Bohren nach den unter dem Meer verborgenen Klimageheimnissen der Erde – WARUM

Ein Team von Wissenschaftlern bohrt mit JOIDES Resolution nach Sedimentkernen vor der Küste Portugals – einem Gebiet, das reich an Informationen über die Erdgeschichte ist.

Die Wissenschaftsgruppe der Expedition 397 erreicht die JOIDES-Resolution in Lissabon, Portugal. (Mit freundlicher Genehmigung von Sandra Herrmann, IODP JRSO)

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Vor Tagesanbruch an einem windigen Tag sitzen zwei Dutzend Klimaforscher zitternd auf dem Oberdeck eines Forschungsschiffs und beobachten, wie Schlepper sie vom Hafen von Lissabon in ein zweimonatiges Abenteuer ziehen, das seit 13 Jahren ansteht.

Die JOIDES-Resolution führt die Forscher unter der Hängebrücke vom 25. April hindurch, am Denkmal der Entdeckungen vorbei und ins offene Meer. Ihr Ziel? Eine Reihe von Stopps, bei denen sie tief in den Meeresboden bohren wollten, um nach Klimageheimnissen zu suchen, die sich über Millionen von Jahren angesammelt haben.

Dieser Bereich der Klimawissenschaft ist als Paläozeanographie bekannt – die Erforschung der Ozeane in der Vergangenheit – und einer seiner Begründer war der verstorbene britische Wissenschaftler Sir Nicholas Shackleton. Wenn Ihnen der Name Shackleton bekannt vorkommt, liegt das wahrscheinlich daran, dass Nick ein Großneffe des Antarktisforschers Sir Ernest Shackleton war. Während sein berühmter Großonkel weit vordringen wollte, um Neuland zu erschließen, wollte Nick Shackleton tief vordringen. Er sammelte Schlammzylinder – sogenannte Sedimentkerne – unter dem Ozean, um ein klareres Bild der Vergangenheit zu erhalten.

Aus der Analyse der Sand- und Gesteinsschichten voller Mikrofossilien und Mineralien in diesen Kernen konnte Shackleton vor Hunderttausenden von Jahren die Luft- und Wassertemperatur sowie die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre berechnen. Und er stellte auch fest, dass der Nordatlantik direkt vor der Küste Portugals ein entscheidender Ort für die Durchführung solcher Studien ist.

Seine wissenschaftlichen Arbeiten brachten Shackleton in seinem Fachgebiet großen Ruhm und zahlreiche Auszeichnungen und Medaillen ein. Doch er starb 2006 an Krebs, bevor er ein Großprojekt abschließen konnte. Er wollte in einem Gebiet vor der Küste Portugals nach Sedimentkernen bohren, wo der Meeresboden Hügel und Schluchten aufweist, in denen Sedimente vom nahegelegenen europäischen Kontinent gesammelt werden. Es ist auch ein Ort, an dem Ozeanographen Wassermassen sowohl aus der Arktis als auch aus der Antarktis identifiziert haben. Shackletons Arbeit zeigte, dass dieser Standort Wissenschaftlern wahrscheinlich Kerne liefern würde, die es ihnen ermöglichen würden, eine kontinuierliche Aufzeichnung der Klimageschichte der Erde über einen Zeitraum von 3 bis 5 Millionen Jahren zu erstellen.

Zwei Forscher, alte Freunde aus ihrer Zeit als Doktorand an der University of Rhode Island, beschlossen, einen Antrag auf Fertigstellung von Shackletons Arbeit im Jahr 2009 zu stellen. David Hodell, ein Amerikaner, der 2008 in das Vereinigte Königreich zog, ist an der University of Rhode Island Cambridge, im Department of Earth Sciences, wo Shackleton seine Karriere verbrachte. Fatima Abrantes leitet ein Labor am portugiesischen Institut für Meer und Atmosphäre in Lissabon und zusammen sind die beiden Co-Chefwissenschaftler der Expedition 397 des International Ocean Discovery Program.

