Mit Jahrringen und Schneckensch n da Uiszeitklima auf der Spur
Klaus Felix Kaiser, Wiesendangen
Zusammenfassung
20 000 bis 18 000 Jahre vor heute erreichten unsere Alpengletscher letzlmals ihre Höchslstände. Der Lim- mattallappen des Linth-Rhein-Gletschers beispielswei- se stirnle im Raume Killwangen, später Schlieren. In dieser kältesten Phase der letzleH Eiszeit begann eine Klimaentwicklung, die gegen das Eiszeitende immer besser belegt ist. Um 12 500 vor heute, als der Eiszer- fall schon weit fortgeschritten war, beginnt das Spät- glazial. Es bildet den interessantesten Abschnitt der letzlen Eiszeit und gleicht einem klimatischen Wech- selbad mit raschen Erwärmungen, die immer wieder von kürzeren und längeren Rückschlägen unterbrochen werden, bis sich die Verhältnisse mit Beginn des Holo- zäns, der heutigen Warmzeit, beruhigen. Die Alters- bezeichnung «Jahre vor heute» beruht auf der Datie- rung mit der 14C- oder Radiokarbonmethode. 2 Dieser wechselvolle Übergang vom Hochglazial ins frühe Ho- lozän, das Spätglazial, wird mit Befunden, die aus Molluskenschalen und Jahrringen fossiler Bäume ge- wonnen wurden, genauer durchleuchtet (Abb. 1).
On the trail of the glacial climate by tree- rings and snail shells
The Alpine glaciation reached its maximum extent around 20 000 to 18 000 yearsB.P. The Limmattal Lobe of the Linth-Rhine Glacier; e.g., formed the stadials of Killwangen and Schlieren. The climatic development that had started during this coldest phase of the last ice age becomes more and more evident towards the end of the Glacial. The Late-glacial began around 12 500 years B.P., when the disintegration of the ice lobes had progressed. It forms the most interesting phase of the last Glacial and is characterized by abrupt climatic improvements interrupted by several shorter or longer reversals. The environmental conditions calm down with the beginning of the Holocene, when the actual interglacial started. The following paper focuses on this transition between Full-glacial and early Holocene and its variations evidenced by the features of mollusc shells and annual rings of fossil trees (Abb. 1).
1 DIE GROSSEN KLIMAABLÄUFE NACH 20 000 JAHRE VOR HEUTE3
Vorerst so
ll
die grossräumige Entwicklung zwischeH 20 000 uHd 10 000 v.h. an vier BeispieleH erläutert werden: den KoralleH von Barbados (Kleine AHtilleH), dein GröHlandeis, deH ForamiHiferen 4 vor der Küsle Portugals und der Seekrei-de des Gerzensees vom Südfuss des Belpbergs bei Bern.
Dabei wird die Perspektive schrittweise voH globalen auf europäische und Schweizer DimensioneH reduziert.
FAIRBANKS (1989) hat in den KorallenriffeH vor der Insel Barbados die Anhebungsphasen des Weltmeeresspiegels er- fasst: ZwischeH 18 000 uHd 8000 v.h. hob sich dieser voH –121 ± 5 in auf –29 m. Die aHfäHglich laHgsame Anhebung ' Nach der Antrittsvorlesung an der Philosophischen Fakultät II der Universität Zürich vom 7. Februar 1994.
2 In der Atmosphäre werden durch kosmische Strahlen Neutronen erzeugt, die durch Kernreaktion mit dem 14N der Luft das radioaktive 14C mit Halbwertszeit 5730 ± 40 Jahre bilden. Da Erzeugung und Zerfall sich die Waage halten, ist das Verhältnis 14C/12C konstant 10-12 (über Schwankungen im 14C-Anteil durch erhöhten CO 2-Gehalt der Atmosphäre s. 3.l, p. 119). Bei der CO2-Assimilation der P fl anzen wird ein entsprechender Anteil von 14C in die organische Substanz eingebaut. Nach dem Tod hört der C-Einbau auf, während der ZeIfall von 14C weitergeht. Deshalb kann aus dem heute noch vorhandenen Anteil des noch nicht zerfallenen 14C auf das Alter des Objektes geschlossen werden.
Nach internationaler Übereinkunft entspricht «heute» auf der 14C- wie der absoluten Zeitskala (in Kalenderjahren) vor hente (v. h.) dem Jahr 1950.
Protozoen mit Kalkschalen. Diese Einzeller leben an der MeeresobeIfläche. Nach ihrem Tod sinken die Schalen auf den Grund und bilden dort Sedimente.
Chronozonen: Vegetation, Umwelt:
(Mangerud et al.
