Die Untersuchung des Sedimentbohrkerns zeigt, dass die Intensität des Antarktischen Zirkumpolarstroms als Bindeglied der drei großen Weltozeane besonders empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert, was wiederum den Austausch von CO2 zwischen Ozean und Atmosphäre erheblich beeinflusst.

Während einer Expedition mit einem US-amerikanischen Forschungsschiff im zentralen und östlichen Südpazifik entnahmen Forschende des IOW, des Alfred-Wegener-Instituts, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI, Bremerhaven), des Lamont-Doherty Earth Observatory (LDEO, USA) und des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (Bremen) im Jahr 2019 einige Sedimentbohrkerne.

Anschließend untersuchte die IOW-Wissenschaftlerin Antje Wegwerth einen dieser Bohrkerne, um Rückschlüsse bezüglich der Entwicklung des Klimas während der letzten 8 Mio. Jahre zu ziehen. Der untersuchte Bohrkern wurde in einer Wassertiefe von 3.800 m in der Nähe der Drake Passage entnommen. Diese Passage verläuft zwischen der Südspitze Südamerikas und dem Norden der Antarktischen Halbinsel und ist die engste Stelle des sogenannten Antarktischen Zirkumpolarstroms (Antarctic Circumpolar Current, ACC).

Der ACC ist die weltweit stärkste Meeresströmung und er verbindet den Pazifik, Atlantik und Indik. Seit Mio. von Jahren transportiert der ACC nicht nur Wärme, Salz und Nährstoffe, sondern auch gelöstes Kohlenstoffdioxid (CO2) um die Antarktis. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen in die Weiterentwicklung aktueller Klimamodelle einfließen und dabei helfen, das zukünftige Klima im Rahmen der fortschreitenden globalen Erderwärmung besser einschätzen zu können.

Algen geben Auskunft über frühere Meerestemperaturen

Das Forschungsteam untersuchte insgesamt 300 Sedimentproben aus dem 380 m langen Bohrkerns mittels der sogenannten Alkenon-Paläothermometrie. Damit erreichten sie im Rückblick auf die letzten 8 Mio. Jahre eine zeitliche Auflösung von ca. 25.000 Jahren. Ziel dieser Methode ist es, auf vergangene Temperaturen des Oberflächenwassers rückschließen zu können. Alkenone sind chemische Verbindungen, die zurückbleiben, wenn einzellige Kalkalgen absterben. Kalkalgen scheiden Kalk aus und sind in Meeren weltweit zu finden. Die Alkenone unterscheiden sich je nach vorherrschenden Temperaturen und ihre Analyse bietet daher die einmalige Möglichkeit, Rückschlüsse bezüglich vergangener Meeresoberflächentemperaturen zu ziehen.

Verstärkte Intensität des Zirkumpolarstrom während Kaltzeiten

Die Forscher fanden heraus, dass vor 2,2 bis 5,3 Mio. Jahren die Intensität des ACC während lang anhaltender, etwa 400.000 Jahre dauernder Kaltperioden anstieg. In Folge der erhöhten ACC-Intensität kam es wahrscheinlich zu einer stärkeren Durchmischung des tiefen Meerwassers, wodurch CO2 aus dem Meer in die Umgebungsluft und letztlich die Atmosphäre freigesetzt wurde. Laut der Erstautorin der Studie, der IOW-Wissenschaftlerin Antje Wegwerth, war die erhöhte Intensität des ACC während der langen Kaltzeiten (400.000 Jahre) überraschend:

„Bisherige Studien der letzten 1 Mio. Jahre haben eine erhöhte Intensität des ACC während der im Vergleich dazu eher kurzen Warmzeiten (10.000 Jahre) und nicht während Kaltzeiten nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass die Wechselwirkungen zwischen dem Meer und der Atmosphäre sich bezüglich der jeweils untersuchten Zeitskalen unterscheiden und daher noch näher und in unterschiedlicher zeitlicher Auflösung untersucht werden müssen.“

Globale Abkühlung: Ergebnisse im Widerspruch zu bisherigen Annahmen

Zudem wurde bisher davon ausgegangen, dass es vor ca. 2,7 Mio. Jahren während der beginnenden großen Vereisung auf der Nordhalbkugel zu einer weltweiten Abkühlung kam. Die IOW-Studie zeigte jedoch eine relativ starke Erwärmung um ca. 5 °C im Südozean und besonders im Südostpazifik zu dieser Zeit. Diese Erwärmung dauerte 700.000 Jahre an. Das Forschungsteam schließt daraus, dass die Erwärmung zusammen mit einem abgeschwächten ACC dazu führte, dass das Treibhausgas CO2 sich im subpolaren tiefen Meerwasser anreicherte.

Darauf folgte ein stetiger Entzug von CO2 aus der Atmosphäre und schließlich eine Abkühlung des Weltklimas. Die Erwärmung könnte auch Einfluss auf das teilweise Schmelzen des Antarktischen Eisschildes gehabt haben, was letztlich zu einer Abschwächung der nordatlantischen Tiefenwasserbildung und der atlantischen Umwälzzirkulation geführt und damit die Vereisung der Nordhalbkugel gefördert haben könnte.

Verbesserung derzeitiger Klimamodelle nun möglich

In einem Anschlussprojekt sollen die Bedingungen des Klimas und der Umwelt und die Wechselwirkungen mit dem angrenzenden Patagonien während der letzten 8 Mio. Jahre in einer höheren zeitlichen Auflösung als bisher untersucht werden. Dies wird zu einem besseren Verständnis des Klimas beitragen und bei der Verbesserung aktueller Klimamodelle helfen. Ziel ist es, die zukünftige Entwicklung des Klimas besser einschätzen zu können. Besonders aus dem Südozean liegen bisher nur wenige vergangene Klimadaten vor, weshalb diese Studie einen wichtigen Datenschatz für die weltweite Klimaentwicklung im Rahmen der fortschreitenden globalen Erderwärmung bereitstellt.

Über IOW

Das IOW ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, zu der aktuell 96 eigenständige Forschungseinrichtungen gehören. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Bund und Länder fördern die Institute gemeinsam. Insgesamt beschäftigen die Leibniz-Institute etwa 21.400 Personen, davon sind ca. 12.170 Forschende. Der Gesamtetat der Institute liegt bei 2,3 Mrd. Euro.
________________________________________
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Antje Wegwerth | Tel.: +49 381 5197 3481 | E-Mail: antje.wegwerth@io-warnemuende.de
________________________________________
Originalpublikation:
Wegwerth, A., Arz, H. W., Kaiser, J., Winckler, G., Lembke-Jene, L., Rigalleau, V., Ruggieri, N., Sadatzki, H., Lamy, F. (2025). South Pacific sea surface temperature and global ocean circulation changes since the late Miocene. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62037-w