die aus den Sedimenten extrahiert wurde. Das Neodym, das in Gesteinen abhängig von deren Alter und Typ charakteristische Isotopenverhältnisse hat, wird durch Verwitterung in den Ozean transportiert und liefert dort Informationen über die Herkunft von Wassermassen. Zur Überraschung der Geochemiker zeigte sich, dass die Isotopen-Signatur des Meerwassers der letzten 15 Millionen Jahre (Fig. 3), mit Ausnahme der Ablagerungen aus den Warmzeiten der letzten 400.000 Jahre (Fig. 4), viel höher (radiogener) als das heutige Signal war. Diese Signatur zeigt einen verstärkten Einfluss der Verwitterung basaltischer Gesteine, wobei solche Gesteine jedoch in den Landmassen um die Arktis herum ausschließlich in Form der sibirischen „Putorana-Flutbasalte“ existieren. Aus dieser geologisch einmaligen Situation konnten, zusammen mit Rekonstruktionen der kontinentalen Eisbedeckung der letzten 140.000 Jahre, Rückschlüsse über die Strömungsgeschichte des tiefen Arktischen Ozeans gezogen werden.

Abb. 4 Nd-Isotopenzusammensetzung des AIW der letzten 400,000 Jahre (gelbe Kreise) (nach Haley et al., 2008). Die blaue Kurve zeigt die Sauerstoffisotopenkurve des globalen Meerwassers, das die Menge an Landeis und damit die zyklischen Wechsel zwischen den Glazial und Interglazialstadien des Spätquartärs widerspiegelt.

Die Basaltsignatur kann nur dadurch in den tiefen Arktischen Ozean gelangt sein, dass sich in Kaltzeiten große Mengen neuen Meereises nahe den Basaltgebieten in der Karasee gebildet haben (Fig. 2). Bei der Eisbildung „friert“ das Salz aus, und es entstehen extrem salzhaltige Lösungen, die dichter als das umgebende Meerwasser sind. Diese sinken in die Tiefe ab und transportieren dabei die gelöste Neodym-Signatur der Basalte zum Meeresboden, wo die Sedimentkerne gewonnen wurden. Ferner lassen die gemessenen Isotopenverhältnisse nur den Schluss zu, dass der Einstrom Atlantischen Wassers in den Arktischen Ozean während des größten Teils der letzten 15 Millionen Jahre und während der Eiszeiten der letzten 400.000 Jahre im Vergleich zu heute stark erniedrigt war. Dies legt nahe, dass das Zentrum der Neubildung des Nordatlantischen Tiefenwassers (NADW), das von zentraler Bedeutung für die globale Ozeanzirkulation und für den Wärmetransport zwischen niedrigen und hohen Breiten ist, in diesen Zeiten nicht wie heute in der Norwegisch-Grönländischen See, sondern ähnlich den Kaltzeiten des Pleistozäns, weiter südlich lag.

1Das arktische IODP Bohrprojekt lief unter Federführung des europäischen Konsortiums ECORD (European Consortium for Ocean Research Drilling). Die Organisation ist ein Zusammenschluss von 17 europäischen Nationen, die am „Integrated Ocean Drilling Programme“ teilnehmen. ECORD ist außerdem für die Planung und Koordinierung von Sondereinsätzen verantwortlich, bei denen normale Bohrschiffe aufgrund von außergewöhnlichen Bedingungen nicht verwendet werden können, wie im Fall der ACEX-Expedition. Stattdessen müssen spezielle Plattformen zum Einsatz kommen, um die wissenschaftlichen Ziele zu erreichen.

Weitere Informationen

Literatur

Frank, M., Backman, J., Jakobsson, M., Moran, K., O’Regan, M., King, J., Haley, B.A., Kubik, P.W. and Garbe-Schönberg, D. (2008): Beryllium isotopes in central Arctic Ocean sediments over the past 12.3 million years: Stratigraphic and paleoclimatic implications.- Paleoceanography, in press. 

Haley, B.A., Frank, M., Spielhagen, R.F. and Eisenhauer, A. (2008): Influence of brine formation on Arctic Ocean circulation over the past 15 million years.- Nature Geoscience 1, 68-72. 

Jakobsson, M., Backman, J., Rudels, B., Nycander, J., Frank, M., Mayer, L., Jokat, W., Sangiorgi, F., O’Regan, M., Brinkhuis, H., King, J., and Moran, K. (2007): The Early Miocene onset of a ventilated circulation regime in the Arctic Ocean.- Nature 447, 986-990. 

Moran, K., Backman, J., Brinkhuis, H., Clemens, S.C., Cronin, T., Dickens, G.R., Eynaud, F., Gattacceca, J., Jakobsson, M, Jordan, R.W., Kaminski, M., King, J., Koc, N., Krylov, A., Martinez, N., Matthiessen, J., McInroy, D., Moore, T.C., Onodera, J., O’Regan, A.M., Pälike, H., Rea, B., Rio, D., Sakamoto, T., Smith, D.C., Stein, R., St. John, K., Suto, I., Suzuki, N., Takahashi, K., Watanabe, M., Yamamoto, M., Farrell, J., Frank, M., Kubik, P., Jokat, W. and Kristoffersen, Y. (2006): The Cenozoic palaeoenvironment of the Arctic Ocean.- Nature 441, 601-605.