1974)
Buchen-Eichen- Boreal
Mischwälder. Hasel
E signale (Fairbanks 1989)
(Lotter 198 Zbinden et 1989) Wälder Im Utolehm dem sm
Präboreal Reppischtal und auff dem Belpberg Wiederbewaldung: Birken, Führen, Weden
3 DIB
m
Jüngere Dryas Tundra
Wallsterben im Dättnau
rn
Explosion des Laacherseevulkans Allerüd
Dättnauer Wald Ältere Dryas
B61Iing Einwandern und Ausbreiten der Birken und Fahren
E 3 I,.-
,.,.,...
o- 1 u, , N tot U W Z cc 3
Tundra 3-
Keine Funde Im Dättnau, Rutschungen und Botlenfliessen
a
Rhein-Bodenseegletscher verlässt etwa den Grossraum Winte rthur Rhein-Linth Gletscher vedässt etwa das Gebiet der Stadt Zürich Zürich-Stadium
Schlieren Stadium
Maximale Eisausdehnung wahrscheinliche Bildung Kitwangen-Stadium des Dättnauer Tales
--- Schmelz- 14C- wasser- Plateaus
al.
211-4 O L
Y ^
-9 z
ö0
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16
-17
-18
-19
-20
1,0 0,8 0,6
818 0
0,4 0,2 0,0
0 1 2 _ 3- 4 5- 6 7- 8
9 - mwp 10 -..._IB...
11 = mwp
12 IA 13 - 14 15 16 17 Alter 1,218 (1000 J.)
Hochglazial
beschleuHigte sich ab Beginn des Spätglazials um 12 500 v.h.
Der Meeresspiegel hob sich in nur einem JahrtauseHd um 27 m auf –72 m. Dieser Schmelzwasserschub (meltwater pulse 1A) erreichte seinen Höhepunkt etwa 12 000 v.h. In deH folgendeH 1000 Jahren verlangsamte sich die Anstiegsrate deutlich. Der zweite, etwas schwächere Schub (meltwater pulse 1B) begann um 10 500 v.h. uHd hob den Meeresspiegel bis 8000 v.h. auf etwa –29 m. Später spielte sich im Ozean langsam der heutige Pegel ein (Abb. 2).
UHtersuchuHgen von
DANSGAARD(1964) und
SIEGEN- THALER & OESCHGER(1980) zeigten, dass das Verhältnis der stabilen Sauerstoffisotope,
180/160 (8180),im Niederschlag parallel mit der Lufttemperatur variiert. Trotz einer Kette von FraktioHierungsprozessen bei Verdunstung und KoHdensa-
tioH gilt für kontineHtale Stationen, dass eiH höheres 6
180 im Niederschlag auch einer höhereH Lufttemperatur entspricht.
Um die Temperaturentwicklung in der VergaHgenheit zu rekoHstruiereH, brauchen wir geeignete Speicher für das 5180 der Niederschläge. Die geschichteten Eismassen iH GrönlaHd und der Antarktis sind solche. Ihre huHderttauseHdjährigeH Archive dieneH als eine Art Paläothermometer und differen- zieren deutlich Kälte- und Wärmephasen
(SIEGENTHALER &OESCHGER,
1980, Abb. 4).
Auch Foraminiferen bauen das 6
180 des Meerwassers in ihre Kalkschalen ein. Jene voH Globigerina bulloides aus eiHer Tiefseebohrung vor der Küste Portugals zeigeH weniger differenziert – deHn der Ozean dämpft die Klimaausschlä- ge –, aber genauer
.datiert, ähnliche Schwanknngen wie das
Abb. l. Zeittabelle und Entwicklung 20 000 bis 9000 vor heute.
Die Tabelle vermittelt die wichtigen Klimastufen und Chronozo- nen zwischen Hochglazial und frühem Holozän im Überblick. Sie fasst zudem die wichtigsten Ereignisse zusammen.
Fig. 1. Time scale and development from 20 000 through 9000 B.P. The major climatic changes and chronozones between Full- glacial and early Holocene and the major events during this period
are summarized.
120 100 80
Tiefe (m)
60 40 20
Abb. 2. Anhebung des Weltmeeresspiegels (obere Abszisse) wäh- rend der letzten 18 000 Jahre v.h. (Ordinate). Der Meeresspiegel hebt sich nicht gleichmässig, sondern in Schüben. Zwei solche Schmelzwasserschübe, der mwplA zu Beginn des Spätglazials (zwischen Nr. 2 und 3) und der mwp 1 B an der Wende zum Holozän (zwischen Nr. 4 und 5), kennzeichnen den Anfang warmer Phasen.
Abgeleitet wurde die KuIve aufgrund von Daten der Korallenart Acropora palmata vor der Insel Barbados und ihrem Sauerstoff
-Isotopengehalt 5180 (untere Abszisse) (nach FAIRBANKS, 1989).
Fig. 2. Worldwide rise in sea-level (upper abscissa) over the past 18 000 years (ordinate). During this period sea-levels throughout the world rose not evenly but in steps. The onset of warm phases is signalized by two such steps or melt water pulses: mwpl A at the beginning of the Late-glacial (between nos. 2 and 3) and mwpl B at the onset of the Holocene (between Nr. 5 and 6). These findings are based on isotopic studies ($18 0) on corals, Acropora palmata, from Barbados (after FAIRBANKS, 1989).