Nach etwa 12 Stunden auf See kommt das Schiff zum Stehen und senkt 12 riesige Triebwerke ab. Hierbei handelt es sich um große, in Metallrohren eingeschlossene Propeller, die der Schiffsbesatzung die Möglichkeit geben, das Schiff an Ort und Stelle zu halten.

Mit einer Länge von 470 Fuß ist die JOIDES Resolution eine schwimmende Bohrinsel aus den 1970er Jahren, die in den 1980er Jahren komplett umgebaut wurde, um für die Wissenschaft statt für fossile Brennstoffe zu bohren. Auf seinem Deck thront ein 200 Fuß hoher Bohrturm. Stellen Sie sich eine große, offene, leiterartige Pyramide vor, wie man sie vielleicht auf einem Ölfeld sieht. Das Schiff trägt ein Rohr im Wert von einer Meile, das Stück für Stück zusammengefügt wird, um den sogenannten Bohrstrang zu bilden. Es dreht und wendet sich, erstreckt sich von der Spitze des Bohrturms durch ein Loch im Schiff, das „Mondbecken“ genannt wird, und stürzt dann durch etwa 15.000 Fuß tiefes Wasser bis zum Grund des Ozeans.

Sobald es den Meeresboden erreicht, bohrt sich das Rohr in das Sediment und erzeugt ein Loch. Als nächstes lässt das Bohrteam ein 30 Fuß langes Kunststoffrohr in das Rohr fallen. Es hat eine Metallspitze und wenn diese in das Loch eindringt, drückt es tiefer, bis sich die gesamte Länge des Kunststoffrohrs mit Schlamm füllt.

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Zu diesem Zeitpunkt bringt die Besatzung mit einer Reihe von Werkzeugen das Plastikrohr zurück an Deck und übergibt es den Wissenschaftstechnikern. Sie warten mit Schutzhelmen, Schutzbrillen und Stiefeln mit Stahlkappen darauf, den Sedimentkern auf einen Laufsteg vor den Wissenschaftslabors zu bringen. Hier beginnt die Forschung.

Eines nach dem anderen tauchen leere Röhren durch Ozean und Sediment, kehren zum Schiffsdeck zurück und werden durch die vielen an Bord verfügbaren Analysen geführt.

Der Grund, warum Abrantes und Hodell und vor ihnen Shackleton an diesen Stellen bohren wollten, ist, dass der Meeresboden hier eine hohe Sedimentationsrate aufweist – das ist die Geschwindigkeit, mit der sich Sand, Pollen und kleine Lebewesen auf dem Meeresboden absetzen. Dadurch entstehen über Jahrtausende hinweg die Informationsschichten, nach denen die Wissenschaftler suchen. Dieser Prozess ist hier etwa zehnmal schneller als in anderen Teilen des Ozeans.

Hodell sagt, dass Shackleton in den 1990er Jahren an genau diesem Ort eine bahnbrechende Entdeckung gemacht habe, die diese Expedition inspiriert habe. Diese Reise fand nicht auf einem Bohrschiff statt. Stattdessen verwendeten sie eine Technologie, die nur kürzere Kerne zuließ. Mit der JOIDES-Resolution können die Wissenschaftler Sedimentkerne aus einer Tiefe von bis zu 1.600 Fuß unter dem Meeresboden bergen. Shackletons Kerne stammten aus weniger als 150 Fuß Tiefe im Sediment. Aber Hodell sagt, Shackleton habe dennoch viel von ihnen gelernt.

„Er zeigte, dass der Oberflächenrekord genau wie Grönland aussah und … der Bodenrekord genauso aussah wie die Antarktis“, sagte Hodell. Mit anderen Worten: Shackleton fand heraus, dass der Schlamm, den er direkt unter dem Meeresboden ausgegraben hatte, die gleichen Details enthüllte wie in Eiskernen von den Polen.

