Korallenriffe halten Geheimnisse der Vergangenheit und Zukunft der Ozeane

Die Ablagerungen von Riffskeletten enthalten mehrere tausend Jahre lang eine große Menge an Umweltdaten, einschließlich jährlicher Aufzeichnungen über Meerestemperatur, Wasserverschmutzung und Sturmaktivität

Diese massiven Blütenblattkorallen (Lappenkorallen) der Art Porites lobata wachsen in der Lagune der Insel Hua hin, Französisch-Polynesien. Kernproben von Riffen mit Korallenproben von verschiedenen Orten enthüllten Informationen über den Zustand des Ozeans vor tausend Jahren

Als die Dämmerung über der glitzernden Oberfläche des Salomonenmeeres im Pazifik einsetzt, zieht Guillaume Iwankow seine Tauchausrüstung an und steigt vom Forschungsschoner Tara in ein Motorboot. Sein Ziel ist es, den Kern zurückzubringen, eine Probe von der Länge einer Hand, die einer Korallenkolonie entnommen wurde und die Annalen von Jahrzehnten ihres Lebens führt.

Nach 10 Minuten verlässt das Boot Tara, der Motor verlangsamt sich. Es ist so klein, dass die am Riff lebenden Fische nur wenige Zentimeter von der Oberfläche entfernt blitzen. Ivankov, ein wissenschaftlicher Tauchspezialist bei der Tara Expeditions Foundation , sucht nach einem Ort auf der Koralle, an dem Sie das größte und älteste Beispiel von Porites lobata nehmen können - runde, gelbgrüne Korallen, die oft so groß werden, dass sie eher dem Inhalt eines Godzilla-Schädels ähneln. Korallenkolonien bestehen aus Tieren mit weichem Körper, Korallenpolypen , die (unter Verwendung symbiotischer Algen) das Mineral Calciumcarbonat in dünnen Schichten absondern. Im Laufe der Zeit sammeln sich jährliche Schichten übereinander und verwandeln sich in eine feste Masse, aus der das Korallenskelett besteht.


Guillaume Ivankov

Nachdem Ivankov die idealen Porite entdeckt hat, drückt er seinen Kernbohrer mit einem Durchmesser von sieben Zentimetern in die Oberfläche der Koralle. Die Bohrtrommeln dröhnen leise in das Skelett, und Korallenstaubwolken werden ins umliegende Wasser geworfen. Ivankov dringt durch alle Korallenschichten und kippt den Bohrer hier und da, wobei er die Basis der Schnittprobe abreißt, die etwa 40 cm lang ist. Er wiederholt diesen Vorgang noch zweimal im selben Loch, schwimmt dann zurück und legt die erhaltenen Proben in das Boot - insgesamt etwa 120 cm lang. Auf der Oberfläche der Porites-Formation befinden sich nur Polypen. Daher sollte die Koralle nach dem Bohren auf den Untiefen ohne besondere Schäden oder Störungen weiter wachsen.

Solche marinen wissenschaftlichen Expeditionen sammeln alle Arten von biologischen Proben, von Meerwasser und auf Riffen lebenden Fischen bis hin zu Mikroben aus Korallen. Aber Korallenkerne unterscheiden sich von den anderen. Hierbei handelt es sich um organische Zeitkapseln, die Aufzeichnungen über lokale Verschmutzung, Geologie, Temperatur und Riffgesundheit enthalten und Hunderttausende von Jahren zurückreichen. Die Forscher verbessern weiterhin unerwartete Methoden, mit denen solche Informationen aus Korallenskeletten extrahiert werden können. Klimatologen, Geochemiker und Paläontologen, die in die Geschichte des Ozeans eintauchen möchten, werden zunehmend empfohlen: Kernproben untersuchen. "Ich nenne sie natürliche Riffgeschichtsbücher", sagte Janice Lowe , Klimatologin und Korallenkernexpertin am Australian Institute of the Sea. "Sie können viele Geschichten erzählen."

Eintauchen in die Geschichte des Ozeans

Coral Core Mining ist als Detektivuntersuchung ein verlässlicher Weg, um die Theorie vergangener Ereignisse mit Details und Beweisen zu bereichern - oder sogar nur zu beweisen, dass diese Ereignisse stattgefunden haben. Es ist leicht zu vergessen, dass vor den 1970er Jahren niemand sicher war, dass Korallen im Allgemeinen Jahresringe haben. Zu diesem Zeitpunkt besuchte ein Team von Geophysikern der Universität von Hawaii das Eniwetok-Atoll im Südpazifik.

