Baumringe als Klimaarchiv

Wer Prof. Gerhard H. Schleser in seinem Labor besucht und eine feine Nase hat, bemerkt es sofort: Es duftet leicht nach Holz. Doch hier wird keine neuartige Aromatherapie entwickelt – Prof. Schleser und sein Team vom Institut Sedimentäre Systeme (ICG V) fahnden nach dem Klima von gestern; besser gesagt: von vorvorgestern.

Ein Wacholderbaum

Ihre Klimaarchive bestehen aus Baumscheiben oder -stümpfen und aus Sedimentbohrkernen. Dabei reicht ihr Blick von heute bis zu 15 Millionen Jahre zurück. „Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten“, erklärt der Physiker, „ist die Rekonstruktion des Klimas der vergangenen 1.600 Jahre auf dem Tibetischen Hochplateau. Hier ist die ,Wetterküche‘ des asiatischen Raumes. Deshalb ist es für uns sehr aufschlussreich gerade in dieser Gegend zu forschen.“ Im Mittel liegt die Region 4.200 Meter hoch und weist im Sommer eine extrem hohe Sonneneinstrahlung auf. Erwärmte Luftmassen steigen über diesem Gebiet auf und ziehen feuchte Luft aus tieferen Regionen nach. Dieser Sog bewirkt den südostasiatischen Sommermonsun. Im Winter blockiert das Tibetische Plateau die Westwinddrift und verhindert das Einströmen kalter Luftmassen des sibirischen Hochs nach Indien.

Klostermauern angebohrt

Für den „Blick zurück“ haben sich Wacholderbäume bewährt (Bild 1). Dieses Holz verströmt den feinen Duft, der in Schlesers Labor allgegenwärtig ist. Wacholderbäume werden bis zu 1.600 Jahre alt. Um sie nicht fällen zu müssen, entnehmen die Forscher lediglich Bohrkerne von sechs Millimeter Durchmesser. Zusätzliches Material erhalten sie aus tibetischen Klöstern. Allerdings ist es nicht jedem erlaubt, einfach die ehrwürdigen Klosterwände anzubohren. Prof. Schleser berichtet: „Unser Kollege Dr. Achim Bräuning von der Universität Stuttgart genießt das Vertrauen der Mönche. Nur so ist es uns gelungen, an dieses wertvolle Material zu gelangen.“ Dr. Bräuning kümmert sich bei dieser Kooperation um die Dendrochronologie – die Datierung der Holzfundstücke und deren Einfügen in eine bestimmte Zeitepoche. Anschließend werden im Forschungszentrum Jülich die Ringe der Baumscheiben oder Bohrkerne in akribischer Kleinarbeit gezählt, markiert und Jahr für Jahr abgetrennt (Bild 2). Da ein Baum während seines Lebens ganz unterschiedliche Wachstumsphasen durchläuft, sind die Ringe nicht ohne weiteres für die Rekonstruktion des Klimas geeignet. „Die Faustregel ,breite Ringe – gutes Klima, schmale Ringe – schlechtes Klima‘ gilt nicht unbedingt, da das Wachstum von vielerlei Umweltfaktoren beeinflusst wird!“, betont Schleser.

Ringe der Baumscheiben werden gezählt

Verräterischer Kohlenstoff

Detaillierte Informationen über das Klimageschehen erhalten die Forscher erst im Jülicher Isotopenlabor. Dr. Gerhard Helle, Spezialist für Isotopengeochemie, erklärt die Zusammenhänge: „Während ihres Wachstums benötigt die Pflanze Kohlendioxid – CO₂ – aus der Luft. Dieses kann in zwei unterschiedlichen stabilen Varianten des Kohlenstoffs vorkommen: ¹²CO₂ oder ¹³CO₂. Die beiden C-Varianten unterscheiden sich nur durch ihre Masse und werden als stabile Isotope des Kohlenstoffs bezeichnet. Ihr Verhältnis zueinander ist in der Atmosphäre der letzten etwa 10.000 Jahre nahezu gleich geblieben: Kohlendioxid enthält etwa zu 1,1 Prozent das Isotop ¹³C und zu 98,9 Prozent ¹²C.“

