In unseren Augen verändert sich die Oberfläche der Erde mit ihren Landmassen, Gebirgen und Ozeanen unendlich langsam: Da treiben zwar ganze Kontinente über den tieferen Schichten der Erde; diese erreichen mit wenigen Zentimetern im Jahr aber lediglich Geschwindigkeiten, die mit jenen unseres Finger- und Fußnagelwachstums vergleichbar sind. Größere Veränderungen, wie zum Beispiel ein Meeresarm, der sich öffnet und zwei bisher verbundene Landmassen voneinander trennt, dauern so durchaus einige Millionen Jahre. Und doch kann dieses extreme Schneckentempo in bestimmten Situationen eine Art Kippschalter umlegen und so viel schnellere Klimaveränderungen auslösen. Einem solchen Kippschalter sind nun Wissenschaftler vom Alfred-Wegener-Institut (AWI) in Bremerhaven auf der Spur.

Riesiger See um den Nordpol

Dafür nahm das Team um Michael Stärz, Wilfried Jokat, Gregor Knorr und Gerrit Lohmann viele Millionen Jahre Klimageschichte des heutigen Nordpolarmeers unter die Lupe – eine nur mit großem Aufwand durchführbare Aufgabe. Denn normalerweise müssen Forscher, die mehr über das Klima der Vergangenheit erfahren wollen, ein paar hundert Meter tief in den Meeresgrund bohren und die Ablagerungen dort untersuchen. Im hohen Norden aber verhindert das Eis auf dem Meer solche Aktivitäten. Erst im Spätsommer 2004 gelang es den beiden schwedischen Forschungseisbrechern "Vidar Viking" und "Oden", begleitet vom russischen Atomeisbrecher "Sowetski Sojus", 428 Meter tief in den Untergrund des zentralen Nordpolarmeers zu bohren. So ermöglichten sie einen geologischen Blick in die Vergangenheit.

Auch vor 55 Millionen Jahren lag das angebohrte Gebiet in der Nähe des Nordpols; die Wassertemperaturen erreichten mit rund 24 Grad Celsius allerdings ähnliche Werte wie heutzutage das Mittelmeer im Juli. Allzu verwundert waren die Forscher über diese fast subtropischen Werte jedoch nicht, denn damals herrschte anscheinend überall auf dem Globus ein regelrechtes Treibhausklima. Im Nordpolarmeer sanken die Temperaturen dann auch bald auf rund 18 Grad Celsius und damit auf ähnliche Werte wie in der heutigen Nordsee im Sommer. In der Polarnacht standen somit die Chancen auf Eis demnach ebenfalls schlecht. Offensichtlich sanken die Temperaturen allerdings langsam weiter: Vor 49 Millionen Jahren waren die Wassertemperaturen im Jahresdurchschnitt auf etwa zehn Grad Celsius gefallen, berichten Henk Brinkhuis von der Universität im niederländischen Utrecht und seine Kollegen in "Nature".

Spannender macht die Schichten aus jener Zeit aber ein weiterer Fund: die Sporen so genannter Algenfarne. Die Verwandten dieser Gewächse gedeihen in heutiger Zeit zum Beispiel in gefluteten Reisfeldern – und damit in Süßwasser, nicht aber in salzigem Meerwasser. Vor knapp 50 Millionen Jahren muss das Meer am Pol also eher ein überdimensionaler See gewesen sein. Wie verwandelte sich dieses Binnenmeer mit Süßwasser in das Nordpolarmeer, das wir heute kennen?