„Es muss wie ein Heureka-Moment gewesen sein, zu sagen: ‚Aha! Das sieht genauso aus wie der Eiskernrekord in Grönland, und das sieht aus wie der Eiskernrekord in der Antarktis‘“, sagte Hodell. „Er hat viele, viele Artikel darüber geschrieben.“

Dieser Durchbruch war enorm, denn er bedeutete, dass die Mikrofossilien und Pollen sowie alles andere, was das Sediment am Iberischen Rand, diesem Gebiet vor der Küste der Iberischen Halbinsel, ausmacht, dazu beitragen könnten, ein detaillierteres Bild des globalen Klimas zu bestimmten Zeiten auf der Erde zu erstellen Geschichte.

Es erfordert viele chemische Analysen und Stunden am Mikroskop, um Proben zu analysieren, aber Hodell sagt, dass es keinen anderen Ort in den Weltmeeren gibt, an dem solche Aufzeichnungen erfasst werden.

„Es ist ein bisschen umwerfend, dass ein Ort im Ozean, ein Sedimentkern, Verbindungen und Komponenten zu beiden Polen und zum europäischen Kontinent haben kann“, sagte er, „aber das macht diesen iberischen Rand so aus.“ besonders."

Vor Shackletons Entdeckung stammten Einzelheiten über die Luft- und Wassertemperaturen am Polarkreis aus Eisbohrkernen. Das bedeutete, dass Forscher nur die Bedingungen untersuchen konnten, die zurückreichten, als es Eis gab – etwa 800.000 Jahre in der Antarktis und weniger als 150.000 Jahre in Grönland.

Jetzt können sie das Sediment von hier nutzen, um ein Bild davon zu erstellen, wie die Pole aussahen, als die Erde viel wärmer war. Dies wird dazu beitragen, aktuelle Klimamodelle robuster zu machen. Ein besseres Verständnis vergangener Klimazonen könnte den Menschen auch dabei helfen, sich auf die kommenden Veränderungen vorzubereiten. Shackleton war derjenige, der dieses Potenzial als erster erkannte.

„Ich habe das Gefühl, dass wir ihm irgendwie seinen Wunsch, seinen Traum erfüllen“, sagte Hodell.

Die Arbeit des verstorbenen Wissenschaftlers, sogar sein Geist, steht bei dieser Mission im Vordergrund. Hodell arbeitete nie direkt mit Shackleton zusammen und unternahm auch keine Kernexpedition mit ihm. Aber Abrantes tat es.

Sie war Mitte der 1990er Jahre mit Shackleton auf einem Schiff und sagt, dass sie im Grunde rund um die Uhr arbeiteten, Bohrkerne holten und Proben für die Untersuchung nahmen.

„Wir arbeiteten vier Stunden lang, probierten vier Stunden lang und ruhten uns vier Stunden lang aus“, sagte sie. „Und wir probierten, auch gemeinsam, zu zweit, und es hat viel Spaß gemacht.“

Sie hat ein Foto von ihnen, wie sie sich darauf vorbereiten, ein Rohr von der Seite eines Bootes fallen zu lassen. Auf dem Foto trägt Shackleton Shorts und Sandalen – was heute aus Sicherheitsgründen nicht erlaubt wäre. Abrantes sagt, er habe beim Musizieren nur Schnürschuhe angezogen.

„Er nahm es so ernst, dass es das einzige Mal war, dass er einen Anzug anzog und Schuhe trug“, sagte sie über seine musikalischen Aktivitäten. Neben seinem wissenschaftlichen Erfolg war er auch ein versierter Holzbläser und Sammler.

„Er hat mir einmal erzählt, dass Musik sein Leben und Wissenschaft sein Hobby sei.“

Shackletons bahnbrechende Arbeit inspirierte viele, darunter auch die zwei Dutzend Wissenschaftler, die Abrantes und Hodell versammelten, um den iberischen Rand zu erbohren und ihre eigenen Entdeckungen zu machen. Die Wissenschaftler hoffen zu zeigen, wie sich das Erdklima in den letzten drei bis vier Millionen Jahren alle tausend Jahre verändert hat. Das wäre eine sehr detaillierte Aufzeichnung und ein enormes Unterfangen. Möglicherweise erfahren sie auch, wie diese Schlammschichten Veränderungen in der Erdumlaufbahn dokumentieren.

