In diesem Sommer verbringt Alex Anesio drei Wochen in einem arktischen Eisschild, umgeben von Tausenden von Löchern. Er und sein Team werden kilometerweit von der nächsten Siedlung entfernt campen, umgeben von einer Landschaft, die von riesigen, instabilen Gletscherspalten zerrissen wird. Der einzige Weg rein oder raus ist mit dem Hubschrauber. Das Klangbild der Wissenschaftler wird sich auf das Knirschen von Steigeisen über das Eis, das Rauschen von Gletscherbächen und das gelegentliche Stöhnen einer massiven Eisdecke beschränken, die sich neu anordnet.
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"Es ist wie auf einem anderen Planeten", sagt Anesio, ein Biogeochemiker an der Universität Bristol in England, der seit etwa 15 Jahren in der Arktis arbeitet. "Das Einzige, was du um dich herum siehst, ist Eis."
Er und sein Team werden Wochen auf diesem abgelegenen Teil der grönländischen Eisdecke verbringen, um Pfützen zu überwachen, die möglicherweise das Erdklima beeinflussen können.
Die Durchmesser von Cyroconite-Löchern variieren in der Größe von etwa der Breite eines Stifts bis zu der eines Mülleimers. (Joseph Cook) Die Möglichkeit, mit dem Klima unseres Planeten zu basteln, ist nicht auf arktische Pfützen beschränkt. Mikroben in diesen kleinen Pools, eingebettet in Sedimenten von Seen, die kilometerweit unter der Eisdecke der Antarktis vergraben sind, könnten die Fähigkeit bergen, den globalen Kohlenstoffkreislauf und das Klima ernsthaft zu verändern. Und Forscher haben erst vor kurzem begonnen, diese winzigen Welten zu navigieren.
Die Pfützen, die Anesio untersucht, werden Kryokonitlöcher genannt - "Kryo" bedeutet Eis und "Konit" bedeutet "Staub". Sie entstehen, wenn sich Windhaufen auf der weißen, reflektierenden Oberfläche eines Gletschers oder einer Eisdecke ablagern. Dieser Schmutz ist dunkler als Schnee und Eis und nimmt mehr Wärme von der Sonne auf als die Umgebung. Das darunter liegende Eis schmilzt in zylindrischen Löchern, die bis zu einem Meter tief sind.
Wissenschaftler dachten einmal, diese Löcher hätten kein Leben mehr. Jetzt stellen die Forscher jedoch fest, dass sie tatsächlich komplexe Ökosysteme von Mikroben wie Bakterien, Algen und Viren enthalten.
Millionen dieser Löcher, die im Allgemeinen von der Breite eines Stifts bis zur Breite eines Mülleimers reichen, markieren Eisplatten in einem Schweizer Käse-ähnlichen Muster auf der ganzen Welt. Das Team von Anesio hat geschätzt, dass sich die Oberfläche dieser Löcher weltweit auf ungefähr 9.000 Quadratmeilen beläuft. Das ist etwas kleiner als im Bundesstaat New Hampshire.
Wenn sich diese dunklen, schaumigen Ökosysteme über das Eis ausbreiten, können sie bewirken, dass eine reflektierende, kühlende Oberfläche immer mehr Wärme von der Sonne absorbiert. Dies könnte möglicherweise das Schmelzen der grönländischen Eisdecke beschleunigen, berichtete das Team im März in der Zeitschrift Geochemical Perspective Letters .
Anesios Team hat jedoch auch herausgefunden, dass Organismen in diesen Löchern eine kühlende Wirkung auf den Planeten ausüben können, indem sie durch Photosynthese aktiv Kohlendioxid aus der Atmosphäre saugen. Wenn die Mikroorganismen genug von diesem Treibhausgas aus der Atmosphäre entfernen, verhalten sich die Löcher wie Kohlenstoffsenken.
Ob diese Löcher dazu beitragen, den Planeten zu kühlen oder zu erwärmen, bleibt abzuwarten. Da ein wärmeres Klima jedoch mehr Löcher erzeugt, scheint das Gleichgewicht eher in Richtung einer Erwärmung des Netzes als einer Abkühlung der Atmosphäre zu tendieren.
Anesio und sein Team werden diesen Sommer daran arbeiten, die chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Löcher bis ins kleinste Detail zu überwachen, um besser zu verstehen, wie sie sich auf das Verhalten der Gletscher und das sich verändernde Klima der Erde auswirken können.