0.5
Dättnau. Schweiz (Schneckenschalen, Dendrochronologie) (Kaiser und Eicher, 1987) (Kaiser. 1993)
Relative Jahrring
-chronologien
mN Ö>
Ü 16 -9 0 -7 -6 -5 Z - - Gerzensee Schwankung
Beginn der Älteren Dryas.
Beginn der Wiederbewaldung im Two Creeks Forest und Spitze des
"meltwater pulse" 16
Tiefe (cm) 3.0
0 50 - 100 - 150 - 200 - 250 - 300 - 350 -
Jüngere D ryas Marod Bölling
Gerzensee. Schweiz (Seekreide) (Eicher, 1979)
Grönlandeis
(FAIRBANKS,1989). Die IsotopeHverhältnisse des Meerwassers und der darin lebenden EiHzeller sind jeneH des NiedeIschlags im Eis uHd iH der Seekreide allerdings entgegeHgesetzt (Abb. 3).
EICHER
(1979) und
SIEGENTHALERet al. (1984) haben mit der Analyse der Seekreideschichten im Gerzensee bewieseH, dass diese die gleicheH IsotopeHschwankungeH wie das Grönlandeis aufweiseH (Abb. 4). AnscheineHd haben schon damals weder das globale noch das europäische Klima vor der Schweizer Grenze Halt gemacht: Nach ca. 12 500 v.h.
zeigen die KurveH mit einem markaHten TemperaturaHstieg deH Beginn des Spätglazials aH. Auf dem Festland folgen die Wärmephasen Bölling und Alleröd, die von kurzeH Rück- schlägen – wie der Älteren Dryas oder der Gerzensee- SchwaHkung –unterbrochen werden (s. Abb. 1). Nach 11 000 v.h. spielt sich ein jäher Klimasturz in die Jüngere Dryas- Kaltphase ab. Sie eHdet ebenso abrupt kurz vor 10 000 v.h.
mit einem markanten TemperaturaHstieg. Das HolozäH Himmt mit dem Präboreal seineH AnfaHg (Abb. 4).
2.0 I ,
5180
1.0 0.0
13.950
Hochglazial 13.040
14.592
Abb. 3. Die Isotopenverhältnisse 6 180 ( 16
0
)180) in den Schalen der Foraminiferenart Globigerina bulloides aus einer Tiefseeboh- rung vor der Küste Portugals (nach FAIRBANKS, 1989). Ihre Schwankungen sind vergleichbar mit 8jenen der festländischen Profile (Abb. 4). Allerdings sind die 6 1 O-Verhältnisse von mari- nen und kontinentalen Archiven einander entgegengesetzt.
Fig. 3. 8 18 0 isotope ratio ( 16 0/ 18 0) in the shells of the foramini- fer Globigerina bulloides found in deep sea cores off the coast of Portugal (after FAIRBANKS. 1989). The fluctuatuations are similar to those of the continent, although the 618 0 of marine and conti- nental archives oppose each other.
Dye 3. Grönland (Eisbohrkerne) (Siegenthaler. et al. 1984)
Abb. 4. Vergleich der festländischen Isotopenprofile von Grön- land, Dättnau und Gerzensee. Mit Hilfe der Schwankungen im Gehalt an stabilen Sauerstoffisotopen (6 180) lassen sich weit auseinanderliegende Fundstellen korrelieren. Schneckenschalen, aber auch Seekreiden, widerspiegeln ähnliche Temperaturschwan- kungen wie das (Gletscher-) Eis (aus KAISER, 1994).
Fig. 4. Comparison of the continental isotope records from Greenland, Dättnau and Gerzensee. Fluctuations in the contents of the stable oxigen isotopes (5 180) allow the correlation of widely separated find sites. Both mollusc shells and lake marls show a similar pattern of fluctuations in temperature as the ice (from KAISER, 1994).
2 JAHRRINGE UND SCHNECKENSCHALEN
Wir verfolgeH die Spur des eiszeitlichen Klimas mit Hilfe von Jahrringen fossiler Bäume uHd von Schneckenhäuschen, welche iH den spätglazialen Ablagerungen eHthalten siHd.
AnhaHd von vier FuHdstellen aus der Schweiz, DeutschlaHd uHd deH USA wird die skizzierte, noch recht grobe Entwick- luHg ver
feiHert und vertieft. Es sind das die LehmgIube Dättnau bei Winterthur, der Utolehm in Zürich, der Hämelsee zwischeH Hannover uHd Bremen sowie der Two Creeks Forest in WisconsiH.
