Wassertropfen an der Höhlendecke © GFDL

Stalagmiten entstehen in Höhlen, wenn sich eindringendes Niederschlagswasser auf seinem Weg durch die Bodenhorizonte mit Kohlendioxid anreichert und Kalkgestein löst. Aus dieser Lösung gast Kohlendioxid im Innern der Höhle wieder aus, und der Kalk scheidet sich in Form von „Sintern“ – Ablagerungen - ab. Viele Stalagmiten wachsen recht gleichmäßig über längere Zeiträume und lassen in größere Abschnitte der Klimageschichte einblicken.

Alter der Stalagmiten wird bestimmt
Mit der Thorium-Uran-Methode lässt sich das Alter der Stalagmiten bestimmen: Im Tropfwasser befinden sich Spuren von gelöstem radioaktiven Uran, es wird in das Kalkgitter des Stalagmiten eingebaut und zerfällt dort im Laufe der Zeit zu Thorium. Mit einem Massenspektrometer lassen sich die Isotope messen und das Alter einer Probe sehr genau bestimmen.

Im Kalk sind wichtige Klimadaten der Vergangenheit gespeichert © Nicole Vollweiler / Professor Augusto Mangini

Eine Probenentnahme erfolgt jedoch nicht nur zur Altersbestimmung, sondern auch, um die stabilen Isotope 18O/16O und 13C/12C zu analysieren. Vor allem die Sauerstoffisotope können Auskunft darüber geben, welche Temperatur und welche Niederschlagsverhältnisse während der Bildungszeit des Stalagmiten vorherrschten: Abhängig von den Klimabedingungen werden sie in unterschiedlichen Verhältnissen in den Kalk eingebaut.

Stalagmiten vieler Höhlen untersucht
Die Heidelberger Forscher entnehmen ihre Proben den Stalagmiten vieler Höhlen, eine besondere Stellung aber nimmt die Spannagel-Höhle bei Hintertux in Tirol ein. Sie liegt 2.500 Meter über dem Meeresspiegel und ist für die Klimaforschung ideal: Die Temperatur im Innern der Höhle beträgt rund zwei Grad Celsius, weshalb kaum störende chemische Prozesse ablaufen und die Bildung des Stalagmitenkalkes im Gleichgewicht mit dem Tropfwasser stattfindet. Dies hat den großen Vorteil, dass aus der Sauerstoff-Isotopie direkt Klimainformationen abgeleitet werden können.

	Rekonstruktion des Klimas © Nicole Vollweiler / Professor Augusto Mangini

Gemeinsam mit Innsbrucker Geologen ist es den Wissenschaftlern um Nicole Vollweiler und Professor Augusto Mangini gelungen, das Klima der letzten 9.000 Jahre zu rekonstruieren, indem sie die Proben aus drei Stalagmiten analysierten, die alle aus demselben Gang der Spannagel-Höhle stammen. Die Kurve zeigt eine deutliche Variabilität des Klimas mit Warmphasen vor 7.500 bis 6.500 Jahren (holozänes Klimaoptimum), vor 3.800 bis 3.600 Jahren, vor 2.200 Jahren (römerzeitliches Klima-optimum) und vor 1.200 bis 700 Jahren (mittelalterliches Klimaoptimum).

Den Warmphasen gegenüber stehen kühlere Perioden vor 7.900 bis 7.500 Jahren, vor 5.900 bis 5.100 Jahren, vor 3.500 bis 3.000 Jahren und vor 600 bis 150 Jahren (kleine Eiszeit).

Stalagmiten als Archiv für Niederschlag und Temperatur
Der Vergleich mit weiteren alpinen Klimazeugen, etwa Gletschern und Seespiegelständen, stützt die Interpretation der Klimakurve und bestätigt die Stalagmiten als Archiv für Niederschlag und Temperatur.

Einer der drei untersuchten Stalagmiten wuchs bis etwa 1950 und ermöglicht es den Forschern, die aus den Sauerstoff-Isotopen gewonnenen Informationen über das Klima an aktuelle, direkt gemessene Daten anzubinden. Aus mehreren Messdaten und rekonstruierten Werten wurde eine Transferfunktion aufgestellt, die es erlaubt, die Isotopie-Daten in absolute Temperaturwerte umzurechnen. Daraus ergibt sich für die letzten 2.000 Jahre eine Temperaturamplitude von etwa drei Grad Celsius mit Werten, die heute niedriger sind als während des mittelalterlichen Klimaoptimums.