Wenn sich auf einem Eisschild genügend Staub ansammelt, verschmelzen die Kryokonitlöcher und verwandeln sich in Seen, wie diesen in Grönland. (Joseph Cook) Die Idee, dass Mikroorganismen auf Gletschern und Eisplatten leben können - geschweige denn auf global bedeutenden Skalen - ist für die Wissenschaft noch relativ neu. Bis Ende der neunziger Jahre hielten Forscher Eis an beiden Polen im Allgemeinen für mehr oder weniger sterile Umgebungen.
„Wenn Sie sich einen Gletscher oder eine Eisdecke ansehen, sehen Sie nichts, was Ihnen Hinweise darauf geben könnte, ob dort Leben ist“, sagt Jemma Wadham, eine Kollegin von Anesio an der Universität von Bristol. Bis Ende der 1990er Jahre, als die ersten Hinweise auf mikrobielles Leben auftraten, hatten die Biologen die Gletscherumgebung nicht wirklich untersucht.
Das bisherige mangelnde Interesse sei nicht auf technologische Grenzen zurückzuführen, erklärt Wadham. Alles, was nötig gewesen wäre, um Leben zu finden, wäre gewesen, Schmelzwasser vor einem Gletscher zu sammeln und nach Anzeichen von aktiven Mikroorganismen Ausschau zu halten. "Niemand hatte das getan", sagt Wadham. "Was ein bisschen verrückt klingt, aber ich denke, so entwickeln sich die Dinge manchmal."
Seit den 90er Jahren gibt es eine Fülle von Forschungen zur Erforschung von Mikroben, die auf oder unter Gletschern und Eisplatten leben. In den letzten Jahren haben Forscher festgestellt, dass diese Mikroben alles andere als ruhend sind. Tatsächlich berichtete das Team von Anesio in einer Studie von 2009, dass Mikroben in einigen Kryokonitlöchern genauso biologisch aktiv sind wie in wärmeren Böden, die bis in den Süden des Mittelmeers reichen.
"Das war wirklich überraschend angesichts der niedrigen Temperatur und der niedrigen Nährstoffbedingungen [der Umwelt]", sagt Joseph Cook, ein Kryokonit-Lochforscher an der Universität von Sheffield, der an dieser Studie nicht beteiligt war.
Im Laufe eines Jahres könnte diese Aktivität insgesamt schätzungsweise 63.000 Tonnen Kohlendioxid aufnehmen, berichtete das Team von Anesio in der Zeitung von 2009. Das ist vergleichbar mit den Emissionen von rund 13.500 Autos pro Jahr.
"[Anesios Studie] war wirklich der erste Versuch, die Menge an Kohlenstoff zu quantifizieren, die in diese Systeme und aus diesen heraus strömt, was ein großer Schritt und sehr wichtig war", sagt Cook.
Alex Anesio und sein Team schlafen während ihrer Feldstudien in Zelten auf dem Eis. Ein Teil des Eises unter dem Zelt schmilzt, aber das Zelt fungiert dann als Isolator und hält den größten Teil der Basis gefroren, sagt Anesio. (Chris Bellas) Anesios Ergebnisse waren nicht unbedingt das, was man von einem Süßwasserkörper erwarten würde. Die meisten Teiche und Seen setzen in der Regel durch Zersetzung von organischem Material mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre frei als durch Photosynthese.
Dies liegt daran, dass die meisten Teiche und Seen in Wäldern liegen und einen stetigen Fluss von Tier- und Pflanzenresten aus diesen Wäldern durch das Grundwasser erhalten. Daher enthalten Teiche und Seen oft viel zersetzbares Material, und die Zersetzung tritt häufig häufiger auf als die Photosynthese, erklärt Anesio.
Kryokonitlöcher sind dagegen von Wäldern isoliert - manchmal bis zu mehreren hundert Kilometern - und nehmen den größten Teil ihres organischen Materials durch Trümmerflecken in der Luft auf. Es gibt nicht so viel Material, das abgebaut werden könnte, weshalb photosynthetisierende Organismen dazu neigen, zu dominieren, sagt Anesio.
Es braucht jedoch nicht viel, um dieses Szenario umzudrehen. Wenn das Sediment in den Löchern zu dick wird, kann das Sonnenlicht den Boden nicht erreichen. Dies begrenzt die Photosynthese und die Zersetzungsrate beginnt zu übernehmen.