Nach etwa zwei Wochen auf See ist Röhre für Röhre Schlamm vom Boden aufgetaucht, manchmal bis zu 50 Bohrkerne pro Loch. Jeder Kern ist etwa 30 Fuß lang und das Team bohrt an jeder Stelle mehrere Löcher. Alle paar Stunden übergeben sie Kerne an Wissenschaftstechniker, bei denen es sich um erfahrene Wissenschaftler und erfahrene Seeleute handelt, die für die Leitung der Schiffslabore, die Kuratierung der Kerne und die Unterstützung der Wissenschaftsgruppe verantwortlich sind. Sobald jeder Kern auf dem Deck ankommt, vermessen die Techniker ihn sorgfältig und schneiden ihn dann in drei bis vier Fuß lange Abschnitte. Diese werden sorgfältig mit einem Lasergravierer beschriftet.

Dann beginnen die Abschnitte ihre Reise durch die vielen Labore des Schiffes auf Schienen, die sie in verschiedene Maschinen einspeisen. Anschließend schneiden die Techniker die Zylinder mit einer Motorsäge der Länge nach auf und spalten sie. Schließlich werden die Bohrkerne aufgespreizt und das Sediment im Inneren zum ersten Mal dem menschlichen Auge zugänglich gemacht. Jeder Kern ist anders.

„Wir haben blaue Sedimente über völlig weiße Kreide voller Löcher bis hin zu rötlichen Sedimenten voller Glas“, sagte Abrantes. Es ist bekannt, dass bestimmte Arten von Foramen oder Foraminiferen und Nannofossilien mit bestimmten Zeiträumen korrelieren. Wenn die Experten für Mikrofossilien also die Art identifizieren, können sie das Alter des Sediments grob bestimmen.

Schnell wird klar, dass die Wissenschaftler das Ziel eines 3 bis 5 Millionen Jahre alten Schlamms weit übertroffen haben. Im Kernbeschreibungslabor sieht Jerry McManus, Professor an der Columbia University, unerwartete Dinge im Schlamm.

„Wir haben plötzlich mehrere Kerne geborgen, die deutlich älter als 10 Millionen Jahre, vielleicht 14 Millionen Jahre waren“, sagte er. „Und sie waren spektakulär variabel.“

Selbst mit einem ungeübten Auge sind helle und dunkle Schichten von Grün- und Brauntönen sichtbar. Und der Schlamm birgt allerlei Leckeres im Inneren.

„Im Sand befanden sich große Brocken Muschelschalen und Dinge, die ganz offensichtlich von irgendwo ganz nah am Ufer oder ganz nah an der Oberfläche herabgefallen wären“, sagte McManus. „Und das war alles eine große Überraschung, und das waren wunderschöne Sedimente.“

Trotz des Nervenkitzels des Unerwarteten kann das Tempo der Bordwissenschaft unerbittlich sein. Jeder arbeitet eine 12-Stunden-Schicht, um das ultimative Ziel zu erreichen: die maximale Menge an Sedimenten zu sammeln.

Abrantes und Hodell haben die Mitglieder der Wissenschaftspartei, die aus fast einem Dutzend Ländern stammen, sorgfältig ausgewählt. Sie suchten ein Team mit umfassender Erfahrung und Fachkompetenz. Abrantes sagt, dass Nick Shackleton auch so gearbeitet hat. Sie sagt, dass Shackleton stets die Zusammenarbeit als Team für die beste Wissenschaft vor Augen hatte und die Konkurrenz außer Acht ließ.

„Ich denke, das ist eine wirklich gute Lektion für die jungen Leute“, sagte sie und wies darauf hin, dass an der Expedition mehrere Doktoranden und Postdoktoranden sowie junge Dozenten und langjährige Professoren mit vielen Forschungskreuzfahrten beteiligt seien.

Die Postdoktorandin May Huang ist in Taiwan aufgewachsen und hat in Hongkong promoviert. Als sie sich der Expedition anschloss, absolvierte sie gerade ein Postdoc-Studium am Smithsonian, und jetzt hat sie ein weiteres Postdoc-Studium an der Princeton University begonnen. Zuvor war sie als Doktorandin auf der JOIDES Resolution unterwegs und teilt sich dieses Mal ein Zwei-Personen-Labor mit einem ordentlichen Professor der Brown University, Tim Herbert. Huang sagte, sie schätze die Arbeit in einem Team, das die akademische Hierarchie auflöst.