Enivetok war eine unprätentiöse Insel mit einer ungewöhnlichen Geschichte: Die Vereinigten Staaten testeten dort in den 1940er und 50er Jahren ihre Atomwaffen. Forscher aus Hawaii haben sich gefragt, ob die Skelette der nahe gelegenen Korallen Hinweise auf diese Radioaktivität zeigen. Wenn Korallenschichten radioaktive Elemente mit einer bekannten Halbwertszeit enthalten würden, wäre es möglich, fast genau zu berechnen, an welchem ​​Punkt welcher Ring erschien. "Sie nahmen eine Schicht einer massiven Kolonie, legten sie einen Monat lang in einem dunklen Raum auf lichtempfindliches Papier und sahen Sätze radioaktiver Streifen", sagte Lowe. Die Abstände zwischen den Streifen auf dem Papier zeigten, dass viele andere Daten in der verborgenen Korallenstruktur gefunden werden konnten, so dass zusätzliche Tests erforderlich waren. "Sie kontaktierten einen nahe gelegenen Arzt und fragten: Ist es möglich, unsere Korallenschicht auf Röntgenstrahlen aufzuklären?"


Der Taucher bringt eine Korallenprobe an die Oberfläche

Nach dem Einbringen der Korallenschicht in den Röntgenapparat wurden leicht unterscheidbare Jahresringe im Wechsel zwischen Hell und Dunkel sichtbar - dies war ein Spiegelbild der Dichte von Calciumcarbonat, aus dem das Korallenskelett bestand. Die Datierung der radioaktiven Elemente des Skeletts ergab, dass jedes Jahr ein doppelter Satz von Ringen auf der Koralle erschien: größer und poröser und schmaler und dichter. In einem 1972 in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikel nannten Forscher Kerne „Korallenchronometer“, was auf ihre Nützlichkeit als natürliche Uhr hinweist. Seitdem haben andere Wissenschaftler berichtet, dass Korallen in der Regenzeit bei moderaten Temperaturen dickere Jahresringe und in der Trockenzeit und bei extremeren Wetterbedingungen weniger dicke Ringe ablagern.

Korallen wachsen um 0,3-10 cm pro Jahr, aber im Durchschnitt kann davon ausgegangen werden, dass ein 100 cm langer Kern eine Aufzeichnung von 100 Jahren Korallengeschichte enthält. Oft sind dies die letzten 100 Jahre - aber nicht immer. Gehärtete Korallen können Sequenzen von Jahresringen enthalten, die bis in die letzte Zwischeneiszeit vor mehr als 100.000 Jahren zurückreichen. Zur Beurteilung der relativen Dichte von Jahresringen, die die klimatischen Bedingungen zum Zeitpunkt ihres Auftretens widerspiegeln, werden weiterhin Röntgenstrahlen verwendet. Ozeanographen entdecken jedoch während der Arbeit ständig neue nützliche Eigenschaften von Korallenkernen.

Eine der reichhaltigsten Geschichten in den Kerndaten sind jährliche Aufzeichnungen über Spuren chemischer Elemente im Meerwasser. Korallenpolypen filtern das Meerwasser, um Materialien daraus zu extrahieren und Skelette aufzubauen. Daher enthält jede Schicht eine winzige Menge dessen, was sich zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Schicht im Wasser befand. Und obwohl Korallen-Jahresringe "aufgrund der komplexen inneren Form des Skeletts nicht so klar und ordentlich sind wie die Jahresringe von Bäumen", sagt Gregory Webb , Paläontologe an der Universität von Queensland, "zeichnen sie wirklich die Chemie des Wassers auf, in dem sie wachsen."

Durch die Untersuchung der Zusammensetzung von Korallenkernen können Wissenschaftler in verschiedenen Jahren Diagramme verschiedener im Ozean enthaltener Substanzen erstellen. Dies kann Informationen über planetare Prozesse liefern, die scheinbar nichts mit Korallenwachstum zu tun haben. Ozeanographen eines chinesischen Labors haben die Stärke des ostasiatischen Wintermonsuns in den letzten 150 Jahren berechnet, indem sie den Gehalt an Seltenerdelementen wie Lanthan und Cer in jeder Schicht des Poritenkorallenkerns gemessen haben. Diese Seltenerdelemente stammen aus staubigen Strudeln, die bei Winterstürmen auftreten. Der prozentuale Anteil der Elemente ist daher ein verlässlicher Indikator für die Intensität des Sturms.


Ein Nahaufnahmefoto von Porites lobata zeigt winzige Gruppen hervorstehender Tentakel von Korallenpolypen.