"Alle diese Dynamiken hängen stark von der Eisbewegung und dem Relief des Eises ab", sagt Anesio. Dies kann sich von Tag zu Tag und von Saison zu Saison ändern. "Manchmal hat man viel Schmelzen und verteilt das Granulat in dünneren Schichten um, oder manchmal sammeln sie sich in bestimmten Teilen des Gletschers an."
Anesios Team wird versuchen, die Frage zu beantworten, wie sich diese Löcher im Laufe der Zeit verändern, indem es neben ihnen schläft und ihre Aktivitäten in diesem Sommer Tag für Tag überwacht.
Steigeisengeräusche und rauschendes Wasser gehören zu den einzigen Geräuschen, die man in dieser Umgebung hört, sagt Anesio. (Chris Bellas) Wenn Sie von Anesios Feldstandort zum anderen Ende der Welt reisen, werden Sie eine weitere Besonderheit von Gletschern entdecken, die eine wichtige Rolle für das Erdklima spielen könnten: massive Seen, die unter bis zu 4 km antarktischem Eis vergraben sind.
Diese verborgenen Seen, von denen einige mit den Großen Seen Nordamerikas vergleichbar sind, haben in den letzten Jahren aus mehreren Gründen die Aufmerksamkeit von Forschern wie Anesio und Wadham auf sich gezogen. Zum einen enthalten diese Seen Wasser, das seit Millionen von Jahren eingeschlossen ist und extremes Leben birgt, das niemals menschlichen Einflüssen ausgesetzt war.
Die Seen können auch große Mengen des starken Treibhausgases Methan speichern, das in Form von Methanhydraten eingefroren wird. Wenn die Eisplatten der Antarktis zusammenbrechen, werden diese Hydrate freigelegt und mit Meerwasser überschwemmt, während der Ozean Teile des Kontinents überflutet. Die destabilisierten Hydrate würden sich in Methangasblasen verwandeln und die Atmosphäre erwärmen, berichteten Wadham und Kollegen in einer 2012 in Nature veröffentlichten Studie.
Mithilfe von Luftradar und Satellitenbildern haben Forscher in den letzten 50 Jahren mehr als 400 dieser sogenannten subglazialen Seen unter der Eisdecke der Antarktis lokalisiert. Erst 2013 gelang es einem ambitionierten, internationalen Forscherteam, erstmals ein Bohrloch durch fast eine halbe Meile Eis an die Oberfläche eines dieser Seen zu bohren.
Sie bohrten 2015 erneut erfolgreich in der Nähe und erreichten zum ersten Mal die Grundzone einer Eisdecke. Die Erdungszone ist ein Bereich, in dem ein Eisschild den Kontakt zum Land verliert und ins Meer schwimmt.
Forscher, die Sediment- und Wasserproben aus der Grundzone entnommen haben, werden dem Team neue Erkenntnisse über die Stabilität des Eisschildes der Westantarktis und dessen Potenzial zur Erhöhung des globalen Meeresspiegels im Falle eines Zusammenbruchs liefern. Das Team wird auch die mikrobielle Aktivität in diesen Sedimenten messen, um die Rolle dieser vergrabenen Mikroben im globalen Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen.
Slawek Tulaczyk, ein Forscher an der University of California in Santa Cruz, der einer der führenden Wissenschaftler bei diesen Meilensteinen war, beschreibt die Spannung, nach mehr als fünfjähriger Planungsarbeit im Jahr 2013 darauf zu warten, dass ihre Ausrüstung an ihrem Bohrstandort ankommt rund 50 internationale mitarbeiter.
Die Forscher veranlassten, dass ihre Ausrüstung - mit einem Gesamtgewicht von 300.000 Pfund - in 12 Containern über 800 Meilen Eisdecke zum subglazialen Lake Whillans im Südwesten der Antarktis transportiert wurde. Whillans war flacher als andere subglaziale Seen und bot Forschern aufgrund seiner relativen Zugänglichkeit im Vergleich zu anderen Seen, die unter kilometerlangen Eisflächen vergraben waren, gute Erfolgschancen.
LKW-Fahrer brauchten zwei Wochen, um die zum Teil äußerst empfindliche Ausrüstung zum Bohrplatz zu bringen. Die Wissenschaftler konnten nur an der McMurdo-Forschungsstation warten und zuhören, wie die Lkw-Fahrer mit ihren Berichten anriefen.