Die FuHdstelle Dättnau ist stark von den lokalen Gege-
benheiten geprägt. Hier wurden sowohl die allererste
WiederbewalduHg uHd das erste «Waldsterben» Hach dem
EisIückzug als auch die grossräumigen KlimaschwankuHgen
erfasst. Die späteiszeitliche Fundstelle Two Creeks Forest am
Westuferdes MichigaHsees_
decktglobale oder wenigstens
nordhemisphärische DimensioneH auf. Beim Vergleich
Rhein-Bodensee Gletscher W'thur- Wülflingen Verlauf der Toss
/im letzten Interglazial
Winterthur O W'thur-Toss
/ W'thur-Seen
Steigmühle d !berg
Brütten
Linth-Rhein Gletscher zwischen Hämelsee und DättHau werden erstmals Warven5
und JahrriHge gegenübergestellt. Die Befunde aus dem Rau- me Zürich zeigeH die EHtwicklung im wärmeren frühen Holozän (KAISER, 1979, 1987b, 1993a).
Die Wälder breiten sich währeHd der Wärmephasen aus, sterbeH jedoch in den Kaltphasen ab. Die JahrriHge können uHs die WärmephaseH aHnuell auflöseH. Auch wenn das noch Hicht lückenlos gelungen ist, lasseH sich die Zeitverhältnisse über die DeHdrochronologie denHoch weit besser rekoHstruiereH, als dies mit den für diesen Zeitraum üblicheH, auf Radioaktivität beruheHden Datierungsmethoden möglich ist. Allein, gerade iH diesem ZeitabschHitt ist die DeHdro- chronologie Hicht denkbar ohHe die ' ``C- oder Radiokarbon- Methode (KAISER, 1979, 1993a), wie später Hoch:zu zeigen ist.
Die Schneckenschalen widerspiegelH in ihrem ArteHspek- trum die damaligeH UmweltbediHguHgen. Anders als die Bäume siHd SchneckeH sehr anpassungsfähig. Sie über- brückeH auch die KaltphaseH, so die bereits erwähHte Jüngere Dryas. Sie bauen – weIn auch gepuffert Fiber die NahruHgs- aufHahme – die stabileH Sauerstoffisotope iH ihre SchaleH ein uHd vermittelH damit auch die grossen ZusammeHhänge (KAISER & EICHER, 1987a). Diese an Landschnecken erst- mals durchgeführteH Analysen zeigen zudem, dass die stabi- len Isotope iH den SchHeckenschalen die gleichen SchwaH- kungen widerspiegeln wie die Seekreiden des Gerzensees uHd das GrönlaHdeis (Abb. 4).
3 FUNDSTELLEN, EREIGNISSE UND CHRONOLOGIEN
3.1 Die Lehmgrube Dättnau
Das Dättnauer Tal, eine ehemalige AbflussriHne der Töss westlich von Winterthur (Abb. 5A), die ihre endgültige Tiefe erst in den Kaltphasen von 20 000 bis 18 000 v.h. durch die Schmelzwässer des Rhein-BodeHsee-Gletschers im NE und des LiHth-RheiH-Gletschers im SW erhalten hat; ist bis 60 m unter die heutige Talsohle iH die Molasse eiHgetieft (KAISER, 1979). Nachdem der RheiH-Bodensee-Gletscher die benach- barteH Paralleltäler gegen Winterthur für das Schmelzwasser wieder freigegebeH hatte, nahm die Töss ihren alteH Lauf, und das Dättnau wurde «abgehäHgt» (Abb. 5B). Es eHthält daher die Ablagerungen der letzteH rund 18 000 Jahre v.h. Sie besteheH bis 9 m unter dem Talboden aus eingerutschtem und -geflosseHem Schutt voH der MoränenbedeckuHg und der
Abb. 5. Die Entwicklung des Dättnauer Tales im Hochglazial. Das Schmelzwasser von Linth-Rhein- Gletscher und Rhein-Bodensee- Gletscher formte die Rinne des Dättnau zur Zeit der maximalen Gletscherausdehnung um 18 000 bis 20 000 v.h. Nach dem ersten Eisrückzug konnte das Wasser in früher benutzte Rinnen zurückkehren (aus KAISER, 1993a).
Fig. 5. Development in the Dättnau valley during the High-gla- cial. Melt water from the Linth-Rhine glacier and the Rhine-Lake of Constance glacier carved the channel at Dättnau between 18 000 and 20 000 B.P. during maximum glaciation. The first ice retreat allowed the water to flow back through channels used earlier (from KAISER, 1993a).
Oberen Süsswassermolasse aH bzw. auf den beiderseitigen AnhöheH. Bei 9 In Tiefe änderH die AblageruHgeH abrupt zu feinkömigeH LehmschichteH. Diese wareH abbauwürdig und daHk der Firma Keller, Ziegeleien, PfuHgeH, wurden die im Lehm verborgenen FuHde überhaupt erst aufgeschlosseH. IIn Gegensatz zum Schutt, der sich als fast völlig fossilleer erwies und nur vereinzelte, nicht auswertbare PolleHkörner Warven = jahreszeitlich geschichtete Seeablagerungen aus tong-schluffigen Winterschichten und organischen Resten in den Sommer-
schichten.
enthält, ist der Lehm reich an pflanzlicheH und tierischen Übelresten wie Schachtelhalmen, Pollen und SchneckeH- schaleH. Vor allem stocken iH den uHtersteH vier MeterH fossile Birken- uHd Föhrenstümpfe, die weiter obeH voll- stäHdig fehleH, doch bergen jene Schichten bis 2 m unter der Oberfläche aHdere Reste, besonders SchneckeHschalen (KAI- SER, 1979, 1993a).