In ähnlicher Weise zeigen Korallenkerntests historische Beweise für die Verschmutzung des Ozeans durch Menschen, die weitaus detaillierter sind als alle anderen. Lowe und Kollegen nehmen Proben vom Great Barrier Reef und testen die Schichten auf giftige Metalle wie Blei und Cadmium, die häufig von Industrieanlagen emittiert werden. Bauherren könnten einen Hafen bauen, Sedimentgesteine ​​auf ein Korallenriff werfen und behaupten, dass ihre Intervention keinen Einfluss auf den Ozean hatte - aber, wie Lowe betonte, „sind Korallenkerne unvoreingenommene Beobachter, die Umweltveränderungen überwachen.“

Korallenkerne liefern auch eine der wenigen zuverlässigen Aufzeichnungen der Meerestemperatur in den Jahren vor Beginn der menschlichen Aufzeichnungen. Wenn das Wasser kälter ist, verwenden Korallen mehr Strontium und fügen es dem Calciumcarbonat hinzu, das zur Herstellung von Skeletten verwendet wird. Indem Sie den Prozentsatz des Verhältnisses von Kalzium zu Strontium in jeder Kernebene berechnen, können Sie die Temperatur des Ozeans bestimmen, als diese Schicht auftrat.

Mit dieser Technologie haben die Geologin Gloria Jimenez von der Arizona University und Kollegen kürzlich eine detaillierte Beschreibung der Änderungen der Wassertemperatur von 1940 bis 2010 an Korallenkernen aus den tropischen Gewässern des Pazifischen Ozeans in der Nähe der Galapagos-Inseln erstellt. Zuvor unterschieden sich die Wassertemperaturaufzeichnungen nicht in der Regelmäßigkeit, und es wurde gesagt, dass die Erwärmung des Meerwassers aufgrund kalter, tiefer Strömungen begrenzt war. Die Daten von Jimenez 'Korallenkernen sprechen jedoch anders: Das Wasser hat sich in dieser Region seit den 1970er Jahren erwärmt, und in den 80er Jahren gab es einen Anstieg, als die warmen Strömungen von El Niño vorbeizogen. Dieser Trend zur allmählichen Erwärmung führt dazu, dass Riffe in der Nähe der Galapagosinseln einer größeren Gefahr ausgesetzt sind als bisher angenommen.

Unter den modernen Korallenformationen, die Jimenez untersucht, befindet sich ein Lagerhaus anderer Daten, die in versteinerten Korallen gespeichert sind. Abhängig von ihrer Konservierung können Kerne solcher Korallen es Forschern ermöglichen, Temperaturaufzeichnungen auf bis zu 100.000 Jahre in der Vergangenheit auszudehnen. Webb hat ein spezielles Forschungsschiff, D Hill, auf dem eine Bohrplattform installiert ist, mit der Kerne aus alten Schichten unter dem Great Barrier Reef extrahiert werden können.



Nachdem Webb und das Team Kerne von Korallenfossilien gefunden haben, können sie ihr Alter mithilfe der Uran-Thorium-Datierung bestimmen. Ein Massenspektrometer zeigt, wie viel restliches Uran in den Kernschichten unter Bildung von Thorium zerfallen ist, und das Verhältnis dieser beiden Elemente wird verwendet, um das ungefähre Alter jeder Schicht zu berechnen. Wie Jimenez verwendet Webb das Verhältnis von Strontium zu Kalzium, um die Temperatur des Ozeans während des Auftretens jedes Streifens zu berechnen, und er verwendet seine versteinerten Kerne, um den Gehalt an chemischen Elementen in prähistorischen Gewässern zu verfolgen. "Wir konnten die Kerne für das gesamte Holozän verantwortlich machen ", sagte Webb und bezog sich auf die aktuelle geologische Ära, die vor 12.000 Jahren begann. "Wir können das Klima und die Wasserqualität im Bereich desselben Riffs am selben Ort vergleichen, aber 100.000 Jahre voneinander entfernt."

Fossile Daten liefern auch neue Beweise für alte geologische Prozesse. Auf einer kürzlichen Reise zum Girona Reef, einem Abschnitt des Great Barrier Reef vor der Küste Australiens, stießen sie auf ein Problem mit der Besatzung. Ihre Installation könnte 30 Meter in den Boden beißen, und sobald sie berechnet hatten, dass sie bald zu den Schichten gelangen sollten, die in der letzten Zwischeneiszeit des Pleistozäns vor mehr als 100.000 Jahren auftraten. Aber sie haben ihn nie erreicht. „Wir dachten, dass wir ungefähr 15 Meter weit ins Pleistozän gelangen würden“, erinnert sich Webb. - Wir haben gewettet, wie tief wir es finden würden - jemand hat es auf 12 gesetzt, jemand auf 14. Und dann waren wir plötzlich auf 22 Metern und haben es nie bekommen. Wir beißen einfach in die Höhle, und niemand hat das erwartet. "