„Wir haben einige Horrorgeschichten gehört“, erklärt Tulaczyk, dass die Fahrer angerufen haben, um defekte Teile zu melden und zusätzliche Schweißzubehörteile anzufordern. Zum Glück war der größte Teil des Schadens auf die Versandbehälter und nicht auf deren Inhalt zurückzuführen.
"Als wir einflogen, überlebte das, was sich in den Containern befand, gut genug, um von uns benutzt zu werden, aber die Container selbst waren ziemlich kaputt und sahen aus, als hätten sie viel durchgemacht", sagt Tulaczyk.
Tulaczyk und seine Kollegen bauten eine sogenannte Heißwasserbohrmaschine auf, um auf den Lake Whillans zuzugreifen. Innerhalb von 24 Stunden bohrten die Forscher ein Loch mit einem Durchmesser von etwa einem Fuß, indem sie heißes Wasser kräftig nach unten pumpten und es zirkulierten, sodass das Loch bei seiner Vertiefung nicht in sich gefror.
Sobald sie erfolgreich die Oberfläche des Sees erreichten, schickten die Forscher Sonden in das Loch, um Daten und Proben zu sammeln. Aber sie mussten das vorsichtig und sauber tun. Wenn sie eines ihrer Geräte kontaminierten, liefen sie Gefahr, moderne Mikroben zu sammeln, die ihre Befunde verwirren und einen ansonsten unberührten Lebensraum beschädigen würden.
Zu ihrer Erregung und Erleichterung fand das Team Hinweise auf im Wasser lebende Mikroben, sagt Tulaczyk. Es gab Momente auf dem Weg, in denen das Team befürchtete, sie hätten jahrelange Planungen durchlaufen und Millionen von Dollar ausgegeben, um eine leblose Leere zu erreichen.
Ihre Erkenntnisse stützen die Vorstellung, dass sich große Mengen von mikrobiell gewonnenen Methanhydraten unter der Eisdecke der Antarktis befinden könnten. Die Mikroben könnten dieses Methan produzieren, indem sie alte Wälder und anderes organisches Material unter dem Eis zersetzen. Dies schlugen Wadham, Anesio, Tulaczyk und Kollegen in ihrem Naturbericht 2012 vor.
Forscher, die Kryokonitlöcher untersuchen, müssen manchmal saubere Anzüge tragen, um eine Kontamination ihrer mikrobiellen Proben zu verhindern. (Alex Anesio) Unter Verwendung von Schätzungen, die auf Messungen von Sedimenten basieren, die unter der grönländischen Eisdecke gesammelt wurden - vergleichbar mit der antarktischen Eisdecke, aber viel dünner - berechnete das Team, dass unter der antarktischen Eisdecke bis zu 3, 9 Millionen imperiale Tonnen Methan verborgen sein könnten.
Angesichts der Stärke von Methan als Treibhausgas könnte dies ein Problem für die Erdatmosphäre sein, wenn ein großer Teil der Eisdecke abschmelzen würde. Und nach Schätzungen von Forschern der University of Massachusetts, der Amherst und der Pennsylvania State University könnte dies bis zum Ende des Jahrhunderts geschehen.
Martin Siegert, ein Glaziologe am Imperial College London, war Teil des Teams, das 1996 zum ersten Mal einen subglazialen See beschrieb. Er sagt, dass Schätzungen darüber, wie viel Methan sich unter dem Eis der Antarktis befindet, theoretisch plausibel sind.
Die Forscher müssten jedoch die mikrobielle Aktivität in feuchten Sedimenten unter den Eisdecken messen, um ihre Hypothese zu bestätigen, sagt Siegert. "Es ist ziemlich einfach, die Art von Wissenschaft, die man machen muss, die Schwierigkeit, dort runter zu kommen und das Bohren mit heißem Wasser."