Süßwasser im hohen Norden

Auf der Suche nach Antworten ließen die AWI-Forscher Hochleistungscomputer Modellszenarien durchkalkulieren. Entstanden ist der Süßwassersee wohl, weil damals die beiden heutigen Verbindungen des Nordpolarmeers zu den weiter im Süden liegenden Ozeanen blockiert waren. Denn seinerzeit gab es sowohl eine Landbrücke zwischen Sibirien und Nordamerika als auch zwischen dem heutigen Grönland und Schottland. Karten mit Wassertiefen zeigen beide Landbrücken: Zwischen Kap Deschnjow, dem östlichsten Punkt Sibiriens, und dem westlichsten Punkt Amerikas, dem Kap Prince of Wales, ist die Beringstraße gerade einmal 82 Kilometer breit, das Wasser 30 bis 50 Meter tief. Als in der letzten Eiszeit der Meeresspiegel mehr als 100 Meter unter dem heutigen Niveau lag, konnte die Beringstraße leicht trockenfallen und die Verbindung zwischen Polarmeer und Pazifik blockieren.

Aber auch im hohen Norden des Atlantiks zeichnet sich auf den Seekarten zwischen Grönland, Island und dem Norden Schottlands eine Schwelle ab. An zwei Stellen – in Island und um die Färöer-Inseln – erheben sich Teile dieses Grönland-Schottland-Rückens heute noch über die Wellen des Atlantiks. Der Rest allerdings liegt nun meist um die 500 Meter unter dem Meeresspiegel, und an vier Stellen fallen Einschnitte tiefer ab, zum Teil bis auf 850 Meter unter den Meeresspiegel. Das war vor mehr als 40 Millionen Jahren anscheinend ganz anders: Damals lag der Grönland-Schottland-Rücken auf seiner gesamten Länge über Wasser und schnitt das Nordpolarmeer auch vom Atlantik und damit vollständig von den anderen Weltmeeren ab.

Gleichzeitig aber trugen die Flüsse damals ähnlich wie heute riesige Mengen Süßwasser in den hohen Norden. Derzeit strömen jedes Jahr über die gewaltigen Ströme Ob, Jenissei, Lena und Kolyma in Sibirien, den MacKenzie in Kanada und den Yukon in Alaska 3300 Kubikkilometer Wasser in das Polarbecken im Norden. Das entspricht rund zehn Prozent der Wassermenge, die alle Flüsse der Welt transportieren. Die Einzugsgebiete der Flüsse liegen jeweils in Regionen mit heute relativ kühlem Klima und dadurch relativ geringen Niederschlägen. In der wärmeren Welt vor mehr als 40 Millionen Jahren dürfte es in diesen hohen Breiten dagegen mehr geregnet haben. Somit sollten die Flüsse damals deutlich mehr Wasser als heute getragen haben.

Eine Landbrücke versinkt

Nur sammelten sich diese riesigen Süßwassermengen nicht in einem kalten Meer, sondern in jenem gigantischen See, in dem die Algenfarne wuchsen, deren Sporen die Forscher später entdecken sollten. Der Spiegel des Gewässers lag vermutlich deutlich über dem Meeresspiegel, und wahrscheinlich hatte der See einen Abfluss in die Weltmeere. In die entgegengesetzte Richtung floss dagegen erst einmal wenig; von den Ozeanen strömte kein Salzwasser in den höher liegenden Nordpolarsee. Allerdings ließen die Kräfte aus dem Erdinneren den Grönland-Schottland-Rücken langsam absinken, bis die Landbrücke vor rund 40  Millionen Jahren bis auf die Höhe des damaligen Meeresspiegels abgesunken war. Theoretisch öffnete sich damit auch in umgekehrter Richtung ein Weg: Aus dem Nordatlantik könnte Salzwasser in den Nordpolarsee geflossen sein.