Korallenriffe werden zu Zentren eines lebenden marinen Ökosystems, weshalb ihre Zukunft angesichts der Versauerung der Ozeane ernsthafte Bedenken aufwirft

Es stellte sich heraus, dass der Korallenkern eine Schicht aus der letzten Eiszeit enthielt, als der Meeresspiegel 130 Meter niedriger war und sich das gesamte Great Barrier Reef über dem Wasser befand. Wind, Regen und fließendes Wasser wuschen den Kalkstein, der sich öffnete und einen tiefen Spalt bildete, der von hohen, steilen und unebenen Hügeln umgeben war. Als der Meeresspiegel wieder anstieg, füllten Strömungen und Wellen das untergetauchte Tal mit Partikeln von Sedimentgesteinen, und dieser Ort wurde zur Grundlage für neue Korallenriffe. Diese Entdeckung half Wissenschaftlern zu dem Schluss, dass die Form moderner Riffe normalerweise nicht durch die Form früherer Riffe oder die geologischen Strukturen bestimmt wird, auf denen sie wachsen, wie zuvor angenommen. Die Ansammlung von Sedimentgesteinen kann die Konturen alter Strukturen verdecken und eine flache Oberfläche bieten, auf der neue Riffe wachsen können. Und die höchsten Punkte der Riffe können sich in einer Höhe befinden, die der Meeresspiegel zulässt, was bedeutet, dass sie oben auch flach werden.

Die Bewegung des Meerwassers hat immer eine wichtige Rolle bei der Bildung dieser einzigartigen Ökosysteme gespielt - eine weitere Bestätigung dafür gibt eine neue Arbeit, die in Nature Geoscience veröffentlicht wurde. Jodi Webster von der Universität Sydney, Brian Lowheed vom Pierre-Simon Laplace-Institut in Frankreich und ihre Kollegen extrahierten viele verschiedene alte Korallenkerne aus dem Great Barrier Reef. Eine Analyse der Skelettmaterie und der Kernablagerungen ergab, dass Änderungen des Meeresspiegels in den letzten 30.000 Jahren Teile des Riffs fünfmal getötet haben - manchmal, wenn die Riffe der Luft ausgesetzt waren, manchmal, wenn Sedimente in aufsteigendem Wasser das Licht blockierten, das das Riff erreichte. Aber in jedem Fall sprang das Riff wieder auf, als Polypen von anderen Riffen darauf auftauchten, und seine lebenden Korallenformationen bewegten sich schließlich dahin, wo die besten Bedingungen für Wasser und Beleuchtung waren.

Die einzigartige Struktur jeder Korallenschicht im Kern gibt auch Hinweise auf andere Probleme, auf die die Koralle bei der Bildung gestoßen ist - ob dies vor Jahrzehnten geschah oder Tausende. Wenn beispielsweise der Ozean aufgrund der Auflösung von Kohlendioxid in der Atmosphäre den Säuregehalt erhöht, ändern Korallen ihre Wachstumsgewohnheiten vollständig, wie Forscher des Woods Hole Oceanographic Institute im vergangenen Jahr in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences geschrieben haben.


Drei Kernabschnitte zeigen ein komplexes System von Jahresringen, das zeigt, wie Korallen am Riff auf Umweltveränderungen reagierten. Diese Proben werden mit ultraviolettem Licht hervorgehoben, wodurch bestimmte Informationen über ihre chemische Zusammensetzung erhalten werden können.

Ein Team von Woods Hole-Ozeanologen, darunter der Doktorand Nathaniel Mollick und die Geologin Anna Cohen , analysierte Proben moderner Poritenkorallenkerne, die in der Nähe von Panama, Palau, Taiwan und dem Donsha-Atoll im Südchinesischen Meer entnommen wurden. Sie platzierten alle Kerne im Gerät für die Computertomographie - ein spezielles Röntgengerät, das die Details des Wachstums und der Dichteänderungen innerhalb der Koralle enthüllen kann.

Beim Vergleich dieser Aufzeichnungen von Korallenkernen mit Wasserproben, die an jedem Ort entnommen wurden, haben Wissenschaftler gezeigt, dass der hohe Säuregehalt des Ozeans in früheren Epochen zum Auftreten bestimmter struktureller Anomalien führte. Korallen in saureren Gewässern wachsen ungefähr gleich schnell, aber die Struktur solcher Korallen stellt sich als völlig anders heraus - Lücken treten in ihnen auf, ähnlich wie Blasen in einem Pfannkuchenteig. Dies liegt daran, dass sich Kohlendioxid nach dem Auflösen in Wasser mit freien Carbonationen verbindet. Infolgedessen verbleiben weniger Ionen in den Korallenpolypen und sie können nicht so viel Calciumcarbonat produzieren, wie sie benötigen.

