Atlantikzirkulation kann sich selbst nach 3.000 Jahren Schwächephase wieder kräftig erholen – Eiszeitdaten zeigen überraschende Sprünge der AMOC

Die Atlantikzirkulation bewegt gewaltige Wassermassen durch den Ozean und transportiert dabei Wärme von Süden nach Norden. Wird diese Strömung schwächer, verändert sich auch die Verteilung von Wärme und Niederschlag rund um den Atlantik. Solche Zustände können gewaltige Zeiträume umfassen: Die untersuchte Schwächephase dauerte rund 3.000 Jahre – etwa 35 bis 40 Menschenleben hintereinander.

Ablagerungen vom Meeresboden vor Brasilien zeichnen nun ein beweglicheres Bild. Während dieser langen Schwächephase am Ende der letzten Eiszeit wurde die Atlantische Umwälzzirkulation, kurz AMOC, zwischenzeitlich wieder erheblich stärker. Eine dieser Verstärkungen hielt mehrere Jahrhunderte an – also länger als mehrere Menschenleben. Mit der kräftigeren Strömung verschoben sich Wärme und Regen über große Entfernungen, und selbst der CO₂-Gehalt der Atmosphäre veränderte sich parallel.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen fand die Spuren in Sedimenten vom Meeresboden vor Brasilien. Sie stammen aus dem sogenannten Heinrich-Stadial 1 vor etwa 17.800 bis 14.800 Jahren. Die neuen Daten zeigen innerhalb dieser AMOC-Schwächephase zwei deutliche Verstärkungen. „Unsere Daten zeigen aber, dass die Umwälzzirkulation wesentlich dynamischer war“, sagt MARUM-Forscher Stefan Mulitza.

In der AMOC-Schwächephase legte die Strömung wieder deutlich zu

Besonders stark veränderte sich die Zirkulation zwischen etwa 16.500 und 15.800 Jahren vor heute. Ihren kräftigsten Ausschlag erreichte sie um 16.300 Jahre vor heute. Eine zweite, kürzere Verstärkung folgte um etwa 15.400 Jahre. Die erste Episode hielt mehrere Jahrhunderte an.

Sichtbar werden solche Schwankungen durch die hohe zeitliche Auflösung des Sedimentkerns. Zwischen zwei benachbarten Proben liegen im Durchschnitt nur rund 150 Jahre. Frühere Rekonstruktionen konnten Veränderungen auf dieser Zeitskala oft nicht erfassen.

Foraminiferen verraten, wie schnell Tiefenwasser erneuert wurde

Für die Rekonstruktion nutzten die Wissenschaftler winzige Einzeller namens Foraminiferen. Ihre Kalkschalen speichern gewissermaßen eine Zeitinformation: Über Radiokohlenstoff lässt sich abschätzen, wie lange das Wasser in der Tiefe schon keinen Kontakt mehr mit der Oberfläche hatte. Je kürzer dieses sogenannte Ventilationsalter, desto schneller wurde das Tiefenwasser erneuert – und desto kräftiger war in dieser Phase die Atlantikzirkulation.

Während des Heinrich-Stadials 1 lag dieses Alter im Mittel bei 695 Jahren, zeitweise sogar bei 960 Jahren. Um 16.300 Jahre vor heute fiel es jedoch auf etwa 450 Jahre. Das Tiefenwasser wurde damals also deutlich schneller ausgetauscht. Zum Vergleich: In der späteren Bølling-Allerød-Warmphase lag der Mittelwert bei 396 Jahren, im Holozän bei 429 Jahren. Während der Verstärkung näherte sich die AMOC damit zeitweise wieder deutlich kräftigeren Zuständen an.

Modelle stützen die Rekonstruktion aus dem Sedimentkern

Modellrechnungen bestätigen, dass das Ventilationsalter an diesem Ort während schwacher Zirkulationsphasen eng mit der Stärke der AMOC zusammenhängt. Niedrigere Werte sprechen dann für eine stärkere Umwälzzirkulation.

Die kurzfristigen Ausschläge selbst bildet das Modell allerdings nicht ab. Dafür ist seine zeitliche Auflösung zu grob. Es dient vor allem dazu zu prüfen, ob die Veränderungen im Sedimentkern tatsächlich mit Änderungen der Atlantikzirkulation vereinbar sind.

