Wie Eisbohrkerne funktionieren – und was sie enthüllen

Gefrorene Zeitkapseln unter dem Eis

Tief unter den Eisschilden Grönlands und der Antarktis liegt ein bemerkenswertes Archiv der Erdgeschichte. Wissenschaftler entnehmen lange Eisbohrkerne – sogenannte Eiskerne –, die Schicht für Schicht komprimierten Schneefall enthalten, der Hunderttausende von Jahren zurückreicht. Jede Schicht fungiert als Zeitkapsel und bewahrt Spuren der Atmosphäre, der Temperatur, von Vulkanausbrüchen und sogar kosmischen Ereignissen aus dem Moment, als der Schnee zum ersten Mal fiel.

Die Eisbohrkernforschung, ein Eckpfeiler der Paläoklimatologie, hat unser Verständnis davon verändert, wie sich das Erdklima im Laufe der Erdgeschichte verändert hat – und wie die heutigen Veränderungen im Vergleich zu natürlichen Zyklen stehen.

Wie Wissenschaftler in die Vergangenheit bohren

Eisschilde entstehen, wenn sich saisonaler Schneefall Jahr für Jahr ansammelt. Das Gewicht des neueren Schnees komprimiert ältere Schichten darunter und verwandelt sie allmählich in dichtes Eis. Da der Schneefall jeder Jahreszeit leicht unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweist, bleiben die Jahresschichten unterscheidbar – ähnlich wie Baumringe.

Um auf diese Aufzeichnungen zuzugreifen, verwenden Forscher spezielle Bohrer. Flache Kerne können mit handbetriebenen Bohrern entnommen werden, aber tiefe Bohrungen erfordern motorisierte Systeme, die an Kabeln von der Oberfläche hängen. Diese Anlagen schneiden zylindrische Abschnitte mit einem Durchmesser von typischerweise 10–13 Zentimetern und einer Länge von 2–6 Metern pro Durchgang. Die tiefsten Kerne reichen über 3,2 Kilometer unter die Oberfläche und enthalten Eis, das bis zu 800.000 Jahre alt ist, wie die NASA berichtet.

Das Klimaprotokoll lesen

Eiskerne enthalten zwei Haupttypen von Klimazeugnissen: das Eis selbst und die winzigen Luftbläschen, die darin eingeschlossen sind.

Temperatur aus Isotopen

Wassermoleküle gibt es in "leichten" und "schweren" Varianten, je nachdem, ob sie das Isotop Sauerstoff-16 oder Sauerstoff-18 enthalten. In kälteren Perioden verdunsten schwerere Wassermoleküle weniger wahrscheinlich und gelangen zu den Polen, sodass Eis, das in kalten Klimazonen gebildet wird, ein höheres Verhältnis von Sauerstoff-16 enthält. Wissenschaftler messen diese stabilen Isotopenverhältnisse mithilfe der Massenspektrometrie, um Temperaturaufzeichnungen zu rekonstruieren, die Jahrtausende zurückreichen, wie die NOAA beschreibt.

Atmosphäre in einer Blase

Wenn Schnee in einer Tiefe von etwa 50–100 Metern zu Eis verdichtet wird, wird Luft in winzigen Bläschen eingeschlossen. Diese Bläschen sind Miniaturproben der alten Atmosphäre. Durch Zerkleinern oder Schmelzen von Eisproben im Vakuum extrahieren Forscher die eingeschlossenen Gase und messen die Konzentrationen von Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Diese Technik hat kontinuierliche Aufzeichnungen über Treibhausgaskonzentrationen erstellt, die über 800.000 Jahre zurückreichen – die längsten direkten Messungen der atmosphärischen Zusammensetzung, die es überhaupt gibt.

Was Eiskerne sonst noch bewahren

Neben Temperatur- und Gasdaten erfassen Eiskerne eine überraschende Bandbreite an Signalen:

• Vulkanausbrüche hinterlassen Schichten von Schwefelsäure und feinen Aschepartikeln, die es Wissenschaftlern ermöglichen, vergangene Ausbrüche präzise zu datieren.
• Staub und Pollen zeigen Veränderungen in Windmustern, Vegetation und Trockenheit.
• Chemische Anomalien – wie z. B. eine Platinerhöhung, die in grönländischem Eis gefunden wurde und auf die Zeit vor 12.800 Jahren datiert – können auf vulkanische Ereignisse oder sogar mögliche kosmische Einschläge hinweisen, wie aktuelle Forschungsergebnisse gezeigt haben.
• Meersalz und biologische Marker deuten auf Veränderungen der Meeresbedingungen und der Meereisausdehnung hin.

Warum Eiskerne heute wichtig sind

Eiskerne haben einige der überzeugendsten Beweise dafür geliefert, dass Treibhausgase mit der globalen Temperatur zusammenhängen. Die Aufzeichnungen zeigen, dass im Laufe der letzten 800.000 Jahre der CO₂-Gehalt und die Temperatur während der natürlichen Eiszeitzyklen im Gleichschritt gestiegen und gefallen sind. Der aktuelle atmosphärische CO₂-Gehalt – über 420 ppm – übersteigt alles, was in den Eisbohrkernaufzeichnungen gefunden wurde, wie Daten des National Snow and Ice Data Center zeigen.

Große Bohrprojekte treiben die Aufzeichnungen immer weiter in die Tiefe. Das europäische Projekt Beyond EPICA zielt darauf ab, antarktisches Eis zu gewinnen, das bis zu 1,5 Millionen Jahre alt ist, was eine kritische Periode umfassen würde, in der sich die Eiszeitzyklen der Erde von 40.000-Jahres- auf 100.000-Jahres-Intervalle verschoben haben. Das Verständnis dieses Übergangs könnte Aufschluss darüber geben, wie empfindlich das Klimasystem auf orbitale Veränderungen und den CO₂-Antrieb reagiert.

Von der Lösung alter Geheimnisse, die im grönländischen Eis verborgen sind, bis hin zur Bewertung des modernen Klimawandels bleiben Eiskerne eines der leistungsstärksten Werkzeuge in den Geowissenschaften – eine gefrorene Bibliothek, die in Isotopen, Gasblasen und Staub geschrieben ist.