Die pleistozäne Permafrostgrenze an der Grenze Europa-Asien

Permafrost ist ein bedeutender Player im globalen Klimasystem. Gewaltige Mengen an organischem Kohlenstoff sind im gefrorenen Boden gespeichert. Wenn Permafrost als Folge der Klimaerwärmung auftaut wird dieser Kohlenstoff als Kohlendioxid und Methan freigesetzt. Da beides Treibhausgase sind verstärken sie die globale Erwärmung. Um diese positive Rückkopplung zwischen dem Auftauen des Permafrostes und der Klimaerwärmung zu verstehen, bedarf es eine solide Kenntnis wie sich die räumliche Verbreitung von Permafrost im Zuge von Klimaänderungen in der Vergangenheit verändert hat. Das ist eine große Herausforderung. Die Rekonstruktion des früheren Permafrostes beruht auf Geländebeobachtungen und der Altersbestimmung gewisser Permafrost-Anzeiger, wobei die meisten Daten nur bis zur letzten Eiszeit zurückreichen (vor ca. 25.000 Jahren). Die Informationen über ältere Zeitabschnitte sind hingegen sehr bruchstückhaft. Und über Änderungen des früheren Permafrostes als Folge kleiner und kurzfristiger Klimaänderungen ist kaum etwas bekannt. In diesem Projekt sollen zwei Arten von Höhlenablagerungen (Speläotheme) als neuartiges, duales Permafrost-Archiv untersucht werden. Auf der einen Seite gewöhnliche Höhlensinter, wie Stalagmiten, die durch tropfendes Wasser gebildet werden. Aufgrund der fundamentalen Tatsache, dass diese flüssiges Wasser für ihre Bildung benötigen, können sie als Beleg für permafrostfreie Bedingungen herangezogen werden. Auf der anderen Seite gibt es sogenannte kryogene Höhlenkarbonate (im Englischen mit CCC abgekürzt, für cryogenic cave carbonate), die Permafrost indizieren. Der entscheidende Vorteil dieses neuartigen, dualen Archives ist, dass beide Speläothemtypen mittels der Uran-Thorium-Methode präzise altersbestimmt werden können. Die Speläotheme sollen in 16 Höhlen im Ural beprobt werden. Dieses Gebirge erstreckt sich über mehr als 1000 km in N-S-Richtung und bildet die Grenze von Europa zu Asien. Es ist somit eine ideale Region, um die N-S-Veränderungen der südlichen Permafrostgrenze als Folge von Klimawandel zu studieren. Die Proben von gewöhnlichen und kryogenen Höhlensintern werden datiert und zudem auf ihre stabile Isotopenzusammensetzung hin analysiert, um weitere Einblicke in das damalige Klima zu erhalten. Diese Daten werden es erlauben, die Geschichte der Permafrostausbreitung in diesem wichtigen Gebiet im Norden Eurasiens in großer Genauigkeit für die vergangenen 130.000 Jahre zu rekonstruieren.

Gegenwärtig nimmt Permafrost etwa 15 Mio. km der Landoberfläche der Erde ein. Während der Eiszeiten war er viel weiter verbreitet (bis zu 26 Mio. km). Der Permafrost bindet große Mengen an Treibhausgasen und übt damit einen starken Einfluss auf das Klima der Erde aus. Um diese Kontrolle zu verstehen und dieses Verständnis für die Vorhersage künftiger Klimaveränderungen zu nutzen, ist es wichtig, die genaue flächenmäßige Verteilung des Permafrosts in früheren Klimazyklen zu kennen. In diesem Projekt verwendeten wir einen neuen natürlichen Marker für Permafrost, kryogene Höhlenkarbonate (kurz CCC). Diese Minerale kristallisieren wenn Wasser in Höhlen gefriert. Damit dies geschieht, muss sich die Höhle im Permafrost befinden. Der Zeitpunkt der CCC-Bildung und damit das Alter des Permafrosts kann mit Hilfe der U-Th-Datierung genau bestimmt werden. Wir haben 54 Höhlen in Nordeurasien erforscht und in 19 davon CCCs gefunden. Mit Hilfe der U-Th-Datierung konnten wir feststellen, dass sich die Permafrostgrenze in Nordeurasien während der kalten glazialen Klimaphasen um mehr als 1000 km nach Süden verschoben hat und während der warmen interglazialen Phasen zurückgegangen ist. Der Schwerpunkt dieses Projekts, das Uralgebirge, ist ein 1000 km langer Gebirgszug, der Europa und Asien trennt. Während der letzten Eiszeit entwickelte sich der Permafrost im nördlichen und mittleren Ural vor etwa 120.000 Jahren, während er sich im südlichen Ural erst vor etwa 76.000 Jahren, entwickelte. Der Permafrost hielt sich in relativ kalten Perioden, vor etwa 75.000 bis 59.000 und 33.000 bis 14.000 Jahren. Außerhalb dieser stabilen Perioden erlebte er Episoden des Auftauens und Einfrierens. Das endgültige Verschwinden des Permafrostes im Ural fand vor etwa 11.000 Jahren statt. Wichtig ist, dass sich die räumliche Konfiguration des Permafrosts nicht nur als Reaktion auf größere Klimaschwankungen (wie z. B. den Übergang von eiszeitlichen zu zwischeneiszeitlichen Klimazuständen) sondern auch auf viel kürzere und abrupte Klimaereignisse (z. B. schnelle, jahrzehntelange Dansgaard-Oeschger-Erwärmungsepisoden) verändert hat. Eine weitere wichtige Erkenntnis betrifft die Paläoanthropologie. Zwei Höhlen im Südural, Shulgan-Tash und Ignatievskaya, beherbergen reiche paläolithische Höhlenkunst an ihren Wänden. Die Höhlen wurden vom paläolithischen Menschen am Ende des letzten glazialen Maximums und kurz danach als Heiligtümer genutzt. Wir haben herausgefunden, dass sich beide Höhlen zur Zeit der künstlerischen Aktivität in einem Permafrostgebiet befanden und Temperaturen unter dem Gefrierpunkt aufwiesen. Dies schuf unwirtliche Bedingungen für den Besuch der Höhlen, ganz zu schweigen von der Schaffung Höhlenkunst in ihnen. Diese Erkenntnisse haben Archäologen und Paläoanthropologen dazu veranlasst die kulturellen Praktiken des paläolithischen Menschen in diesem Teil Eurasiens neu zu bewerten.