© Dana Pittauerova Co-Autor Cristiano Mazur Chiessi nimmt an Bord der MARIA S. MERIAN Proben, die frühere Schwankungen der Atlantikzirkulation sichtbar machen. © Dana Pittauerova

Mehr Wärme wanderte wieder nach Norden

Die stärkere Zirkulation veränderte auch den Wärmetransport im Atlantik. Mehr Wärme gelangte über den Äquator auf die Nordhalbkugel. Im subtropischen östlichen Nordatlantik stiegen die Temperaturen an der Meeresoberfläche zeitweise um bis zu drei Grad Celsius.

Parallel verlagerte sich die tropische Regenzone nach Norden. Höhlensedimente aus Nordostbrasilien weisen zwischen etwa 16.660 und 16.110 Jahren vor heute auf trockenere Bedingungen hin. Als die AMOC anschließend wieder schwächer wurde, nahm dort der Niederschlag wieder zu.

Auch die zweite Verstärkung veränderte den Regen in Brasilien

Zwischen etwa 15.800 und 14.700 Jahren vor heute stiegen die Ventilationsalter erneut an. Das spricht für eine weitere Abschwächung der Umwälzzirkulation. Um etwa 15.400 Jahre vor heute folgte jedoch ein neuer, kürzerer Ausschlag nach oben.

Auch während dieser Phase deuten Klimadaten aus Brasilien auf geringere Niederschläge hin. Die Veränderungen der AMOC gingen damit wiederholt mit messbaren Verschiebungen von Wärme und Regen einher.

Parallel stieg auch der CO₂-Gehalt der Atmosphäre

Zur ersten kräftigen Verstärkung kam noch eine weitere Veränderung hinzu. Zwischen etwa 16.500 und 16.200 Jahren vor heute stieg die CO₂-Konzentration der Atmosphäre von ungefähr 212 auf 231 ppm. Das entspricht einem Zuwachs von rund 19 ppm innerhalb von etwa 300 Jahren.

Um 15.400 Jahre vor heute folgte parallel zur zweiten Verstärkung ein weiterer kurzfristiger Anstieg um mehr als fünf ppm.

Stärkere AMOC könnte Kohlenstoff Richtung Südpolarmeer transportiert haben

Als möglichen Mechanismus nennen die Wissenschaftler kohlenstoffreiches Wasser aus mittleren Tiefen des Atlantiks. Eine kräftigere AMOC könnte dieses Wasser verstärkt in Richtung Südpolarmeer transportiert haben. Dort konnte ein Teil des enthaltenen Kohlendioxids an die Atmosphäre abgegeben werden.

Für den deutlichen CO₂-Anstieg um 16.300 Jahre vor heute halten die Autoren diesen Prozess für einen wichtigen Beitrag. Die zeitliche Übereinstimmung belegt allerdings nicht, dass die stärkere Atlantikzirkulation allein den Anstieg verursacht hat.

Eiszeit-Daten lassen sich nicht direkt auf die heutige AMOC übertragen

Das Heinrich-Stadial 1 fand unter völlig anderen klimatischen Bedingungen am Ende der letzten Eiszeit statt. Aus den damaligen Schwankungen lässt sich deshalb nicht ableiten, dass sich eine künftig stark geschwächte AMOC automatisch wieder erholen würde.

Für die Vergangenheit liefern die Sedimente damit ein deutlich wechselhafteres Bild der AMOC. Selbst während einer langen Schwächephase konnte sich die Zirkulation über mehrere Jahrhunderte erheblich verstärken. Gleichzeitig veränderten sich Wärmetransport, Niederschläge und der Kohlenstoffkreislauf.

Kurz zusammengefasst:

Die Atlantikzirkulation blieb während einer langen Schwächephase nicht konstant schwach, sondern verstärkte sich zeitweise über mehrere Jahrhunderte.
Diese Veränderungen gingen mit messbaren Folgen für Wärmeverteilung und Niederschläge einher, unter anderem mit bis zu drei Grad wärmerem Oberflächenwasser im Nordatlantik und trockeneren Bedingungen in Nordostbrasilien.
Die Daten stammen aus der letzten Eiszeit und erlauben deshalb keine direkte Prognose für die heutige AMOC, belegen aber eine größere Dynamik als bisher angenommen.

Übrigens: Während sich die Atlantikzirkulation selbst in langen Schwächephasen wieder verstärken kann, geraten andere Wassersysteme durch den Klimawandel unter Druck. Steigender Salzgehalt lässt Süßwasser-Gemeinschaften zwar weiterwachsen, kostet sie aber Artenvielfalt. Mehr dazu in unserem Artikel.