Die Eiskerne, die uns blicken lassen 1,5

Wissenschaftler bohren tief in das Eis der Antarktis, um besser zu verstehen, welche Rolle atmosphärisches Kohlendioxid in den Klimazyklen der Erde spielt.

Schnell und vorsichtig setzt Florian Krauss in zwei Lagen Handschuhen einen Eiswürfel in einen vergoldeten Zylinder, der im Licht des Ziellasers rot leuchtet. Er tritt zurück, um die mit Drähten und Messgeräten bedeckte Maschine zu bewundern, die Polareis in Klimadaten umwandelt.

Wäre es ein echtes Stück kostbares, millionen Jahre altes Eis aus der Antarktis und nicht nur ein Testwürfel, würde er als nächstes das Extraktionsgefäß unter Vakuum verschließen und den 150-Watt-Hauptlaser einschalten, wodurch langsam die gesamte Eisprobe entsteht direkt in Gas zu sublimieren. Für Krauss, einen Doktoranden an der Universität Bern in der Schweiz, würde dies seine Geheimnisse lüften und die darin eingeschlossenen Konzentrationen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid ans Licht bringen.

Um die Rolle des atmosphärischen Kohlendioxids in den Klimazyklen der Erde besser zu verstehen, greifen Wissenschaftler seit langem auf Eiskerne zurück, die in der Antarktis gebohrt wurden, wo sich Schneeschichten über Hunderttausende von Jahren ansammeln und verdichten und Proben alter Luft in einem Gitter aus Blasen einschließen, die dienen als winzige Zeitkapseln. Durch die Analyse dieser Blasen und der anderen Eisinhalte wie Staub und Wasserisotope können Wissenschaftler Treibhausgaskonzentrationen mit Temperaturen in der Zeit vor 800.000 Jahren in Verbindung bringen.

Europas Initiative „Beyond EPICA“ (European Project for Ice Coring in Antarctica), die bereits im dritten Jahr läuft, hofft, endlich den bisher ältesten Kern zu bergen, der 1,5 Millionen Jahre alt ist. Dies würde die Klimaaufzeichnung bis zurück zum Mittelpleistozän-Übergang verlängern, einer mysteriösen Zeit, die eine große Veränderung in der Häufigkeit der Klimaschwankungen der Erde markierte – Zyklen sich wiederholender Eis- und Warmzeiten.

Einen so alten Kern erfolgreich zu bohren – ein jahrelanges Unterfangen – könnte der einfache Teil sein. Als nächstes müssen Wissenschaftler mühsam die eingeschlossene Luft aus diesem Eis befreien. Krauss und seine Kollegen entwickeln dafür einen innovativen neuen Weg.

„Uns interessiert nicht das Eis selbst – wir sind nur an den enthaltenen Luftproben interessiert, also mussten wir einen neuen Weg finden, die Luft aus dem Eis zu extrahieren“, sagt er.

Der Eingriff könnte Methan abbauen und ein Phänomen nachahmen, das Eiszeiten verstärkt haben könnte. Wissenschaftler sagen jedoch, dass noch viel mehr Grundlagenforschung betrieben werden muss.

Schmelzen ist keine Option, da sich Kohlendioxid leicht in Wasser auflöst. Traditionell verwendeten Wissenschaftler mechanische Extraktionsmethoden, indem sie Proben einzelner Eisschichten zermahlen, um die Luft zu befreien. Für das Beyond EPICA-Eis im Tiefkühllager der Universität, das auf 50 °C unter Null gehalten wird, wäre das Mahlen jedoch nicht effektiv. Das älteste Eis ganz unten im Kern wird so komprimiert und die einzelnen einjährigen Schichten so dünn, dass Blasen nicht sichtbar sind – sie wurden in das Gitter der Eiskristalle gedrückt und bilden eine neue Phase namens Clathrat .

„Ganz unten erwarten wir 20.000 Jahre Klimageschichte, komprimiert in nur einem Meter Eis“, sagt Hubertus Fischer, Leiter der Forschungsgruppe Vergangenheitsklima und Eiskerne in Bern. Das ist ein Hundertstel der Dicke aller bisherigen Eiskernaufzeichnungen.

Die neue Methode, die Krauss und Fischer entwickeln, heißt deepSLice. (Eine Pizzakarte ist an der Seite des Geräts direkt unter den Laserwarnschildern aufgeklebt, ein Geschenk einer gleichnamigen Pizzeria in Australien.) DeepSLice besteht aus zwei Teilen. Das Laser-Induced Sublimation Extraction Device (LISE) füllt einen halben Raum im Labor des Teams. LISE richtet einen Nahinfrarotlaser kontinuierlich auf eine 10-Zentimeter-Scheibe eines Eiskerns, sodass dieser bei extrem niedrigem Druck und extrem niedriger Temperatur direkt vom Feststoff in Gas übergeht. Das sublimierte Gas gefriert dann in sechs auf 15 K (-258 °C) gekühlten Metalltauchrohren, die jeweils die Luft aus einem Zentimeter Eiskern enthalten. Schließlich werden die Proben in ein maßgeschneidertes Absorptionsspektrometer geladen, das auf Quantenkaskadenlasertechnologie basiert und Photonen durch die Gasprobe schießt, um gleichzeitig die Konzentrationen von Kohlendioxid, Methan und Lachgas zu messen. Ein weiterer großer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass es viel weniger Eis (und Arbeit) erfordert als die alte Analysemethode, bei der Wissenschaftler Methan durch Schmelzen von Eis (es löst sich nicht in Wasser auf) und Kohlendioxid durch Mahlen von Eis maßen.

DeepSLice bietet „eine einzigartige Fähigkeit, die niemand sonst hat“, sagt Christo Buizert, Eiskernwissenschaftler an der Oregon State University und Eisanalyseleiter für COLDEX (das Center for Oldest Ice Exploration) – das US-Äquivalent von Beyond EPICA, das derzeit besteht in einem „freundschaftlichen Wettlauf“ mit den Europäern um die Bohrung eines durchgehenden Kerns bis hin zum 1,5 Millionen Jahre alten Eis.

„Was sie versuchen, ist die Sublimation von Eis – die Leute versuchen das schon seit langem, aber es ist eine der anspruchsvollsten Methoden, Gase aus Eis zu extrahieren“, sagt Buizert. „Es ist ein sehr vielversprechender Weg, weil man 100 % der Gase herausbekommt, aber es ist sehr schwierig. Die Tatsache, dass es ihnen gelungen ist, es zum Laufen zu bringen, ist sehr beeindruckend.“

Krauss und Fischer haben noch etwa drei Jahre Zeit, bis sie diesen kritischen Eisabschnitt in die Hände bekommen. Es müssen noch einige Probleme gelöst werden, beispielsweise wie die Proben aus dem Spektrometer für weitere Analysen zurückgewonnen werden können, aber sie gehen davon aus, dass sie bereit sein werden, wenn sie endlich in Gefriercontainern auf einem Schiff von der Antarktis über Italien ankommen.

„Unsere jüngsten Ergebnisse haben gezeigt, dass wir auf einem guten Weg sind und tatsächlich die Präzision erreicht haben, die wir wollten“, sagt Krauss. „Ich bin mir also sicher, dass es fertig sein wird.“

Christian Elliott ist ein Wissenschafts- und Umweltreporter mit Sitz in Chicago.

Diese Geschichte war Teil unserer September/Oktober 2023-Ausgabe.

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