Tropfsteine als Klimazeugen

Tropfstein wächst sehr langsam. Wenn Regenwasser durch das Gestein fließt, wird darin Kalk gelöst. Dieser benetzt die Steine dann Atomschicht für Atomschicht. Jedes Jahr wird ein Stalagmit oder Stalaktit auf diese Weise nur rund eine Haaresbreite länger. „Dabei kann die Wachstumsrate stark variieren“, weiß der Forscher. „Manche wachsen in 1.000 Jahren nur ein paar Zentimeter, andere sogar mehrere Meter. Ein so hohes Wachstumstempo ist jedoch sehr selten.“

Für ihre neuen Experimente haben die süddeutschen Wissenschaftler nun einen langsam wachsenden Stalagmiten aus der Kleinen Teufelshöhle in der Fränkischen Schweiz untersucht. Solche Tropfsteine können die Klimabedingungen kontinuierlich über mehrere Jahrtausende speichern. „Die jährlichen Wachstumszonen dieses Stalagmiten sind rund hundertfach dünner als ein Baumring“, sagt Trieloff. Genau das stellte bisherige Analysen vor Schwierigkeiten: Man fräste mit einem feinen Bohrer Material heraus, löste dieses chemisch auf und schickte es dann – sozusagen atomisiert – als geladene Ionen durch ein Massenspektrometer. In einem solchen Gerät werden die unterschiedlichen Isotope nach ihrer Masse sortiert, sodass man die genaue prozentuale Isotopenverteilung eines Elements ermitteln kann.

„Das Problem ist allerdings, dass man auf diese Weise nur über etliche Jahre gemittelte Werte erhält, denn die jährlichen Wachstumszonen sind wesentlich kleiner als die Probengröße“, sagt Trieloff der Forscher. „Deshalb haben wir mit unserer Ionensonde ein neues Verfahren erprobt.“ Dazu sägten die Wissenschaftler den Stalagmiten aus der Kleinen Teufelshöhle längs auf und polierten ihn extrem glatt. „Dann haben wir ihn mit einem sehr feinen und intensiven Strahl aus Cäsium-Ionen beschossen.“ Diese lösten mit mikrometerfeiner Präzision Material aus dem Stein, das dann in einem Massenspektrometer vermessen wurde.

Dank der Ionensonde konnten die Forscher die zeitliche Verteilung der Sauerstoff-Isotopen hochgenau ermitteln und dadurch auch saisonale Abweichungen erkennen. Die gewonnenen Daten aus diesem Stalagmiten reichten mehrere Hundert Jahre in die Vergangenheit zurück. Zum Test verglichen die Wissenschaftler ihre Ergebnisse mit Baumring-Datenbanken sowie mit historischen Wetterdaten – vor allem solchen aus dem Nürnberger Stadtarchiv. Als freie Reichsstadt und Handelsmetropole verfügte Nürnberg über ein umfangreiches Archiv, aus dem sich auch historische Wetterdaten gewinnen lassen. So sind besonders heiße Sommer oder kalte Winter gut dokumentiert.

Aus den Tropfstein-Daten konnten die Wissenschaftler auch langzeitliche Klimaschwankungen ablesen, insbesondere die sogenannte Kleine Eiszeit, die sich im Höhepunkt vom Ende des 16. Jahrhunderts bis ins späte 17. Jahrhundert erstreckte. In dieser Zeit gab es häufige Regenfälle und Überflutungen, wie sowohl das Stadtarchiv als auch die Baumringdaten belegen. Im Tropfstein schlugen sich die besonderen Umweltbedingungen ebenfalls nieder. „Wir sehen Hinweise auf kalte und trockene Winter“, sagt Trieloff. Die jährliche Eis- und Schneeschmelze habe sich verzögert, sodass es später im Jahresverlauf zu heftigen Überschwemmungen gekommen sei.

Auch das weltweit außergewöhnlich kalte Jahr 1816, das „Jahr ohne Sommer“, das auf einen Ausbruch des indonesischen Vulkans Tambora folgte, ließ eindeutige Spuren im Tropfstein zurück. Es gab einen kalte Sommer und niederschlagsreichen Winter, was Missernten und Hunger mit sich brachte. Die guten Ergebnisse, die sich mit der Ionensonde erzielen ließen, machen den Forschern Mut, dieses Verfahren künftig andernorts zur Rekonstruktion der Klimageschichte einzusetzen, sodass sie nicht nur einige Jahrhunderte in die Vergangenheit blicken, sondern etliche Tausend Jahre. ■