Tropfsteine werden zum Klimaarchiv

7. April 2016

Seit 2009 erforscht Juniorprof. Dr. Denis Scholz vom Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) Tropfsteine. Die Stalagmiten liefern außergewöhnlich präzise Daten über die Klimaschwankungen der letzten 500.000 Jahre. Die Heisenberg-Professur für Isotopengeochemische Paläoklima- und Speläothemforschung, die Scholz jüngst erhalten hat, ermöglicht es ihm, seine Arbeit weiter zu intensivieren.
 

11.400 Jahre lang wuchs er Tropfen für Tropfen, Millimeter für Millimeter in der Zoolithenhöhle im Waldgebiet der Fränkischen Schweiz heran. Nun liegt er aufgeschnitten vor Juniorprof. Dr. Denis Scholz auf dem Tisch. "Es ist ein sehr schönes Exemplar", meint der Wissenschaftler. Der schmale Stalagmit aus Franken ist rund 50 Zentimeter lang. Für die Forschung wurde er längs aufgeschnitten. Deutlich sind viele dünne Streifen zu erkennen, die sich mal in hellerem, mal in dunklerem Braun absetzen.

"Das sind die jährlichen Lagen", erklärt Scholz. Der Vergleich mit den Jahresringen eines Baumes drängt sich auf. Doch ganz so einfach ist es nicht. "Man braucht Wärme, Vegetation und Feuchtigkeit, damit so ein Stalagmit wächst." Dringt Wasser ins Erdreich und in die darunterliegende Höhle, so tropft es von den Stalaktiten auf die Stalagmiten und hinterlässt dort eine dünne Schicht Calciumcarbonat. "Die dunkleren Schichten enthalten besonders viel organisches Material. Wenn es kalt und wenig Vegetation vorhanden ist, passiert kaum etwas oder gar nichts." Das Wachstum kann stagnieren.

So wird der fränkische Stalagmit zum Archiv, das Auskunft über 11.400 Jahre Klimageschichte gibt: Wann gab es kalte, wann warme Perioden – und wie kalt oder wie warm war es genau? Scholz und seine Arbeitsgruppe Speläothemforschung am Institut für Geowissenschaften der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben es sich zur Aufgabe gemacht, solche Archive zu lesen.

Breit aufgestellte Arbeitsgruppe

Speläotheme sind sekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, also Ablagerungen, die sich nicht während der eigentlichen Entstehung der Höhle, sondern erst später ansammeln. Meist sind das die bekannten Stalagmiten und Stalaktiten. Den Stalagmiten entnimmt die Arbeitsgruppe winzige Proben, die sie massenspektrometrisch untersucht. "Über das Uran-Thorium-Isotopenverhältnis können wir sehr genau das Alter bestimmen und die Sauerstoff- und Kohlenstoff-Isotopen-Verhältnisse geben uns Auskunft über das Klima", erklärt Scholz.

"Schon in den späten 1960er-Jahren war klar, dass man so etwas messen könnte, aber es fehlten noch die technischen und analytischen Möglichkeiten. Ende der 1990er-Jahre ging es dann so richtig los. Heute ist die Speläothemforschung ein schnell wachsendes Feld, ein heißes Thema." Und Scholz ist mit seinem Team ganz vorn dabei, wenn es darum geht, dieses Feld zu beackern.

"Es gibt in Deutschland keine Gruppe, die diesen Bereich so umfassend abdeckt wie wir", betont er. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert Scholz' Arbeit fünf Jahre lang mit einer Heisenberg-Professur für Isotopengeochemische Paläoklima- und Speläothemforschung. Danach wird die Professorenstelle dauerhaft von der JGU übernommen.

Rückblick auf 500.000 Jahre

"Das Thema ist deswegen so interessant, weil man die aktuelle Klimaentwicklung einordnen will. Was ist vom Menschen gemacht, was nicht? Um Antworten auf diese Fragen zu bekommen, brauchen wir genaue Daten über die Vergangenheit, auf die wir aufbauen können."

