Kohlendioxid-Anstieg nach letzter Eiszeit im Südmeer erklärt

Westwinde auf der Südhalbkugel als Treiber des frühen nacheiszeitlichen CO₂-Anstiegs in der Atmosphäre

Der frühe Teil des letzten Eisrückgangs ist gekennzeichnet durch einen atmosphärischen CO₂-Anstieg von ~40 ppm in zwei abrupten Phasen. Die zugrundeliegenden Mechanismen, die diese Erhöhungen vorantreiben, sind nach wie vor Gegenstand intensiver Diskussionen. Forscher um Laurie Menviel, Universität New South Wales und Macquarie University in Sydney, Australien, reproduzierten (und publizierten das in Nature Communications) jetzt erfolgreich die Veränderungen von CO₂, ?¹³C*) und ?¹⁴C, wie sie in Paläo-Daten**) aus der Zeit des Heinrich-Stadial 1 (HS1 – Heinrich-Ereignis 1) enthalten sind. Sie zeigen, dass der Anstieg von HS1-CO₂ durch eine verstärkte Auftriebskraft der kohlenstoffreichen Tiefen- und Zwischengewässer des Südlichen Ozeans erklärt werden kann, die aus der verstärkten Strömung des Südlichen Ozeans und den Westwinden der südlichen Halbkugel (SH) resultiert.

[note *) ?¹³C (Delta-C-13) ist das Maß für das Verhältnis der stabilen Kohlenstoff-Isotope ¹³C/¹²C zwischen einer Probe und einem definierten Standard. Die auf diese Weise entdeckte Verschiebung des ?¹³C-Verhältnisses in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinsformationen gilt als starkes Indiz für die Existenz früher Lebensformen. Die ?¹³C-Signatur erlaubt zudem die Bestimmung der atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-Konzentration in verschiedenen Erdzeitaltern. Die Freisetzung großer Mengen Methanhydrat wie während des Paläozän/Eozän-Temperaturmaximums hat ebenfalls signifikante Auswirkungen auf die globale ?sup>13C-Signatur. Nach de.wikipedia.org/wiki/Paläoklimatologie
**) siehe: „Paleo records as a guide for ecosystem management and biodiversity conservation“ – boris.unibe.ch/105351/]

Während eine angewachsene antarktische Bodenwasserbildung zu einer tausendjährigen CO₂-Ausgasung führte, verursachten verstärkte SH-Westwinde einen mehrere Jahrzehnte dauernden atmosphärischen CO₂-Anstieg. Eine Stärkung der Südhalbkugel-Westwinde in einem globalen, wirbelnden Ozeanmodell unterstützt zudem eine jahrzehntelange CO₂-Ausgasung aus dem Südlichen Ozean – Menviel et.al.: „Unsere Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle von Südhalbkugel-Westwinde im globalen Klima- und Kohlenstoffkreislaufsystem mit wichtigen Implikationen für zukünftige Klimaprojektionen.“

Die natürliche Klimavariabilität der letzten 800.000 Jahre wurde von Eiszeit- und Zwischeneiszeit-Zyklen dominiert, wobei die atmosphärischen CO₂-Variationen ein großes positives Feedback liefern. Allerdings ist die Abfolge der Ereignisse, die zu einem endeiszeitlichen CO₂-Anstieg führen, nach wie vor schlecht eingeschränkt und eine Kombination von Mechanismen wurde zur Erklärung der vollen Amplitude von ~90 ppm herangezogen. Dazu gehören eine verminderte CO₂-Löslichkeit, eine Abnahme der globalen Ozeanalkalität, eine verminderte Eisendüngung, eine verstärkte Belüftung des Südlichen Ozeans und eine Polverschiebung der südlichen Hemisphäre (SH) nach Westen.

Modellierungsstudien zur Bewältigung des Problems der glazial-interglazialen CO₂-Veränderungen beinhalten meist idealisierte Sensitivitätsstudien, die oft unter konstanten vorindustriellen oder LGM-Randbedingungen durchgeführt werden. Eine detaillierte Untersuchung des Eisrückgangs würde einen direkteren Zusammenhang zwischen den Veränderungen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs herstellen und einen direkten Modell-Datenvergleich ermöglichen, wodurch die für die atmosphärischen CO₂-Veränderungen verantwortlichen Prozesse weiter eingeschränkt würden.