Der junge Forscher weist auf ein wichtiges Detail hin: „Pflanzen haben die Eigenschaft, durch die Spaltöffnungen ihrer grünen Blätter bevorzugt ¹²CO₂ aufzunehmen.“ Dieses wird über ein spezielles Enzym in Zucker umgewandelt und anschließend ins Holz eingebaut. Das natürliche C-Isotopenverhältnis von 1,1 Prozent zu 98,9 Prozent der Luft verschiebt sich in der Pflanze also zu Gunsten des ¹²C. Geht es den Pflanzen gut, also bei ausreichend Regen und angenehmen Temperaturen, öffnen sie die Spaltöffnungen ihrer Blätter weit und es wird hauptsächlich ¹²CO₂ eingeschleust und im Holz eingelagert. Ist es hingegen trocken, verengen sich die Spaltöffnungen stark, es wird weniger CO₂ aufgenommen und das Enzym, das das CO₂ fixiert, nimmt in dieser Mangelsituation das gesamte CO₂ auf, dessen es „habhaft“ werden kann – also auch vermehrt ¹³CO₂. Und genau diese feinen Unterschiede der Kohlenstoff-Zusammensetzung in den Ringen lassen Klimaveränderungen erkennen. Das Verhältnis der Kohlenstoffisotope untereinander verrät, ob es ein gutes oder schlechtes Jahr für den Baum war.

Sonnig mit Wolken und vereinzelte Schauer?

Die exakte Auskunft „20 Grad Celsius und 35 Millimeter Niederschlag im Sommer des Jahres 654 nach Christus“ ist trotzdem von den Ringen noch nicht zu erhalten. „Wir erkennen erst einmal, ob es im Durchschnitt einige Grad kälter oder wärmer wurde und ob es eine feuchte oder eine trockene Periode war“, sagt Dr. Helle. Auch Klimasprünge seien gut zu erkennen, bestätigt er.

So war das Klima des Tibetischen Hochplateaus in den vergangenen 1.600 Jahren nicht immer stabil. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Klima dort, zwar zeitlich versetzt, aber doch ähnlich wie in Mitteleuropa und Nordamerika, deutliche Schwankungen durchgemacht hat“, erläutert Helle. Eine kurze warme Phase zwischen 1200 und 1300 korrespondiert mit dem so genannten „Mittelalterlichen Optimum“. Dieser warme Abschnitt führte zwischen 800 und 1200 zur Besiedlung Grönlands durch die Wikinger und einem unvergleichlichen Aufschwung der Landwirtschaft. In Europa wurde das milde Klima dann von 1500 bis 1800 und in Tibet von 1450 bis 1600 von einer kalten Periode – der „kleinen Eiszeit“ – abgelöst. Seit 1860 ist ein kontinuierlicher Temperaturanstieg um insgesamt 0,6 Grad zu verzeichnen. Die vergangenen 30 Jahre waren dabei die wärmsten des Millenniums und circa 0,2 Grad wärmer als das „Mittelalterliche Optimum“.

Beim Vergleich der Klimasprünge in vorindustrieller Zeit stach den Wissenschaftlern ins Auge, dass es ein auffälliges, systematisches Auf und Ab der Temperaturen gab: In einer relativ kurzen Zeitspanne von etwa 15 Jahren stieg die mittlere Temperatur jeweils enorm an. Der anschließende Abfall dauerte jedoch immer viel länger – circa 200 Jahre. Die Ursachen hierfür sind noch nicht verstanden. Prof. Schleser ist sich sicher: „Unsere Kollegen, die verschiedene Klimamodelle auf Höchstleistungsrechnern testen, sind stark daran interessiert, diese Phänomene zu entschlüsseln. Nur dann haben wir eine Chance, den Einfluss des Menschen auf das Klima zu verstehen und Klimaprognosen zu wagen.“