Selbst in ihrer dunklen Isolation von der Atmosphäre darüber können Höhlen ein reiches Archiv lokaler Klimabedingungen und ihrer Veränderungen im Laufe der Äonen enthalten. Speleotheme – Felsformationen, die einzigartig in Höhlen sind und besser als Stalagmiten und Stalaktiten bekannt sind – wurden über Zehntausende von Jahren geformt und bergen Geheimnisse über die uralten Umgebungen, aus denen sie entstanden sind.
Eine neu veröffentlichte Studie über einen Stalagmiten, der in einer Höhle im Süden von Wisconsin gefunden wurde, enthüllt eine bisher unentdeckte Geschichte des lokalen Klimas, die Tausende von Jahren zurückreicht. Die neuen Ergebnisse liefern starke Beweise dafür, dass eine Reihe von massiven und abrupten Erwärmungsereignissen, die die jüngste Eiszeit unterbrochen haben, wahrscheinlich weite Teile der nördlichen Hemisphäre einhüllten.
Die von einem Team von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison durchgeführte Studie erscheint am 2. März in der Zeitschrift Natur Geowissenschaften. Es ist die erste Studie, die einen möglichen Zusammenhang zwischen eiszeitlichen Erwärmungen, die im grönländischen Eisschild aufgezeichnet wurden – bekannt als Dansgaard-Oeschger-Ereignisse – und Klimaaufzeichnungen aus dem tiefen Inneren von Zentral-Nordamerika identifiziert.
„Dies ist die einzige Studie in diesem Gebiet der Welt, die diese abrupten Klimaereignisse während der letzten Eiszeit aufzeichnet“, sagt Cameron Batchelor, die die Analyse leitete, während sie ihre Doktorarbeit an der UW-Madison abschloss. Batchelor ist jetzt Postdoktorand bei der National Science Foundation und arbeitet am Massachusetts Institute of Technology.
Die Studie basiert auf einer außergewöhnlich detaillierten chemischen und physikalischen Analyse eines Stalagmiten, der sich in der Höhle der Hügel, einer Touristenattraktion und einem Bildungsziel, gebildet hat.
“Bei Cave of the Mounds ist es unsere Mission, dieses geologische Wunder für unsere vielen jährlichen Besucher zu interpretieren”, sagt Joe Klimczak, General Manager der Höhle, die als nationales Naturdenkmal ausgewiesen ist. „Wir sind begeistert, unser Verständnis der Höhle dank dieser erstklassigen Forschung und sehr spannenden Ergebnisse zu vertiefen.“
Der Stalagmit, den Batchelor und ihr Team analysierten, wuchs extrem langsam – es dauerte etwa 20.000 Jahre, bis er die Länge eines menschlichen kleinen Fingers erreichte.
Der fingerlange unterirdische Felsen entstand durch einen komplexen Prozess, der am Himmel begann. Wasser, das ursprünglich als Niederschlag aus der Atmosphäre fiel, sickerte in den Boden und sickerte durch den Boden und Risse im Grundgestein und löste dabei winzige Kalksteinstücke auf. Ein Teil dieses gelösten Kalksteins wurde dann zurückgelassen, als unzählige Wassertropfen von der Decke der Höhle der Hügel fielen und sich allmählich in Tausenden von äußerst dünnen Schichten eines Minerals namens Calcit ansammelten.
„Und weil diese Calcitschichten aus diesem ursprünglichen Niederschlag gebildet wurden, schließen sie den Sauerstoff im H2O, die aus diesem Niederschlag stammen”, sagt Batchelor.
Darin liegt der Schlüssel zur Rekonstruktion einer alten Klimaaufzeichnung aus einem kleinen, ansonsten unauffälligen Felsen. Der im Calcit eingeschlossene Sauerstoff existiert in einigen Varianten – bekannt als Isotope – die Wissenschaftler verwenden können, um Informationen über die Umweltbedingungen zu sammeln, die während der Niederschlagsereignisse, die ihn gebildet haben, vorhanden sind. Dazu gehören die Temperatur und mögliche Regen- und Schneequellen, die über Tausende von Jahren auf die Höhle der Hügel fielen.
Das Team von Batchelor verwendete eine spezielle Bildgebungstechnik, die es ihnen ermöglichte, Schichten innerhalb des Stalagmiten zu identifizieren, die jährliche Wachstumsbänder darstellen – ähnlich wie Baumringe das Wachstum einer Saison aufzeichnen. Mit einer anderen Technik identifizierten sie die Isotope in den winzigen Schichten und enthüllten, dass das heutige südliche Wisconsin vor 48.000 bis 68.000 Jahren eine Reihe sehr großer durchschnittlicher Temperaturschwankungen von bis zu 10 ° C (oder etwa 18 ° F) erlebte. Mehrere der Temperaturschwankungen traten im Laufe von etwa einem Jahrzehnt auf.
Obwohl die Datierungsinformationen nicht präzise genug sind, um die Temperaturschwankungen definitiv mit den Dansgaard-Oeschger-Ereignissen in Verbindung zu bringen, die in Grönland-Eisbohrkernen aufgezeichnet wurden, können die Forscher mit Zuversicht sagen, dass sie in ähnlichen Zeiträumen aufgetreten sind. Das Team führte auch Klimasimulationen durch, die die Hypothese stützten, dass Erwärmungsereignisse vor Zehntausenden von Jahren in der Region Nordamerikas stattfanden, die das heutige Wisconsin umfasst, und dass die Klimaaufzeichnungen von Cave of the Mounds und dem grönländischen Eisschild tatsächlich zutreffen verknüpft.
Diese potenzielle Verbindung ist für Batchelor spannend, weil sie eine bisher unerzählte Klimageschichte über Zentral-Nordamerika bietet. Frühere Forschungen aus der Mitte des Kontinents konnten Signale dieser großen Temperaturschwankungen, auch Exkursionen genannt, nicht auflösen.
„Eine Theorie war, dass der mittlere Kontinent relativ immun gegen abrupte Klimaänderungen ist, und das liegt vielleicht daran, dass er von Landmasse umgeben ist und eine Art Pufferung stattfindet“, sagt Batchelor. „Als wir jedoch hingingen und maßen, sahen wir diese wirklich großen Exkursionen und dachten: ‚Oh nein, es passiert definitiv etwas.’“
Dieses Etwas – ein sich schnell änderndes Klima – entfaltet sich heute wieder einmal, dank der Menschen und unserer Nutzung fossiler Brennstoffe. Batchelor sagt, sie hoffe, dass ihre Arbeit in Wisconsin und jetzt einer Höhle in der kanadischen Subarktis, die sie für ihren Postdoc untersucht, dazu beitragen wird, eine große Datenlücke über die Geschichte und die potenzielle Zukunft abrupter Klimaveränderungen im mittleren Kontinent Nordamerikas zu schließen.
Diese Studie wurde durch Zuschüsse der National Science Foundation (P2C2-1805629, EAR-1355590, EAR-1658823) unterstützt. Weitere Ressourcen wurden vom US Department of Energy (DE-AC05-00OR22725), der Wisconsin Alumni Research Foundation und dem Isotope Laboratory der University of Minnesota bereitgestellt. An der UW-Madison haben Shaun Marcott, Ian Orland und Feng He zu dieser Studie beigetragen, ebenso wie R. Lawrence Edwards an der University of Minnesota.