Im Pumpenloch der Grube war die KoHtaktstelle zwi- schen eingerutschtem Schutt und Lehm aufgeschlossen. Eine abrupte KlimaverbesseIuHg, die mit dem BeginH des Spät- glazials zusammeHfällt, änderle die AblageruHgsbedingun- gen schlagartig und liess die Ausbreitung eines Waldes zu.
Die Bäume habeH ihre Wurzeln bis iH den daruHterliegeHden Schutt vorgetrieben uHd es besteht keiH Zweifel, dass sie in situ, so wie sie wuchsen, einsedimentierl wordeH sind. Die BewalduHg begann mit den BirkeH, dicht gefolgt voH den Föhren. AHders als die Pollen widerspiegeln die Schnecken- schalen die damaligen UmweltbedinguHgen der Böllingzeit sehr präzise. Der Talgrund war bedeckt voH eiHem eher feuchtgründigen Birken-FöhreH-Wald. Die Hänge blieben noch kahl. Von dort stammen die LehmeinschwemmuHgen, denen wir die KonservieIung all der Funde verdanken (KAI-
;ER, 1979, 1993a).
Sämtliche fossilen Bäume wurden deHdrochroHologisch erfasst, d.h. ihre wichtigsten JahrringmerkInale (Zahl, Breite, Ausfälle, z.T. Dichte, StörungeH usw.) wurden analysiert (BAILLIE, 1982). Mit Hilfe der BreitenschwaHkungen werden die JahrriHgkurven zu ChronologieH zusammeHgestellt. Man geht davon aus, dass gleichzeitig wachseHde Bäume diesel- beH Schwankungsmuster und -folgen aufweisen.
Die 19 ältesten Bäume aus der BölliHgzeit bildeH eine Chronologie (Abb. 6). Es handelt sich um die älteste der Welt.
Die JahrriHgauswertuHg zeigt, wie schnell diese Wieder- bewaldung vor sich ging: Binnen 32 Jahren breilete sich der Wald scheinbar aus dein Nichts aus. MarkaHte JahrriHg- störungen zwischeH den JahreH 39 und 167 beweisen, dass die VerhällHisse im Talboden sehr labil waren. LiraHische MolluskeH, d.h. Siisswasserschnecken zeigeH an, dass die beiden wichtigsten Störungen voH ÜbeIschwemmuHgs- phaseH verursacht wurden.
Aus den Dätlnauer FöhreH liessen sich iHsgesamt vier ChroHologien aufbauen. Sie sind in Abb. 7 als Bänder in den Zeitrasler gezeichnet. Nach einem kurzeH Unterbruch, der vielleicht mit der Kaltphase der Älteren Dryas in VerbiHdung zu bringeH ist, schliesst sich die nächstjüngere Chronologie an. Diese leitet in die Wärmephase des Alleröd über, in welcher eiHe zweite uHd dritte Chronologie folgeH. Es siHd alles sogenannt relative ChroHologien, die sich über die
Abb. 6. Die derzeit älteste (d. h. weitest zurückreichende) Jahr -ringchronologie der Welt, erhoben an 19 Föhren aus der Lehm- grube Dättnau. Die Jahrringbreiten der Bäume werden als Kurven logarithmisch (in 1/100 mm) entlang der Zeitachse (0-300 Jahre) aufgetragen. Die oberste und unterste Kurve ist die Mittelkurve der Chronologie (DAEBOCH). Jede Kurve dazwischen entspricht ei- nem Baum. Die Chronologie umfasst 286 Jahre und belegt die erste Wiederbewaldung nach dem Rückzug der Gletscher im Gebiet der alpinen Vereisung. Ca. 12 , 300 14C-Jahre v.h. begann sich ein Bestand binnen 30 Jahren scheinbar aus dem Nichts auszubreiten.
Dies spricht für eine abrupte Klimaverbesserung zu Beginn des Spätglazials. Die beiden breiten Jahrringstörungen bei Jahr 39 und 167 sind dank der Schneckenanalyse auf Überschwemmungen zurückzuführen (aus KAISER, 1993a).
Fig. 6. Tree-ring chronology from the Dättnau clay pit. This chronology based on 19 pines reaches further back than any other in the world. Growth-ring widths are shown logarithmically (in 11100 mm) arranged against a time scale (0 through 300 years).
The top and bottom curves (DAEBOCH) show the mean pattern.
The curves in between are taken from individual trees. This chrono- logy covers 286 years and provides documentary evidence of the first invasion of trees in the glaciated areas after the retreat of the Alpine glaciers. About 12 300 t `tC-years B.P. the pine stand seems to have begun to spread out of the desolation; its rapid extension indicates an abrupt improvement in climate at the beginning of the Late-glacial. The growth-ring disturbances in year 39 and 167 can be traced back to floods by mollusc analysis (from KAISER, 1993a).