„Als ich aufwuchs, durften wir keine Fragen stellen oder unsere Senioren herausfordern“, sagte Huang. „Hier draußen hat jeder andere Erfahrungen, aber alle sind gleich und jeder kann auf seine Weise einen Beitrag leisten.“

Sie weiß, wie man einfachen Code schreibt. Diese Fähigkeit ermöglichte es ihr, eine Idee umzusetzen, die Herbert hatte, aber nicht herausgefunden hatte, wie er sie umsetzen sollte.

Auch die Doktorandin Celeste Pallone, die bei Jerry McManus an der Columbia promoviert, findet, dass die Atmosphäre an Bord enge Beziehungen fördert.

„Es war großartig, mit Menschen sprechen und sogar Freundschaften mit ihnen schließen zu können, die sich in unterschiedlichen Phasen ihrer wissenschaftlichen Karriere befinden“, sagte Pallone.

Auf dem Schiff arbeitet Pallone im Kernbeschreibungslabor in der entgegengesetzten Schicht zu McManus. Aber zu Hause hat sie bereits ihr Doktorarbeitsprojekt im Gange, bei dem sie einen Bohrkern von der Pazifikküste Südamerikas verwendet. McManus sagt einmal mehr, dass Nick Shackletons Vermächtnis in der Schwebe liege. Im Jahr 2004 sollten er und Shackleton gemeinsam auf der JOIDES Resolution segeln, doch Shackleton wurde krank und konnte nicht mitfahren. McManus sagt, dass Shackleton eigentlich nur an einem Ort dieser Expedition interessiert war. Sie haben es ohne ihn geübt.

„Und die Verbindung zu diesem Tag besteht darin, dass Celeste Pallone ihre Abschlussarbeit an derselben Stelle macht“, sagte McManus, „das war die einzige Stelle, die Nick Shackleton von dieser Expedition aus untersuchen wollte.“

Nach zwei Monaten auf See haben die Wissenschaftler an vier Standorten Bohrungen durchgeführt und dabei riesige Mengen Schlamm gesammelt. Sie haben ihre ursprünglichen Forschungspläne als Reaktion auf unerwartete Fragestellungen, die aus den Kernen hervorgingen, überarbeitet.

Schließlich kommen sie zusammen, um den endgültigen Kern einzubringen. Jeder ist ein bisschen benommen. Sie haben vier Meilen Schlamm gesammelt. Sobald der letzte Kern übergeben ist – dieses Mal laden die Techniker die Wissenschaftler ein, mit ihnen auf dem Laufsteg zu arbeiten – wendet sich Abrantes an die Gruppe.

„Hey Leute, wir haben es geschafft!“ Sie sagte. Das Schlammsammeln ist beendet und die Expedition nähert sich ihrem Ende. Drei Tage später ziehen Schlepper die JOIDES Resolution in den Hafen von Tarragona, Spanien. Paletten mit Kernen werden abgeladen. Sie werden an Labore in Europa und den Vereinigten Staaten verschickt. Die Wissenschaftler machen sich auf den Heimweg.

Während das Seefahrtsabenteuer vorbei ist, müssen die Entdeckungen erst noch richtig beginnen. David Hodell, Co-Chefwissenschaftler der Expedition, warnt davor, dass es eine Weile dauern könnte.

„Kurz nach der Expedition könnten einige auffällige, auffällige Dinge auftauchen“, sagte er. „Aber ich interessiere mich mehr für das Slow-Burn-Zeug.“

Das sind Studien, die Jahre oder Jahrzehnte dauern können. Lange genug, damit die jüngsten Mitglieder dieser Crew eine weitere Generation von Paläozeanographen betreuen und so das Vermächtnis von Nick Shackleton weiter ausbauen können.

Amy Mayer, eine freiberufliche Journalistin, war die Outreach-Beauftragte an Bord der Expedition 397.

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