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Erde+Klima

Klima in Kalk

Tropfsteine archivieren die Klimaschwankungen der letzten Jahrtausende – und belegen: Das natürliche Auf und Ab des Klimas ist stärker als bisher gedacht.

In einer Tropfsteinhöhle scheint die Zeit stillzustehen. Hier gibt es weder Tag noch Nacht, weder Sommer noch Winter. Nur das Aufklatschen der Wassertropfen unterbricht die Stille. Ausgerechnet in dieser Zeitlosigkeit protokolliert die Natur penibel das Klima. Augusto Mangini, Professor am Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg, zieht seinen Nutzen daraus. Er beschäftigt sich seit 15 Jahren mit Tropfsteinen – und ist zu einem erstaunlichen Ergebnis gekommen: Die natürlichen Klimaschwankungen sind größer, als die Wissenschaftler bisher annahmen.

Das hat Konsequenzen für die Zukunft, denn die Schwankungen überlagern die menschlichen Einflüsse. Die Kontinente müssen also nicht zwangsläufig immer wärmer werden, sondern der Trend könnte auch eine Verschnaufpause einlegen, sogar eine vorübergehende Abkühlung ist möglich. Doch Mangini gehört nicht zu den Klimaskeptikern, die den Effekt der menschlichen Zivilisation auf den Klimawandel leugnen. Das beteuert er mit Nachdruck. Klimaforschung hat inzwischen viel mit Politik zu tun. Wer auf Erkenntnisse stößt, die von der Mehrheitsmeinung abweichen, gerät leicht zwischen die Fronten und muss offenbar eine Art Glaubensbekenntnis ablegen.

Tropfsteine sind Klimaarchive, genau wie Gletschereis, Baumringe oder Sedimente. Sie wachsen etwa einen Zentimeter in 100 Jahren, in warmen Gegenden auch schneller, und speichern dabei eine ganze Reihe von Umweltdaten. Seit einigen Jahrzehnten zapfen Wissenschaftler dieses Archiv an, und sie können es immer besser nutzen. Die mikrometerfeinen Wachstumsschichten konservieren sogar den Zeitpunkt, wann sie entstanden sind. Sie sind damit dem Gletschereis überlegen, das sich nur durch Auszählen der Jahreslagen datieren lässt. Das Regenwasser nimmt beim Durchqueren des Bodens Spuren von radioaktivem Uran auf und lagert es in das Kalkgitter des Tropfsteins ein. Uran zerfällt zu Thorium, sodass sich das Alter einer Probe aus dem Mengenverhältnis von Thorium und Uran recht genau ermitteln lässt. In den Alpen, wo das Gestein relativ viel Uran enthält, beträgt die Genauigkeit bei 100 000 Jahre alten Proben etwa 100 Jahre. Im deutschen Untergrund ist Uran seltener, sodass die Altersbestimmung nicht so präzise ist.

Nur Stalagmiten sind geeignet

Mangini legt einen längs durchgesägten Tropfstein auf seinen Schreibtisch, armdick, schwer und einen guten Meter lang. Wie bei einer Baumscheibe sind darin einzelne Lagen zu erkennen. Das sind aber keine Jahresringe, sondern lediglich Farbmuster, die entstehen, wenn sich der Tropfrhythmus ändert oder sich in einer Trockenperiode Staub einlagert. Der Stein hat ein Lebensalter von rund 5000 Jahren. Schon vor 9000 Jahren, nicht lange nach dem Ende der letzten Eiszeit, begann er zu wachsen, und vor etwa 4000 Jahren, als die Höhle mit Wasser voll lief, endete seine aktive Phase. Er stammt aus dem Abschnitt der Erdgeschichte, der Mangini interessiert.

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Der Umweltphysiker beschäftigt sich vor allem mit den letzten 10 000 Jahren, der aktuellen Warmphase. Mit seinem Team hat er schon eine Vielzahl von Tropfsteinen aus Deutschland und anderen Ländern untersucht. Es war nicht immer leicht, an die Untersuchungsobjekte heranzukommen. Manchmal brauchte Mangini viele gute Worte, damit Höhlenforscher ihre Schätze herausrückten. Er verwendet ausschließlich Stalagmiten, also Tropfsteine, die vom Boden nach oben wachsen. Die hängenden Stalaktiten eignen sich weniger, weil sie meist eine Röhre für den Wassertransport enthalten. Darin findet ein ständiger Auf- und Abbau von Kalk statt, der die Spuren verwischt.

Winzige Proben genügen

Um aus dem Stein das Klima der Vergangenheit rekonstruieren zu können, genügen winzige Proben. Wie bei Eisbohrkernen geht es dabei um das Verhältnis der Sauerstoff-Isotope O-16 und O-18. Der Kalk enthält zwar kein Wasser, aber Sauerstoff, der aus dem Wasser stammt, ist darin eingebaut. Das zeigt auch seine chemische Formel: CaCO3. Die zapfenförmigen Steine entstehen, wenn Niederschlagswasser im Boden Kohlendioxid aufnimmt und beim Passieren von Karstgestein Kalk löst. In der Höhle gast das CO2 wieder aus, und der Kalk lagert sich ab.