M- Alleröd -
Dendrochronologie
12500 RP. 12000 B.P. 11500 B.P. 11000 B P ,0500 B.P. 10000 B.P. 9500 B.P.
Jahrri0 Chronol glen: Einzelbooms: T mperatur: Zürich 2' 10'761 Dendrolahre vor heute 8'811 Dendrolehle Her Christus Jüngere, 323.jährige Chronologie eingepasst in die absolute süddeutsche Chronologie von Becker B Kromer (1993)
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0 !000 200 ringe
7
100 200 300 400 500 Bkr
Jahrringe +
=Ewa l
Wi18
— -
----
-- -- --- to1
-- -- 101
- 10 Jahre _ 00 200 300
Jahrringe 101 400 Bölling 286 J. ; : Allerödl 669 J.
Alleröd2 375 J.
11 Alleröd3 318 J.
Jahre v.h.
12600
12500 12400 12300 12200 12100 12000 11900 11800 11700 11600 11500 11400 11300 11200 11100 11000 10900 10800 10700 10600
00 00 00 00 00 00 00 00
Abb. 7. Übersicht der Jahrringchronologien von Dättnau, Birmensdorf und Zürich. Die Chronologien aus Dättnau decken das Spätglazial fast vollständig ab. Jene von Abb. 6 liegt ganz links.
Die Chronologien aus dem Raume Zürich lassen sich ins frühe Holozän, das Präboreal, einordnen. Die Positionierung der Chro- nologien entlang der Zeitachse beruht auf der 14C-Datierung (Abb. 8). Einzig die jüngste von Zürich 2 ganz rechts ist dank der Dendrochronologie absolut datiert.
Fig. 7. Overview of the tree-ring chronologies from Dättnau, Birmensdorf and Zurich. The chronologies from Dättnau cover almost the whole of the Late-glacial. That from Fig. 6 is shown on the left. Those from Zurich can be attributed to the Preboreal, in the early Holocene. The chronologies were arranged against the time scale on the basis of 14C datings (see Fig. 8), but only the most recent (Zurich 2, on the right) has been absolutely dated, by means of dendrochronology.
Jahrringe allein nicht kombiniereH lassen. Ihre Position be- ruht auf 14C-DatieruHgen.
Dank eiHer grosseH Menge von 14C-datierten JahrriHgpa- keteH lassen sich die Chronologien recht
präzise eiHordnen(Abb. 8). Jedes der Symbole entspricht eiHer Datierung. Sie zeigen, dass der Wald etwa voH 12 300 bis 10 850 v.h. über- dauerte. Anderseits erlauben sie uns, die Dendro- oder Ka- leHderjahre der Föhren auf der x-Achse mit den 14C-JahreH auf der y-Achse in Beziehung zu bringen. Für jede ChroHolo- gie resultiert daraus eine um 45° geHeigte Achse, eHtlang der die Chronologien angeordnet uHd iH die 14C-Skala eiHgepasst werden. ZwischeH deH ersteH drei ist das so geschehen. Wenn die 14C-SchwaHkungen – «wiggles» genannt – benachbarter ChroHologieH übereiHstimmen, können auch diese zur Posi- tionierung herangezogen werden. Die beideH ChroHologieH Alleröd 2 und 3, ganz rechts, wurdeH so kombiniert. Obwohl diese Verquickung der zwei ZeitskaleH mit Mängeln behaftet ist, vermittelt sie deHHoch eiHe Vorstellung der effektiven Zeitverhältnisse.
AufgruHd dieser Befunde dauerte die spätglaziale Wär- mephase des Bölling-Alleröd rund 1490 bis 1500 Jahre (Abb.
8). Das Temperaturmaximum in deH ForaminifereH vor
Por- tugalmit 12 260 Jahren v.h. (Abb. 3) uHd der Beginn der
Wiederbewaldung iH DättHau mit 12 280 Jahren v.h. (Abb. 8) stimmeH zeitlich sehr exakt überein.
Die Alterssprünge in der ältesten ChroHologie könnten mit einem 14C-Plateau (Abb. 1) iH Verbindung gebracht wer- den. Darunter verstehen wir Perioden, während welcher die
Bölling/Alleröd Interstadial: Dauer ungefähr 1490 bis 1500 Jahre
Abb. 8. Kombination der Chronologien von Dättnau und Ver- gleich durch Gegenüberstellung der Jahrringalter auf der x-Achse und der 14C-Alter auf der y-Achse. Auf diese Weise erhält man eine Vorstellung von der Dauer der spätglazialen Wärmephase des Bölling/Alleröd. Trotz der insgesamt 1648 in den Chronologien erfassten Jahrringe dauerte die Wärmephase wahrscheinlich kaum länger als 1490 bis 1500 Jahre. – Offene Symbole: Labor Physika- lisches Institut der Universität Bern; halboffene Symbole: Institut für Mittelenergiephysik, ETHZ und PSI; geschlossene Symbole:
Revelle College, University of California, La Jolla, USA.