HS1 (vor ~17,6-14,7 ka = tausend Jahren), der Beginn des letzten Eisrückgangs, ist eine für das Verständnis wichtige Periode, da sie eine wichtige Phase des atmosphärischen CO₂-Anstiegs und des Übergangs aus der Eiszeit heraus darstellt. Paläoproxy-Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Bildung von nordatlantischem Tiefenwasser (North Atlantic Deep Water – NADW) während des HS1 signifikant geschwächt wurde, wodurch der meridionale Wärmetransport in den Nordatlantik effektiv reduziert wurde und zu kalten und trockenen Bedingungen über Grönland und dem Nordatlantik15 führte. Im Gegensatz dazu zeigen Paläoproxien eine Erwärmung der antarktischen Oberflächenlufttemperatur und der Oberflächengewässer des Südlichen Polarmeers um ~5 °C bzw. ~3 °C an. Diese Erwärmung ist zum Teil auf den erhöhten Wärmeinhalt im Südatlantik, den anschließende Zustrom von warmem Wasser durch den antarktischen Zirkumpolarstrom und den gleichzeitigen Anstieg von 40 ppm atmosphärischem CO₂ zurückzuführen. Allerdings sind die Mechanismen, die zu einem Anstieg des HS1-CO₂ führen, noch immer unzureichend eingegrenzt, und ein übergreifender Mechanismus, der diesen CO₂-Anstieg mit der Kühlung des Nordatlantiks und der Erwärmung des hohen südlichen Breitengrades verbindet, fehlt noch immer.

Jüngste hochauflösende Auswertungen antarktischer Eisbohrkerne zeigen, dass das atmosphärische CO₂ in zwei Hauptphasen bei ~17,2 und ~16,2 ka gestiegen ist, die jeweils mit einer ~0,2‰-Abnahme der atmosphärischen Kohlenstoff-Isotopenzusammensetzung verbunden sind (?¹³CO₂). Darüber hinaus sank der Gehalt an atmosphärischem Radiokohlenstoff (?¹⁴C) um ~112‰ zwischen 17,6 und 15 ka. Die Erklärung des atmosphärischen CO₂-Anstiegs erfordert daher auch die Zuordnung der gleichzeitigen Rückgänge von ?¹³CO₂ und ?¹⁴C. ?¹³CO₂ integriert Veränderungen des terrestrischen Kohlenstoffs, der marinen Exportproduktion, der ozeanischen Zirkulation und des Gasaustauschs zwischen Luft und Meer, während ?¹⁴C durch die atmosphärische ¹⁴C-Produktion und den Kohlenstoffaustausch zwischen der Atmosphäre und dem ozeanischen Tiefsee-Kohlenstoff oder dem alten terrestrischen Kohlenstoff gesteuert wird.