Scholz ist davon überzeugt, dass anthropogene Faktoren eine Rolle spielen, dass also der Mensch die Finger im Spiel hat, wenn es um die jüngste Erderwärmung geht. "Das lässt sich nicht mehr wegdiskutieren." Aber wie viele Finger sind es? Wie groß ist ihr Abdruck? "Die Antwort kann unbequem sein. Erdölfirmen würden es zum Beispiel sicher nicht gern hören, wenn man ihnen sagen würde, dass das, was sie da machen, schädlich für die Menschheit ist."

Wissenschaftler bohren im Eis, sie schauen sich Baumscheiben an und unternehmen vieles mehr, um dem Klima der Vergangenheit auf die Spur zu kommen. "Das Besondere an den Speläothemen ist, dass ihr Alter während der letzten 500.000 Jahre sehr präzise und absolut bestimmt werden kann. Wir sind bis auf etwa ein Prozent genau. Bei Eisbohrkernen ist es zum Beispiel nicht möglich, sie direkt zu datieren, man muss die Proben mit anderen Proben vergleichen und kann selbst dann nur eine relative Altersskala erstellen. Andere Archive reichen nicht so weit zurück. Ein Baum wird vielleicht um die 200 Jahre alt. Da müssen Sie eine Menge Bäume vergleichen, um weit in die Vergangenheit zu kommen."

Zehn Proben pro Millimeter

Mittlerweile schaut die Fachwelt auf die Daten der Speläothemforschung. Sie sind eine Art Leitwert geworden und haben bereits einiges klären oder präzisieren können. "Die Milanković-Theorie etwa geht davon aus, dass Warm- und Eiszeiten entstehen, wenn sich die solare Einstrahlung in hohen nördlichen Breiten ändert. In der Vergangenheit war es schwer, das exakt zu belegen. Wir können heute sagen: Die aus Speläothemen gewonnenen Daten stimmen für die letzten vier Warmzeiten mit dieser Hypothese überein."

Scholz und sein Team sind weltweit vernetzt. "Wir bearbeiten unter anderem Proben aus Russland, aus Sibirien. Gerade Osteuropa ist sehr spannend, da ist aus politischen Gründen bisher wenig passiert. Wir wissen dort kaum etwas über das Paläoklima."

Speläotheme gibt es beinahe überall, sie müssen nur untersucht werden, um ein umfassendes Klimaarchiv zu erstellen. "Das ist allerdings zeitaufwendig und teuer." Die Analyse einer einzelnen stabilen Isotopenprobe kostet fünf bis zehn Euro. Doch damit ist es nicht getan. Scholz deutet auf den fränkischen Stalagmiten. "Wir nehmen zehn Proben pro Millimeter für die Sauerstoff- und Kohlenstoff-Isotopen-Analyse. Sie können sich ausrechnen, was das letzten Endes kostet."

Forschungsschwerpunkt Paläoklima

Scholz' Arbeitsgruppe an der JGU arbeitet nicht nur mit Speläothemen. "Wir untersuchen Carbonate aller Art. Ich bin von Haus aus Physiker und habe eine Dissertation über die Datierung von Korallen geschrieben. Unsere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter untersuchen Sinter aus römischen Aquädukten und fossile Krebstiere. Wir betreiben auch Grundlagenforschung mit synthetischen Carbonaten und modellieren die Prozesse am Computer."

Auf dem Tisch liegt noch ein Stück Sediment, das ein Kollege geschickt hat, der auf eine präzise Datierung hofft, und aus einem Paket holt Scholz einen Mammutzahn hervor, den der Juniorprofessor eher skeptisch dreht und wendet. "Wir werden sehen, was wir damit machen können."

Scholz und sein Team sind nicht die einzigen, die in Mainz zum Paläoklima forschen. Zwei weitere Arbeitsgruppen am Institut für Geowissenschaften sind in diesem Bereich tätig. Sie beschäftigen sich mit Seesedimenten und Muscheln. Zudem bestehen Verbindungen zu anderen Institutionen. Die Arbeitsgruppe Speläothemforschung etwa arbeitet eng mit dem Geographischen Institut der JGU und dem Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie zusammen.

"Wir haben in den letzten Jahren an der JGU einen bedeutenden Schwerpunkt zur Paläoklimaforschung geschaffen", sagt Scholz. "Wir bauen ein umfassendes Klimaarchiv auf." Der fränkische Stalagmit ist da trotz seiner 11.400 Jahre nur ein kleines Puzzleteil unter vielen.