Fig. 8. Combination of the chronologies from Dättnau and com- parison of the tree-ring and 14C ages. This method furnishes a picture of the duration of the Late-glacial warm phase during the Bölling-Alleröd period. The 1648 growth-rings analyzed showe that the warm phase can hardly have lasted longer than 1490-1500 years (from KAISER, 1993a). – Open symbols: Institute of Physics, University of Berne; half open symbols: Institute of Intermediate Energy Physics, ETHZ and PSI; solid symbols: Revelle College, University of California, La Jolla, U.S.A.
44° N
14C-Alter mehr oder weniger konstant gebliebeH sind oder gar eine Alterszunahme vortäuscheH. Das genanHte Plateau bei 12 500 v.h. wird mit einem CO2-Anstieg in der Atmosphäre in Verbindung gebracht.
STAUFFERet al. (1984) machteH diese Entdeckung in den Luftblasen des GröHlaHd- und Ant- arktiseises. Das radioaktive Kohlenstoffisotop 14C gelangt über die CO2-Assimilation in pflaHzliche OrganismeH. Wenn plötzlich mehr CO2 in der Atmosphäre eHthalten ist, sinkt vorübergeheHd die KonzeHlration der CO 2-Moleküle, die mit 14
Cmarkiert sind. 14C-Datierungen aus solchen PhaseH er- scheinen damit zu alt.
Ein Zusammenhang zwischen CO2-AHstieg und abrupter Erwärmung – aHgezeigt durch stabile Sauerstoffisotope,
«melt-water pulse IA» und spätglaziale Wiederbewaldung in Dätlnau – ist offeHsichtlich. Alle vier Ereignisse gescheheH abrupt. Die Hoch grobeH terrestrischen Befunde von Gerzen- see und GröHland könHeH so den JahrriHg- uHd Schnecken- daten von Dättnau und den mariHen von Portugal gegeHüber- gestellt werdeH. Diese Art der Verknüpfung terrestrischer und mariHer Befunde wird für das VerstäHdHis des globaleH Kli- mas immer wichtiger (Abb. 4).
3.2 Der fossile Two Creeks Forest in Wisconsin
Die Fundstelle Two Creeks liegt am westlichen Ufer des MichigaHsees. Dort waschen die WelleH dieses riesigeH BiH- nengewässers einen fossilen Boden und Baumhorizont frei.
Die Bäume sind in sandwichartiger SchichtuHg zwischen deH rötlich gefärbteH GrundmoräneH zweier Vorstösse des Michi- gaH-Gletschers eingebettet. Abb. 9 zeigt die AusdehHuHg der Eisvorstösse und die stratigraphischeH Einheiten
(EVENSONet al., 1976;
MICKELSONet al., 1983;
KAISER,1987a, 1993a,
b).Die Manitowoc-Grundmoräne bildet die Unter- lage, die Two Rivers-Grundmoräne die ÜberdeckuHg. Da- zwischen liegt der fossile WaldhorizoHt, eingebettet in lami- Hierte Seesedimente aus abwechselHd Sand, Silt und ToH, die WasserschHecken enthalten.
Mit den fossileH BäumeH konnte eine 252 JahrriHge um- fassende ChroHologie, die älteste in Amerika, aufgebaut wer- den. Die 14C-DatieruHgen öffHeH ein Zeitfenster voH 12 050 bis 11 750 v.h. zwischeH Anfang und EHde der Chronologie.
Damit sich überhaupt eiH Wald südlich der Greenbay ausbrei- ten konnte, musste der Eisrand zwischen deH beiden genann- ten Vorstössen hinter die Slrasse von MackiHac oder wenig- stens hinter das IHdian River Plateau zurückgewichen sein (Abb. 9, Fragezeichen), weil soHst das Gebiet unter Wasser gestanden wäre. So aber öffnete sich dem Schmelzwasser der Weg über die östlichen Grossen SeeH und das St. Lorenz- uHd Hudsontal direkt in den Nordatlantik. Als der Eisrand später
88° W
Maximale Eisausdehnung Wadsworth Moräne Shorewood Moräne Manitowoc Moräne
Möglicher Eisrand während des Twocreekan Two Rivers Moräne während des Greatlakean Abb. 9. Die verschiedenen Stadien des Michiganseegletschers während der späten Wisconsin-Eiszeit und die Lage der Fundstel- len des Two Creeks Forest südlich der Greenbay (nach EVENSON et al., 1976). Der fossile Waldhorizont liegt in sandwichartiger Schichtung zwischen Manitowoc-Moräne und Two Rivers-Morä- ne. Probenstandorte: 1 Two Creeks und Umgebung; 2 Kewaunee;
3 Radio-TV-Sendeturm; 4 Duck Creek; 5 Apple Creek.
Fig. 9. The different stades of the Lake Michigan glacier during the Wisconsin period and sampling sites of the Two Creeks Forest south of Greenbay (after EVENSON et al., 1976). The horizons of fossil wood lie in sandwiched layers between the Manitowoc till
and the Two Rivers till. — Sampling sites: 1 Two Creeks and vicinity; 2 Kewaunee; 3 Radio/TV transmitter; 4 Duck Creek; 5 Apple Creek.