Um zu verstehen, warum Sauerstoff-Isotope Indikatoren für das Klima sind, hilft ein Ausflug in die Meteorologie: Der Niederschlag hat seinen Ursprung letztlich immer im Meer. Daraus verdunstet Wasser, aus dem sich Wolken bilden. Diese treibt der Wind aufs Land, wo sie abregnen. Dabei fällt vor allem das schwere O-18 zu Boden. Je stärker also die Wolken ausregnen, desto weniger O-18 enthalten sie. Im Sommer, wenn es wenig regnet, sind sie reich beladen mit dem schweren Sauerstoff. Im Winter dagegen sinkt der Anteil auf rund die Hälfte, weil die Wolken schon ziemlich „ausgewrungen“ sind.

Für Stalagmiten in deutschen Höhlen ist die Wetterküche über dem Atlantik entscheidend. Auf ihrem Weg von dort nach Mitteleuropa verlieren die von Westen heranziehenden Wolken bereits über Frankreich einen großen Teil ihrer Last. Die Tropfsteine spiegeln diese Werte wider. Wenn die Isotopensignatur eher dem Winterwert entspricht, hat es im Winter stark geregnet. Eine Verschiebung hin zum Sommerwert spricht dagegen für trockene Winter. Die winterlichen Niederschlagsmengen sind mit bestimmten Temperaturen verknüpft: Viel Feuchtigkeit bedeutet in unseren Breiten ein relativ mildes Wetter, Trockenheit geht dagegen meist mit Kälte einher. Das Verhältnis der beiden Sauerstoff-Isotope lässt sich somit als Temperaturkurve interpretieren (siehe Grafik rechte Seite).

Eine exakte Eichung fällt zwar schwer, doch mit bekannten Temperaturdaten aus den vergangenen Jahrzehnten ist sie möglich. Auf diese Weise hat Mangini das mitteleuropäisch Klima der letzten 9000 Jahre rekonstruiert. Auffällig ist ein heftiges Auf und Ab mit Unterschieden von rund 2 Grad Celsius. Zum Vergleich: Die globale Erwärmung seit 1860 beträgt 0,7 Grad Celsius. Schon mehrmals in den letzten 8000 Jahren schoss die Temperatur innerhalb von nur 200 Jahren um rund 1 Grad in die Höhe.

Die Temperatur scheint von Natur aus stärker zu schwanken, als es etwa der Weltklimarat IPCC in seinen Berichten ausweist. Seine oft zitierte Kurve zeigt einen relativ gleichmäßigen Temperaturverlauf. Erst mit der Zunahme von Treibhausgasen durch menschliche Aktivitäten Anfang des 20. Jahrhunderts steigt die Temperaturkurve steil an. Was stimmt nun?

ALS DER RHEIN ZUFROR

Die Heidelberger Wissenschaftler haben viele Indizien auf ihrer Seite. So spiegelt sich die Sprunghaftigkeit des Klimas in der Geschichte wider. Überliefert ist etwa die „Kleine Eiszeit“ zwischen 1400 und 1850, als selbst der Rhein immer wieder zufror. Und während des römerzeitlichen Klimaoptimums schaffte es Hannibal mit seinen Elefanten nur deshalb über die Alpen, weil die Hochtäler kaum vereist waren. Auch als die Menschen sesshaft wurden und mit dem Ackerbau begannen, half ihnen ein feuchtwarmes Klima, das „Holozäne Klimaoptimum“, das vor etwa 8000 Jahren begann und 1500 Jahre lang währte. All diese Klimavariationen erkennt man in den Kurven aus dem Kalk.

Sogar die Geschichte Trojas wird im Licht der Höhlenarchive verständlicher. Die Ausgräber der antiken Stadt sind auf mehrere Lücken in der fast 4000 Jahre langen Besiedlung gestoßen, als habe der Ort immer wieder an Attraktivität verloren. Archäologen konnten sich dieses Phänomen bisher nicht recht erklären und spekulierten über Kriege oder Erdbeben. Die Klimakurven legen eine andere Erklärung nahe: Bei sinkenden Temperaturen blieb der Regen aus. Und da in der Gegend ohnehin nur relativ wenig Niederschlag fiel, ließen vielleicht schon kleine Schwankungen die Brunnen versiegen und machten die Stadt unbewohnbar.

Noch ein weiteres Argument spricht dafür, dass es die Klimasprünge tatsächlich gegeben hat: Sedimentproben vom Grund des Nordatlantiks zeigen ein ähnliches Klimadiagramm wie die Tropfsteine. Forscher haben darin nach Ablagerungen kontinentalen Ursprungs gesucht. Solche Irrläufer können nur von treibenden Eisbergen auf den Ozeanboden herabgerieselt sein. Aus ihrer Verteilung lässt sich daher ablesen, wie weit das Eis zu welcher Zeit vorgedrungen war – und damit letztlich, welche Temperaturen herrschten.