Eine Reihe von Verfahren wurden zur Erklärung der frühen nacheiszeitlichen atmosphärischen CO₂-Zunahme in Betracht gezogen. Ko-Variationen des Eisenflusses und der Nährstoffverwertung in der Sub-Antarktis deuten darauf hin, dass die Eisendüngung eine signifikante Kontrolle des atmosphärischen CO₂ während des HS1 durch die Modulation der Wirksamkeit der biologischen Pumpe im Südlichen Ozean bewirkt hat. Modellierungsstudien zeigen, dass eine verminderte Eisendüngung zu einem tausendjährigen atmosphärischen CO₂-Anstieg von ~10 ppm hat führen können, verbunden mit einem Rückgang von 0,1 ‰ CO₂, während des frühen Eisrückgangs. Allerdings hat die Eisendüngung keinen Einfluss auf die Atmosphäre ?¹⁴C oder das Alter der Ozeanbelüftung, und die Schwankungen der atmosphärischen Eisenablagerung im Südlichen Ozean werden letztlich durch die Exposition der Kontinentalschelfe, der SH-Hydrologie und der Winde kontrolliert. Tatsächlich wurde ein nacheiszeitlicher Rückgang des südatlantischen Lüftungsalters beobachtet, was auf eine mögliche Rolle der Belüftung des Südlichen Ozeans bei der Förderung des nacheiszeitlichen CO₂-Anstiegs hinweist. Diese Veränderung in der Belüftung des Südlichen Ozeans könnte durch die Stärke und Position der SH-Westwinde moduliert werden. Idealisierte Modellierungsstudien, die unter konstanten vorindustriellen Bedingungen durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass stärkere oder polverschiebte SH-Westwinde die Tiefseebelüftung verbessern könnten, was zu einem Anstieg des atmosphärischen CO₂ und einem Rückgang von ?¹³CO₂ führen würde. Während alle durchgeführten numerischen Experimente zeigen, dass stärkere SH-Westwinde zu einem atmosphärischen CO₂-Anstieg führen, sind die Auswirkungen von Veränderungen in ihrer Breitenlage vieldeutiger und könnten von ihrer ursprünglichen Breitenlage abhängen. Die Breitenlage der SH westlich an der LGM bleibt jedoch unklar6. Darüber hinaus kam eine aktuelle Modellierungsstudie, die ebenfalls unter konstanten vorindustriellen Randbedingungen durchgeführt wurde, zu dem Schluss, dass die SH-Westwinde zu keinen signifikanten Veränderungen des atmosphärischen CO₂-während des HS1 führten. Stattdessen und obwohl kein abrupter atmosphärischer CO₂-Anstieg simuliert wurde, war die Schlussfolgerung, dass der atmosphärische CO₂-Anstieg des HS1 ausschließlich auf einen verminderten Wirkungsgrad der biologischen Pumpe zurückzuführen ist, der aus einer schwächeren atlantischen Meridional Overturning Circulation resultiert.

Da das Ausmaß und die Rate einer ozeanischen Kohlenstofffreisetzung in die Atmosphäre während des Eisrückgangs in Frage gestellt wurden, wurde ein nacheiszeitlicher Transfer von Kohlenstoff aus dem terrestrischen in das atmosphärische Reservoir vorgeschlagen, entweder als Auftauen des Permafrostes der nördlichen Hemisphäre während HS1 oder als terrestrische Kohlenstofffreisetzung der nördlichen Hemisphäre aufgrund einer Verschiebung der Intertropical Convergence Zone (ITCZ) nach Süden um 16,2 ka. Das globale terrestrische Kohlenstoffreservoir hat sich jedoch im Laufe des Eisrückgangs erhöht und der Zeitpunkt und die Höhe des Permafrost-Kohlenstoffanteils sind nach wie vor schlecht begrenzt.

Bisher konnte keine dreidimensionale transiente Simulation die Veränderungen des atmosphärischen CO₂, seiner Isotopenzusammensetzung sowie des ozeanischen ?C und des Lüftungsalters über HS1 reproduzieren. Hier untersuchen et al. die Prozesse, die zu dem zweistufigen CO₂-Anstieg während HS1 führen, und ihre Verbindungen zu NADW-Schwächung und antarktischer Erwärmung, indem Menviel et al. eine Reihe von transienten Experimenten von HS1 mit dem Kohlenstoff-Isotopen-aktivierten Erdsystemmodell LOVECLIM durchführten. Diese Suite von Simulationen bewertet die Auswirkungen von Veränderungen der Belüftung des Südlichen Ozeans, einschließlich der potenziellen Rolle von Auftrieb und dynamischem Treiben, wie Schmelzwasser und SH-Western, bei der Beschleunigung des schnellen atmosphärischen CO₂-Anstiegs während des HS1. Die Reaktion des Ozeankohlenstoffs auf Veränderungen im SH-Westen wird in einem globalen, wirbelnden Ozeanmodell weiter untersucht. Wir zeigen, dass eine verstärkte Strömung im Südlichen Ozean und Auftrieb des Zirkumpolaren Tiefenwassers, getrieben durch verstärkte SH-Westwinde, zu einem atmosphärischen CO₂-Anstieg führen, ?¹³CO₂ und ?C in Übereinstimmung mit Paläo-Daten.

->Originalartikel: L. Menviel, P. Spence, J. Yu, M. A. Chamberlain, R. J. Matear, K. J. Meissner & M. H. England: Southern Hemisphere westerlies as a driver of the early deglacial atmospheric CO₂ rise; in Nature Communications, volume 9, Artikelnummer: 2503 (2018)
PDF: nature.com/s41467-018-04876-4.pdf