Senckenberg Forschung

Isotope fossiler Regentropfen bringen es an den Tag

Gipfel des Monte Leone, Schweiz
Monte Leone, 3552 m, Blick aus den Zentralalpen auf die Liegendeinheiten der Simplon-Abschiebung, Lepontin, Schweiz. (Foto: M.Campani)

 

Seit 15 Millionen Jahren beeinflussen die Alpen Niederschlagsmuster in Europa und Zentralasien. Das und noch viel mehr können Forscher des Biodiversität und Klimaforschungszentrum (Bik-F) aus den Isotopen fossiler Regentropfen lesen.

Dünnschliffphotographie verformter Hellglimmer
Dünnschliffphotographie verformter
Hellglimmer in einer duktilen Scherzone.
Über Klüfte gelangt Niederschlag bis in
Tiefe in denen Gesteine sich durch
Rekristallisation verformen. Die Wasserstoff-
oder Sauerstoffisotopenzusammensetzung
dieser Wässer findet sich dann in solchen
wasserhaltigen Mineralen wieder.
(Foto: Andreas Mulch)

Man könnte fast meinen, die höchsten Gipfel der Schweiz in den erdgeschichtlich jungen Zentralalpen seien ein alter Hut. Mitarbeiter des Biodiversität und Klima Forschungszentrums (BiK-F ) haben die Isotopenverhältnisse von Wasser- und Sauerstoff im Gestein der Alpen und dem Alpenvorland verglichen und konnten so die Höhe des Gebirges in der Vergangenheit bestimmen: Europas höchste Gipfel waren demnach schon vor 15 Millionen Jahren ähnlich hoch wie heute. Welche geologischen und paläoklimatischen Informationen finden sich eigentlich noch im Regentropfen? Wie oft sind wir tief beeindruckt von den schneebedeckten Gipfeln unseres Planeten? Wer kennt sie nicht, die Erforschungs- und Entdeckungsberichte der Geologie und Biologie, die aus geologischen Beobachtungen Theorien zur Entwicklungsgeschichte der Erde und ihrer Artenvielfalt entstehen ließen? Mt. Everest, Nanga Parbat und Mont Blanc sind nicht nur aus touristischer Sicht Highlights der großen Gebirgsregionen; Hochgebirge waren schon immer Schlüsselregionen für die Wechselwirkungen zwischen Geosphäre, Atmosphäre und Biosphäre. Trotz der enormen Bedeutung von Gebirgen für unser Klima ist die topographische Geschichte der meisten Hochregionen unseres Planeten nur sehr lückenhaft bekannt und damit auch die vielfältigen Rückkopplungen, die Erdoberflächenprozesse und Klimadynamik unseres Planeten miteinander verbinden.

Auch wenn es zuerst merkwürdig erscheint: Die Antwort auf die Entwicklungsgeschichte der großen Gebirge findet sich in fossilen Regentropfen. Eine neue Studie zur Paläoaltimetrie, also der Rekonstruktion der Höhenverhältnisse von Gebirgsregionen, zeigt, dass das heutige Erscheinungsbild der Zentralalpen das Ergebnis eines seit 15 Millionen Jahren fortschreitenden Prozesses ist. Viele Gipfel der Schweiz waren damals zwischen 2.850 und 3.350 m hoch. In  dieser Zeit, als die Hebungsrate des Gebirges (durch die Kollision von Europa und Afrika) die gleichzeitige Abtragung durch Erosion noch übertraf, waren die Alpen sogar noch höher als heute.

Welchen Einfluss haben die Alpen auf das Klima Eurasiens?

Blick zum Camoscellahorn in den Schweizer Zentralalpen
Camoscellahorn, 2612 m, Schweizer Zentralalpen,
Panorama der Simplon-Abschiebung.

Hohe Bergketten bilden ein natürliches Hindernis für feuchte Luftmassen und beeinflussen das Klima dieser „orographischen Barriere“zu beiden Seiten. Höhe und regionale Ausdehnung sind dabei die entscheidenden Faktoren. Die neuen Ergebnisse der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Andreas Mulch am BiK-F lassen daher Rückschlüsse auf die Niederschlagsmuster in Südeuropa und Eurasien und damit indirekt auch auf die Entwicklungsbedingungen ganzer Ökosysteme im Mittelmeerraum zu. Im Fall der Alpen bedeutet dies: Seit 15 Millionen Jahren hat das aufragende Gebirge den Transport des vom Atlantik kommenden Niederschlags Richtung Zentraleuropa und Eurasien (mit-) bestimmt und damit das Klima des östlichen Mittelmeerraums entscheidend geprägt. Die mediterrane Region als Hotspot für Wasserknappheit als Folge globaler Erwärmung war also bereits in der Vergangenheit immer wieder von Trockenheit bedroht. Wenn es um Zukunftsprojektionen für Wasserknappheit der Mittelmeerregion geht, ist das Verständnis der Paläo-Niederschlagsdynamik somit von großer Bedeutung.