Dieses Defizit führt im Laufe der Zeit zum Auftreten dünnerer und poröser Korallenskelette. "Wir sehen im Wesentlichen Hohlräume und Blasen im Inneren", sagte Weifu Guo , ein Geochemiker des Teams. Solche zerbrechlichen Skelette bröckeln eher infolge von Stürmen und Schockwellen - und dies bedroht wiederum andere Lebensformen am Riff, einschließlich Algen, die Nahrung für Korallen anbauen, und Fische, deren Ernährung von ihnen abhängt.

Modellierung des zukünftigen Ozeans

Solche Beobachtungen von Korallenkernen füllen Wissenslücken über die Dynamik von Planeten und Ozeanen und helfen Forschern, vorherzusagen, wie sich zukünftige Belastungen auf Riffe auswirken werden. Forscher von Woods Hole, die Kerndaten mit dem vorhergesagten Anstieg des Säuregehalts der Ozeane aufgrund des Klimawandels verglichen, kamen zu dem Schluss, dass die Dichte der Korallenskelette weltweit bis 2100 voraussichtlich um 20% abnehmen wird. Diese Vorhersage betont die Exposition zukünftiger Riffe gegenüber physischen Schäden.


Janice Lowe

Darüber hinaus zeigen Langzeitaufzeichnungen, die in Korallenkernen gespeichert sind, wie schnell Riffe wachsen und sich an die Verschmutzung und Erwärmung des Ozeans anpassen - dies ist angesichts der ähnlichen aktuellen Trends besonders wichtig. „Wir brauchen historische Aufzeichnungen über das Verhalten der Riffe, die eingetretenen Veränderungen und ihre Reaktionen auf diese Veränderungen. Dies gibt uns ein besseres Verständnis dafür, was uns bevorsteht “, sagte Webb. "Es ist erstaunlich, wie viel wir tun können, wenn wir all diese Notizen miteinander verknüpfen."

Das gesammelte Wissen hilft Forschern bereits dabei, Vorhersagemodelle des globalen Klimas zu korrigieren, die laut Low zur Entwicklung von Riffschutzstrategien beitragen werden. „Globale Klimamodelle sind nicht perfekt - sie werden ständig angepasst. Korallenaufzeichnungen liefern Beweise aus der Vergangenheit, die für diese Modelle nützlich sein können. “

Ein wesentlicher Teil der Forschungsgelder wird für die Dokumentation der Ökologie moderner Riffe ausgegeben, und für Proben aus ihrer Vergangenheit ist nur noch sehr wenig übrig. Um jedoch genaue Schätzungen der Geschichte und des aktuellen Zustands der Ozeane zu erhalten, müssen laut Webb, Guo und anderen mehr Korallenkerne benötigt werden, um einen längeren Zeitraum abzudecken. "Bei einer größeren Sammlung müssen Sie Ihre Argumentation nicht auf das Beispiel einer einzelnen Koralle stützen", sagte Guo. "Sie können die Geschichte sicherer erzählen."

Ivankovs langjähriges Ziel ist es, zu dieser sich entwickelnden Geschichte beizutragen. Nachdem sein Motorboot - bereits mit Proben vom Riff beladen - wieder an Tara angedockt war, legt er die Kernsegmente auf das Deck und legt sie zum Trocknen auf den Schreibtisch. Nach der Ankunft im Hafen werden Dutzende von Kernen, die Ivankov aus verschiedenen Teilen des Pazifischen Ozeans gesammelt hat, an das französische nationale Zentrum für wissenschaftliche Forschung und das wissenschaftliche Zentrum von Monaco geschickt.

Anhand der aus diesen Kernen gewonnenen Daten werden die Forscher ein detailliertes Porträt des Ökosystems der Ozeane und der Wechselwirkung seiner Komponenten erstellen. "Wir sammeln Proben aus der gesamten Kolonie", sagte Ivankov. "Korallen, Wasser, Fisch - wir nehmen alles und machen das große Ganze." Seit Jahrtausenden haben Korallen, Zelle für Zelle, Hinweise auf Gesundheit und Veränderungen in lebenden Systemen als Ganzes verschoben. Jetzt kann uns das Schicksal dieser Systeme die Möglichkeit geben, die in diesen Skeletten enthaltenen verborgenen Aufzeichnungen zu entschlüsseln.