Die Suche nach dem ältesten Eis der Erde

Um Ursache und Wirkung dieser kritischen Entwicklung verstehen zu können, erforschen Forschende weltweit den Kreislauf der Treibhausgase. Sie suchen nach Methoden, um das komplexe Klimasystem aufzuschlüsseln und die Reaktion auf die anhaltenden Emissionen auf der Erde besser einschätzen zu können. Eine dieser Methoden ist auch, in die Vergangenheit zu schauen. Sehr weit in die Vergangenheit: über mehr als eine Million Jahre. Vor 800.000 bis 1,2 Millionen Jahren – das haben Sediment-Bohrungen in der Tiefsee ergeben – gab es eine Verschiebung in der Regelmäßigkeit der Eiszyklen. Während sich seit 800.000 Jahren Eis- und Warmzeiten auf der Erde alle 100.000 Jahre abwechseln, lag der Zyklus vor 1,2 Millionen Jahren noch bei 40.000 Jahren je Phase. Was hatte dazu geführt? Und welchen Einfluss hatten das atmosphärische CO₂ und andere Treibhausgase auf diese Veränderung?

Die einzige direkte Informationsquelle, die sie dafür zur Verfügung haben, sind Eisbohrkerne aus der Antarktis.

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, suchen Forschende nach einer Möglichkeit, kontinuierliche Klimadaten, insbesondere der Treibhausgaskonzentrationen, für diesen Übergang zu rekonstruieren. Anders als bei anderen Klimaarchiven – wie Korallen, Baumringen oder Stalagmiten – enthält das Eis eingeschlossene Luftbläschen und damit ein direktes Archiv der Atmosphärenzusammensetzung aus dieser Zeit. Die Herausforderung ist, dieses für die Forschung nutzbar zu machen.

Einer der Hauptakteure der Oldest Ice Initiative ist Prof. Dr. Hubertus Fischer vom Oeschger-Zentrum für Klimafolgenforschung an der Universität Bern. Bereits um die Jahrtausendwende hatte er gemeinsam mit europäischen Partnern in der Ostantarktis den bisher ältesten erforschten Eiskern mit einem Alter von 800.000 Jahren geborgen und analysiert. Weil die Ergebnisse von damals interessante Zusammenhänge offenbarten, wollen sie noch einmal deutlich weiter in die Vergangenheit schauen und das Rätsel der sich verändernden Eiszeitzyklen entschlüsseln. 

Dafür bohren die Eiskernforschenden seit 2022 an Little Dome C, einem geeigneten Bohrpunkt, nur etwa 40 Kilometer von Dome Concordia entfernt. Mit Hilfe von komplexen Fließmodellen, glaziologischen und geophysikalischen Untersuchungen am Boden und einer Unzahl von Radarflügen konnte das Team diesen Bohrpunkt ausfindig machen, der 1,5 Millionen Jahre altes Eis verspricht. Der eigentliche Bohrkern hat einen Durchmesser von zehn Zentimetern. Mindestens ein Bohrkern dieser Größe ist nötig, um ausreichend Probenmaterial für die Analysen zu erhalten, denn der wirklich interessante Teil des Eiskerns werden seine unteren 300 Meter sein. Hier ist das Eis extrem verdichtet, sodass auf einem Meter Bohrkern 10-40.000 Jahre Klimageschichte gespeichert sein können. Für die untersten ca. 300 m planen die Forschenden deshalb auch einen zweiten Parallelkern zu erbohren, um mehr Probenmaterial für all die aufwändigen Analysen zu bekommen. 

Zuletzt hat das Projekt einen großen Meilenstein erreicht: Das Felsbett an Little Dome C wurde erreicht und damit bereits ein Eiskern gebohrt, der mindestens 1,2 Millionen Jahre Klimageschichte beinhaltet. In der kommenden 2025/26 Saison wird dann das tiefe Eis (die untersten ca. 400 m) noch einmal gebohrt. Dies erfolgt mittels dem sogenannten „deviational drilling“.

Bevor das Eis im Labor untersucht werden kann, bedarf es eines enormen logistischen und finanziellen Aufwandes: Noch an der Bohrstelle sollen die ersten zerstörungsfreien Messungen erfolgen, dann wird der Eiskern in ein Meter lange Stücke gesägt und in Isolationskisten gepackt. Diese werden anschließend per Flugzeug bis an die Küste der Antarktis geflogen. Von dort werden die Transportboxen in einem speziellen -50°C Gefriercontainer per Schiff nach Europa gebracht und in die beteiligten Labore in zehn Ländern verteilt. Ein immenser logistischer Aufwand unter Einsatz vieler Fahrzeuge und großer Mengen Technik, Energie und Personal. 

