Das Wachstum und der Rückgang des isländischen Eisschildes haben die Meerwasserchemie des Nordatlantiks in den vergangenen 230.000 Jahren erheblich beeinflusst. Verantwortlich dafür ist das Zusammenspiel von Eis und Vulkanismus auf Island. Zu diesem Ergebnis kommen Wissenschaftler des Instituts für Umweltphysik an der Universität Heidelberg nach der Untersuchung von Sedimentkernen vom Rockall Plateau im nordöstlichen Atlantik. Das Team analysierte dafür die Isotopenzusammensetzung des Seltene-Erden-Elements Neodym in den Bohrproben. Dabei zeigte sich, dass das isotopische Signal zwischen glazialen und interglazialen Perioden deutlich schwankte und dem „Rhythmus“ der Eiszeiten folgte, wie die Untersuchungen unter der Leitung von Prof. Dr. Norbert Frank zeigen.

Neodym als chemischer Fingerabdruck des Meerwassers

Die Isotopenzusammensetzung von Neodym (Nd) im Meerwasser gehört zu den häufig verwendeten Methoden, um Veränderungen der Ozeanzirkulation in der jüngeren geologischen Vergangenheit zu rekonstruieren. Grundlage ist die Annahme, dass die chemischen „Fingerabdrücke“ der großen Wassermassen über lange Zeiträume weitgehend konstant geblieben sind.

Die Ergebnisse der Heidelberger Wissenschaftler stellen diese Annahme zumindest für den Nordatlantik während glazialer Perioden infrage. Die Analysen der Tiefseesedimente vom Rockall Plateau zeigen, dass sich die Chemie des nordatlantischen Meerwassers wiederholt und deutlich verändert hat. Als Ursache sehen die Forschenden vulkanisches Material, das von Island in den Ozean gelangte.

Gesteinsmehl gelangte durch das Eis in den Atlantik

Verschiedene kontinentale Gesteine besitzen unterschiedliche isotopische Signaturen. Das Verhältnis der Isotope 143Nd und 144Nd des im Meerwasser gelösten Neodyms gibt deshalb Hinweise darauf, aus welchen Gesteinen das Seltene-Erden-Element herausgelöst wurde.

Rückte der Eisschild auf Island während eines Glazials vor und bewegte sich über das basaltische Grundgestein, entstanden große Mengen feinen und hochreaktiven Gesteinsmehls. Dieses Material gelangte in den Nordatlantik und setzte dort Neodym mit einer ausgeprägten radiogenen Signatur frei, das mit 143Nd angereichert war. Die Untersuchung der Neodym-Isotope aus dem Sedimentkern ODP Site 982 des Rockall Plateau zeigt, dass die oberen Wassermassen des Nordatlantiks während der Höhepunkte der Eiszeiten deutlich radiogener waren als während der warmen Zwischeneiszeiten. Die Schwankungen standen dabei in engem Zusammenhang mit dem Volumen des isländischen Eisschildes.

Meerwasserchemie folgte der Dynamik des Eises

Mithilfe eines sogenannten Boxmodells konnten die Heidelberger Wissenschaftler die Ergebnisse ihrer Analysen der Tiefseesedimente reproduzieren. Demnach verliefen die Veränderungen der Meerwasserchemie infolge des vulkanischen Eintrags nicht gleichmäßig. Vielmehr reagierten sie auf die Dynamik des Eises auf Island und erreichten während Phasen schneller Vergletscherung ihre stärkste Ausprägung.

„Das isotopische Signal folgte dem Rhythmus der Eiszeiten fast Schritt für Schritt“, sagt Dr. Antao Xu. „Das weist darauf hin, dass die isländischen Eisschilde selbst die treibenden Kräfte dafür waren, dass die Meerwasserchemie des Nordatlantiks während der vergangenen 230.000 Jahre mehrfach umgestaltet wurde.“

Die Ergebnisse zeigen zudem, dass der Eisschild den Eintrag von Mikronährstoffen wie Eisen beeinflusste. Dies dürfte sich während der Eiszeiten auch auf das marine Leben und den Kohlenstoffkreislauf ausgewirkt haben, so Dr. Xu, der Mitglied der von Prof. Frank geleiteten Arbeitsgruppe „Physik der Umweltarchive“ ist.

Neue Erkenntnisse über die Regulierung der Ozeanchemie

„Die Ergebnisse unserer Forschungsarbeiten unterstreichen, dass die Eisschildsysteme in hohen Breitengraden bei der Regulierung der Ozeanchemie eine entscheidende Rolle spielen“, betont Prof. Frank.

Die Erkenntnisse haben nach Einschätzung des Wissenschaftlers weitreichende Konsequenzen für die Rekonstruktion vergangener Veränderungen der Ozeane. „Sie mahnen zur Vorsicht bei der Annahme, dass feste isotopische Fingerabdrücke existieren, die zur Rekonstruktion der vergangenen Ozeanzirkulation eingesetzt werden können. Zudem decken sie einen bislang unterschätzten Zusammenhang zwischen der Kryosphäre, der kontinentalen Verwitterung und der Chemie des Ozeans auf.“

Sedimentkerne dokumentieren vergangene Klimaphasen

Die Untersuchungen waren Teil eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie sich Ozeanzirkulation und geochemische Kreisläufe während großer Klimawandelphasen der Vergangenheit entwickelt haben. Die Forschung basiert auf Sedimentkernen einer Expedition des Ocean Drilling Program (ODP) / International Ocean Discovery Program (IODP). Zur Verfügung gestellt wurden die Proben vom IODP Bremen Core Repository am MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen. Die Ergebnisse der Heidelberger Forschungsarbeiten sind in „Science Advances“ erschienen.

Originalpublikation: A. Xu, K. Just, A. M. Piotrowski, J. Stohl, N. Frank: Ice-sheet dynamics drive glacial-interglacial shifts in North Atlantic seawater neodymium isotopes. Science Advances (19 August 2026), DOI: 10.1126/sciadv.aeg5747