Selbst wenn die Schätzungen des Einsturzes der Eisdecke bis zum Ende des Jahrhunderts korrekt wären, würde es wahrscheinlich viel länger dauern, bis die Wirkung von Methanhydraten in der Atmosphäre nachweisbar wird, sagt Alexey Portnov, ein Forscher an der Arktis Universität Tromsø in Norwegen. Portnov untersucht die Überreste von Methanhydraten, die am Ende der letzten Eiszeit in der Arktis exponiert waren, sowie Methanhydrate, die derzeit aus dem arktischen Permafrost auftauen. Sogar wenn Methanhydrate unter der Eisdecke der Antarktis ruhen würden und sie destabilisiert würden und Methan durch das Meerwasser an die Oberfläche sprudeln würden, würde es Hunderte von Jahren dauern, bis diese Methanreserven einen nachweisbaren Einfluss auf das globale Klima hätten.
„Die Eiskappen brechen in den letzten Jahren immer schneller zusammen“, sagt Portnov. "Aber dennoch wird es einige Zeit dauern, bis die Menge an Methan aus diesen Gashydraten das Klima irgendwie verändert."
In der Zwischenzeit setzen Methanhydrate, die durch Permafrost und entlang flacher Meeresbodenkämme aufgetaut wurden, dieses Treibhausgas bereits in erheblichem Maße in die Atmosphäre frei, so Portnov. Eisschilde sind nur einer von vielen gefrorenen Methanspeichern, die auftauen.
Der nächste Schritt für die Arbeiten an subglazialem Methanhydrat wird darin bestehen, mehr Mittel für eine weitere Bohrexpedition zu einem tieferen See zu beschaffen. Frühere Bemühungen - wie der millionenschwere Versuch, 2012 in Lake Ellsworth zu bohren - sind gescheitert. Vor dem Versuch, mit vorhandener Ausrüstung auf tiefere Seen zuzugreifen, müssen Forscher und Ingenieure zusammenarbeiten, um neue Techniken für tiefere Projekte zu entwickeln.
„Wir müssen nur dorthin und die Proben holen“, sagt Wadham. "Das ist eine der Herausforderungen der nächsten zwei Jahrzehnte."
Große Kryokonit- oder Eisstaubflächen bedecken die grönländische Eisdecke und andere Gletscher auf der ganzen Welt, verdunkeln ihre Oberflächen und bewirken, dass sie Sonnenwärme absorbieren. (Joseph Cook) Während Gletscher und Eisschilde möglicherweise große Mengen vergrabener Methanhydrate physisch verstopfen oder Kohlendioxid durch Millionen kleiner Löcher aus der Atmosphäre ziehen, reichen ihre Auswirkungen weit über ihren physischen Fußabdruck hinaus.
Wenn beispielsweise Kryokonitlöcher tief genug schmelzen, um den Boden eines Gletschers zu entwässern, kann ihr Inhalt schließlich den Ozean erreichen und Nährstoffe in das marine Ökosystem spülen. Dies kann zu großflächigen Algenblüten führen, die Kohlendioxid in wesentlich größeren Anteilen aus der Atmosphäre ziehen können, als die Mikroben in diesen Löchern, sagt Anesio.
"Das hätte eine viel stärkere globale Auswirkung, da die Kohlenstoffbindung im Ozean enorme Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf hat", sagt er.
Obwohl ein vollständiges Bild davon, wie sich Gletschermikroben auf das Erdklima auswirken, noch Jahre entfernt ist, treiben Anesio und seine Kollegen die Polarforschung voran. Der Umgang mit technologischen Problemen und rauen Umgebungen führt häufig dazu, dass die Durchbrüche in kürzester Zeit vonstatten gehen. Es sind jedoch die intellektuellen und physischen Herausforderungen, die die Wissenschaftler in diese gefrorenen Landschaften locken.
"Es ist einfach so schön, dort zu sein, es ist unglaublich", sagt Anesio. „Die Dimensionen und der Umfang der Dinge sind so groß, die Flüsse und das Wasser und die Form des Eises. Ich freue mich wirklich darauf, dorthin zu gehen. “
Cook von der University of Sheffield stimmt dem zu. Er findet Felder von Kryokonitlöchern, soweit das Auge reicht, als ein ziemlich auffälliges Bild.
„Es ist seltsam schön, in die Kryokonitlöcher zu schauen“, sagt Cook. „Es ist sehr ruhig und es ist unglaublich, etwas zu sehen, das so einfach ist, dass es die unglaubliche Komplexität des Geschehens in Frage stellt. Es ist eine Art hypnotisch. "
Das Bohrloch am Lake Whillans, für das etwa 50 Mitarbeiter aus der ganzen Welt koordiniert werden mussten. (JT Thomas)