Die geschätzten Kosten für das europäische Gesamtprojekt belaufen sich auf mehr als 15 Millionen Euro, wobei ein Großteil vom EU Forschungsprogramm HORIZON 2020 und dem Schweizerischen Nationalfonds zur Verfügung gestellt wird. 

Ein langer und aufwändiger Weg, der sich letztendlich aber für alle Bewohner unseres Planeten lohnen könnte. Es gibt viele Interessenten weltweit, die große Erwartungen in die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes setzen. Klimaforscher, Geologen, Glaziologen und viele andere Naturwissenschaftler erhoffen sich neue Informationen wie unser Klimasystem funktioniert und mit denen sie ihre aktuellen Klimamodelle weiter verbessern und genauere Vorhersagen für die Zukunft ableiten können.

Es ist zu erwarten, dass diese Ergebnisse unseren Spielraum für Verzögerungen bei den weltweiten Bemühungen zur Senkung der Treibhausgasemissionen noch weiter eingrenzen werden.

Das Oeschger-Zentrum für Klimafolgenforschung (OCCR) an der Universität Bern gehört zu den führenden internationalen Klimaforschungszentren. In interdisziplinären Forschungsgruppen aus 17 Instituten und 5 Fakultäten werden die Bereiche Physik, Geografie, Biologie, Chemie, Geschichte, Ökonomie, Gesundheit, Politikwissenschaften und Philosophie miteinander verknüpft, um das komplexe System Erde zu verstehen und Antworten auf die drängenden Fragen der Menschheit zu finden. Eine der zentralsten lautet: Welche Auswirkungen erwarten Mensch, Gesellschaft und Natur, wenn sich das Klima weiter so drastisch verändert? Der Berner Klimaphysiker Prof. Dr. Hubertus Fischer ist maßgeblich daran beteiligt. Sein Fachgebiet ist die Eiskernforschung.

Während meines Physik-Studiums hatte ich eigentlich erst großes Interesse an Astro-, Teilchen- oder auch Biophysik. Aber auf der Suche nach einem Thema für meine Diplomarbeit fragte mich mein späterer Betreuer an der Uni Heidelberg, ob ich mir auch vorstellen könne, auf eine Expedition nach Grönland zu gehen. Wir sind dann mit Motorschlitten, Pistenfahrzeugen und Zelten losgezogen, um Eisbohrkerne als Klima- und Umweltarchiv zu bergen – und dann hatte mich das Eis endgültig gepackt.

Da musste ich nicht lange überlegen, ich hatte schon immer eine Vorliebe für Landschaften aus Schnee und Eis.

Die Forschenden schlafen zum Teil in Zelten, teilweise gibt es aber auch Wohncontainer. Die tiefsten Außentemperaturen, die ich im Zelt erlebt habe, waren –46 °C. Mit dem richtigen Schlafsack ist das aber kein Problem, dann wird es trotzdem lauschig warm. Die Camps der großen Eiskern-Tiefbohrungen haben beheizte Container, in denen es Toiletten, Duschen und eine Küche gibt. Bei Expeditionen ohne feste Infrastruktur gibt es auch schon mal eine Schneewäsche in der Sonne, z. B. in „wärmeren“ Gebieten wie Grönland, wo es nur bis –30 °C kalt wird. Bei der Arbeit im Freien oder in den großen „Höhlen“ unter dem Schnee, in denen wir die Tiefbohrungen machen und erste Analysen durchführen, packen wir uns in warme Daunensachen. Trotzdem habe ich leider fast immer kalte Hände.

Spontan würde ich sagen: Grönland. Vermutlich, weil mich dort meine erste Expedition hingeführt hat, die mich sehr beeindruckt hat und weil dort Menschen leben, die es seit langem gelernt haben mit diesen unwirtlichen Bedingungen klarzukommen. Aber im Grunde ähneln sich die polaren Eiswüsten so sehr, dass es schwer wäre mit bloßem Auge überhaupt einen Unterschied zu erkennen. Wenn man mich mitten auf dem grönländischen oder antarktischen Eisschild aussetzen würde, bräuchte ich schon meine Analysegeräte, um anhand der Schnee- und Eisbestandteile feststellen zu können, ob ich in der Arktis oder der Antarktis bin.

Wir gehören weltweit zu den führenden Spezialisten für die Konzentrations- und Isotopenanalyse von Atmosphärenluft in Eisbohrkernen. Nur in Bern sind wir bisher in der Lage, sämtliche in Eiskernen enthaltenen Treibhausgase zu extrahieren und die gesamte Bandbreite ihrer isotopischen Zusammensetzung zu bestimmen. Darüber hinaus haben wir in den vergangenen Jahren eine massenspektrometrische Methode entwickelt, um Edelgasverhältnisse und die isotopische Zusammensetzung der Edelgase in Eiskernproben zu messen, die uns eine quantitative Information über die Änderung der mittleren Ozeantemperatur zur Verfügung stellt.