Was dann – vor 15 bis 20 Millionen Jahren – wirklich geschah, versuchten die AWI-Forscher nun mit einem verbesserten Weltklimamodell zu simulieren, in dem die Verhältnisse in der Luft, in den Meeren und an den Landoberflächen berücksichtigt sind. Denn genau wie an Land Gebirgsketten die Winde erheblich beeinflussen, hängen auch die Wasserströme in den Ozeanen sehr stark von der Topografie des Meeresbodens ab. Landmassen stoppen zum Beispiel auf sie treffende Strömungen und lenken sie in eine andere Richtung. Bereits eine Hügelkette auf dem Meeresgrund, deren Gipfel die Wellen nicht durchstoßen, sondern einige Meter unter dem Meeresspiegel liegen, können die Wassermassen deutlich steuern. Die Forscher ließen ihre Klimasimulation mehrfach durchrechnen: Hatten die Computer einen Zyklus berechnet, ließen sie bei den folgenden Zyklen den Grönland-Schottland-Rücken schrittweise immer tiefer in den Fluten versinken und beobachteten, wie sich die Strömungen dabei veränderten.

Wann kommen die Strömungen in Schwung?

Dieser Vergleich von Simulationen macht erstaunliche Zusammenhänge deutlich. So tat sich noch recht wenig, als die Schwelle zwischen dem Norden und dem Süden bereits 22 Meter unter dem Meeresspiegel lag. In dieser Situation floss zwar Süßwasser, das die großen Flüsse ja nach wie vor reichlich in das Nordpolarmeer lieferten, wie auch schon vorher kräftig nach Süden. Von dort strömte dagegen kaum wärmeres Salzwasser nach Norden. Das Nordpolarmeer war jetzt zwar mit dem Süden verbunden, wandelte sich aber nicht zu einem salzigen Meer, sondern ähnelte eher einer gigantischen, kalten Lagune. Den Grund für diese Entwicklung entdeckten die Forscher ebenfalls: "Die Winde mischen das Wasser bis in eine Tiefe von rund 50 Metern", erklärt Gregor Knorr.

Erst wenn die Schwelle im Meer unter diese Grenze sinkt, hat das schwere, salzige Wasser aus dem Süden eine Chance, relativ ungehindert nach Norden vorzudringen. Als die Forscher in den Modellrechnungen den Grönland-Schottland-Rücken langsam tiefer sinken ließen, konnten sie ihre Überlegung bestätigen. Solange der Rücken relativ flach ist, kommt das schwere Salzwasser aus dem Süden kaum gegen das viel weniger salzige Wasser an, das an der Oberfläche aus dem Norden nach Süden strömt. Zwar bleibt das Nordpolarmeer in dieser Episode keineswegs ein Süßwassersee. Vielmehr schwappt dort brackiges Wasser, wie es heute zum Beispiel für viele Flussmündungen typisch ist.

Erst als der Rücken tiefer als die vom Wind durchmischten ersten 50 Meter abgesunken war, änderten sich diese Verhältnisse grundlegend und die Strömungen kamen so richtig in Schwung. Jetzt konnte am Grund der Schwelle schweres Salzwasser aus dem Süden nach Norden strömen und sorgte für das Salzwassermeer, das wir heute aus dem hohen Norden kennen. Derzeit kühlen die eisigen Winde, die von den Gletschern Grönlands herunterwehen, das ohnehin bereits recht schwere und kalte Salzwasser weiter ab. Dadurch wird es noch schwerer, sinkt nach unten und schießt als starker Tiefenwasserstrom über die Grönland-Schottland-Schwelle in die unteren Schichten des Nordatlantiks. Zum Ausgleich strömt warmes, salziges Wasser aus dem Golf von Mexiko an Westeuropa, Großbritannien und Norwegen vorbei nach Norden und wärmt die westlichen Regionen Europas um einige Grad auf. Dieser Nordatlantikstrom trägt einen kleinen Teil der Wärme südlicherer Gefilde an Island und Schottland vorbei bis ins Nordpolarmeer und verhindert so bis hinauf nach Spitzbergen, dass der Arktische Ozean im Winter zufriert. Wenn der Grönland-Schottland-Rücken nicht in die Tiefe gesunken wäre, sondern wie die Beringstraße nur eine 20 oder 40 Meter tiefe Schwelle gebildet hätte, wären die Eisbären also auf dem Eis einer Brackwasserlagune zu Hause. Und in Europa wäre das Klima heute wohl deutlich kühler.