Regentropfen als Zeitzeugen

Die Methode der BiK-F-Wissenschaftler ist relativ einfach: Wie hoch Berge im Laufe ihrer Entwicklung waren, lässt sich anhand der Isotopenzusammensetzung des Niederschlags in verschiedenen Höhenstufen rekonstruieren. Konserviert im Gestein speichert diese über Jahrmillionen u. a. Informationen über Niederschlagsmenge und -zusammensetzung der Vergangenheit. Dieser Ansatz basiert darauf, dass sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff als unterschiedlich schwere Isotope vorkommen. Mit steigender Höhe des Gebirges nimmt der Anteil der schweren Isotope im Niederschlag systematisch ab. Das Verhältnis der schweren (18O, D) zu leichten (16O, H) Isotopen im Gestein ist damit ein direktes Abbild, in welcher Höhe der Niederschlag gefallen ist. Damit war es möglich, die relative Höhendifferenz des Hochgebirges zum Alpenvorland von vor 15 Millionen Jahren zu bestimmen. Die Alpen sind also schon lange in der Lage, die europäischen Niederschlagsmuster zu beeinflussen.

Paläoklimarekonstruktionen: Ein wachsender Schwerpunkt von BiK-F

Basierend auf der Isotopenzusammensetzung des Niederschlags erfolgt z. B . die Erforschung tropischer Monsunsysteme in Afrika und Indonesien in einer wissenschaftlichen Nachwuchsgruppe um Dr. Eva Niedermeyer am BiK-F. Um Ursachen der Schwankungen in der Monsunintensität besser zu verstehen, werfen Wissenschaftler einen Blick in die Vergangenheit. Dies ermöglicht ihnen zum einen, das Ausmaß der natürlichen – das heißt, vom Menschen unbeeinflussten – Variabilität tropischer Systeme zu erfassen, zum anderen aber auch, die zugrunde liegenden Mechanismen zu erforschen. Anders als in Hochgebirgen wird die Isotopenzusammensetzung des Niederschlags in den Tropen primär von der Regenintensität bestimmt.

Wie wird diese Information jedoch über Tausende oder gar Millionen von Jahren gespeichert? Hierfür bedienen sich die Forscher am BiK-F der Blattwachse höherer Landpflanzen. Diese „Biomarker“ bestehen aus Verbindungen (z. B. langkettige Fettsäuren, Alkane und Alkohole), die äußerst stabil gegen mikrobiellen Abbau sind und somit unverändert sehr lange Zeiträume überdauern können. Da der Wasserstoff in pflanzlichen Verbindungen primär aus dem Niederschlagswasser stammt, erlaubt die Wasserstoffisotopen-Zusammensetzung von Blattwachsen Rückschlüsse auf die Regenintensität zu der Zeit, in der die Pflanzen dem Monsunregen ausgesetzt waren.

Blattwachse, Böden, Sedimente und sogar Gesteine: mit Hilfe von innovativen isotopengeochemischen Methoden gestatten sie uns einen Einblick in die Klima- und Niederschlagsgeschichte unseres Planeten.

 

 Autor

 

 

Prof. Dr. Andreas Mulch 

Prof. Dr. Andreas Mulch wurde 2010 gemeinsam mit Senckenberg auf eine Professur an der Goethe-Universität Frankfurt berufen und ist seitdem stellvertretender Direktor des LOEWE Biodiversität und Klima Forschungszentrum (BiK-F). Als Direktoriumsmitglied Senckenbergs ist er für die Entwicklung des Senckenberg Forschungsprogramms zuständig. Nach Geologiestudium und Promotion im Bereich Isotopengeochemie verbrachte er mehrere Jahre als wissenschaftlicher Mitarbeiter in den USA und wurde 2006 auf eine Professur an der Universität Hannover berufen. Sein Forschungsinteresse liegt heute in der Interaktion von Erdoberflächenprozessen und Klima mit einem besonderen Fokus auf der Rekonstruktion von Topographie und Niederschlagsmustern in der jüngeren Erdgeschichte.

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