Die Spitzen gekappt

Die Diskrepanzen zu anderen Klima- Rekonstruktionen können mehrere Ursachen haben. Mojib Latif, Klimaforscher am Leibniz-Institut für Meereswissenschaften der Universität Kiel, gibt zu bedenken, dass in die Temperatur-Nachbildung des IPCC Hunderte Datenreihen eingeflossen sind, die aus verschiedenen Gegenden stammen und mit unterschiedlichen Methoden gewonnen wurden. Ein solches Potpourri kappt zwangsläufig die Spitzen und führt zu einer eher glatten Kurve.

Außerdem haben Tropfsteine die Eigenheit, nur das Winterklima abzubilden. Sie wachsen zwar das ganze Jahr über, aber das Wasser, das sie dafür brauchen, stammt vorwiegend aus den Winterniederschlägen. Im Sommer nehmen die Pflanzen das meiste Wasser auf und lassen es erst gar nicht in die Tiefe dringen. Erst in den kalten Monaten füllt sich der Grundwasserspeicher. Tropfsteine sind damit das Gegenstück zu den Baumringen, die das Sommerklima wiedergeben. Denn Bäume wachsen nur während der warmen Jahreszeit.

Oft wird den Tropfstein-Experten vorgehalten, sie lieferten ausschließlich Klimadaten von eng begrenzten Gebieten. Doch das sieht Augusto Mangini anders, und er betont: „Wenn alles nur lokal wäre, könnte man die ganze Methode vergessen.“ Sein Mitarbeiter Jens Fohlmeister ist gerade dabei, Tropfsteine aus dem Sauerland mit solchen aus Schweden zu vergleichen. „Die Kurven zeigen ähnliche Schwankungen“, sagt er. Verantwortlich dafür ist die „nordatlantische Oszillation“. Dieser Druckunterschied zwischen Islandtief und Azorenhoch entscheidet darüber, ob die Winter in Europa feuchtwarm oder trockenkalt ausfallen.

Doch Mangini geht noch weiter. Er hat auch außerhalb Europas im Archiv der Tropfsteine ein Grundmuster gefunden. Das Klima ist letztlich weltweit miteinander verknüpft, wobei die Ozeane eine zentrale Rolle spielen. Der Heidelberger Wissenschaftler geht davon aus, dass der Einfluss der Ozeane auf die Landmassen weltweit im Gleichtakt schwankt. Die Meere sind die Wärmespeicher der Erde. Je stärker die Winde von dort wehen, desto mehr Wärme erhalten die Kontinente. Umgekehrt sinken die Temperaturen auf den Landflächen, wenn die marine Zentralheizung schwächelt. Nach Ansicht von Mangini nimmt dieser Ausgleich im Rhythmus von Jahrzehnten zu oder ab.

Latif wundert sich nicht über Manginis Ergebnisse. „Seit 30 Jahren arbeite ich an natürlichen Schwankungen“, sagt er. „Er rennt bei mir offene Türen ein.“ Latif kam vor drei Jahren zu einem ähnlichen Resultat. Er hatte damals die Veränderungen der Meeresströmungen modelliert und daraus geschlossen, dass der Anstieg der globalen Temperaturen bis 2015 eine Pause einlegt. Manginis Kurven deuten nun ebenfalls auf den Beginn einer kühlen Phase hin. Die Winter in Deutschland könnten also durchaus wieder ähnlich grimmig werden wie 1963. Mangini: „Damals bin ich über den zugefrorenen Neckar gelaufen.“ ■

KLAUS JACOB ist nicht davon begeistert, dass in Deutschland klirrend kalte Wochen wie im diesjährigen Februar häufiger werden könnten.

von Klaus Jacob

Tropfsteine verraten das Winterklima

Aus dem Verhältnis der beiden Sauerstoff-Isotope O-18 und O-16 im Kalk der Tropfsteine rekonstruierten Forscher das wechselhafte winterliche Klima der letzten 9000 Jahre.

Mehr zum Thema

Internet

Forschung am Institut für Umweltphysik der Universität Heidelberg (Prof. Mangini): www.iup.uni-heidelberg.de/institut/ forschung

Zum Klima der Vergangenheit – Broschüre vom Bayerischen Landesamt für Umwelt: www.lfu.bayern.de/umweltwissen/doc/uw_82_klima_vergangenheit.pdf

Kompakt

· Sauerstoff-Isotope geben Hinweise auf das einstige Klima, in Tropfsteinen genau wie in Eisbohrkernen.

· Tropfsteine sind eine ideale Ergänzung zu Baumringen als Klimaarchiv.

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