die Mackinac-Strasse uHd das Indian River Plateau wieder bedeckte, wurde das Wasser im Lake Chicago gestaut und löschte den Two Creeks Forest aus, wie WasserschHecken und Jahrringmerkmale beweisen. Das Schmelzwasser floss wieder mehrheitlich ins Mississippi-System zum Golf von
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Mexiko. Schliesslich wurde der tote Wald vom Eis überflos- sen (EVENSON et al., 1976; MICKELSON et al., 1983; KAISER, 1987a, 1993a, b, im Druck; TELLER 1990).
Diese BefuHde decken grossräumige Zusammenhänge auf: Kurz vor 12 000 v.h. öffHet sich das St. LoreHz- und das Hudsontal für das Schmelzwasser. Dieses Süsswasser ist spezifisch uHd sauerstoffisotopisch leicht, gefriert leichter und schwimmt vorübergehend auf dem Meerwasser. Da- durch wird eHtweder der Wärmetausch des damaligen Golf- stromes mit der Atmosphäre blockiert oder es verduHstet jedenfalls isotopisch leichtes Wasser. Das müsste iH GröH- laHd uHd Europa zu einem Signal von vielleicht einem Jahr- hundert Dauer führeH. Tatsächlich existiert eiH solches in den Isotopenprofilen um 12 000 v.h., die Ältere Dryas (Abb. 4) (KAISER, 1993a, im Druck).
3.3 Die Explosion des Laachersee-Vulkans um 11 000 Jahre vor heute
Im ersten Jahrhundert vor 11 000 v.h. spielte sich mitteH iH Europa eine Vulkankatastrophe ab, die Explosion des Laa- chersee-VulkaHs, eines der Eifel-Maare. Dieses Grossereig- His schleuderte binnen etwa zweier Wochen zwischen 15 und 25 km3 Tephra6 (BOOGARD, 1983; BOOGARD & SCHMINCKE, 1990) und wahrscheiHlich Schwefelsäurewolken iH die Atmosphäre (SCHMINCKE, mdl. Mitt.). Die AschelageH siHd iH deH Seekreiden schweizerischer Moorseen (LOTTER, 1991), so auch im Gerzensee (EIcHER et al., 1976; EICHER, 1979) und in deH Warven zahlreicher deutscher Moore (LOT- TER, 1988), in den EifelmaareH selber (ZOLITSCHKA, 1990) und im Hämelsee bei Hannover HachgewieseH. ZusammeH mit Dr. Merkt (Landesamt für Bodenforschung, Hannover) wurdeH erstmals Warven mit JahIringen verglichen. Die jüHgste der vier Dättnauer Chronologien deckt mit 318 Jah- ren die anderthalb JahrhuHderte vor und Hach 11 000 v.h. Ins erste Jahrhundert vor 11 000 v.h. fällt eiHe abrupte Wachs- tumsstörung im Jahr 126 der ChroHologie, mit 5 extrem eHgeH JahrriHgeH. Das Jahrringwachstum ist erst nach drei weitereH JahreH wieder normal. Am Ende der Chronologie stirbt der Wald ab – 192 Jahre Hach dem Ausbruchsjahr.
Wegen der Kaltphase der JüHgereH Dryas fehleH im Profil weitere Baumfunde.
In deH Warven von Dr. Merkt vom Hämelsee ist die Laachersee-Asche nur im Dünnschliff nachzuweisen. EiHe Hachhaltige Störung folgt in den nächsten 8 Jahren, und erst nach weitereH 5 JahreH mit erhöhter SchichtuHruhe sind die
Warven wieder normal ausgebildet. Der Übergang in die JüHgere Dryas spielt sich zwischeH 188 und 198 JahreH Hach dem Laachersee-Ausbruch ab. Er ist 204 Jahre Hach dem AusbIuch defiHitiv abgeschlosseH. Nicht in erster Linie die Asche, sondern vielmehr die damit ausgestossenen SO 2
-Gase, die in der Atmosphäre Aerosolwolken bildeteH, führteH vermutlich zu eiHem mehrjährigeH Klimarückschlag (RAM- PING & SELF, 1985; RAMPING et al., 1988).
Die fossilen Jahrringdaten wurden an Bäumen im Ein- flussbereich zweier moderner Vulkanausbrüche geeicht, dem Katmai auf der Halbinsel Alaska (GRIGGS, 1922), der eine ähHliche AschemeHge wie der Laachersee-VulkaH ausgewor- fen hat, und denn Mt. St. Helens 1980. Dabei hat sich gezeigt, dass die Asche weit weniger Wirkung hat als die ausgestosse- HeH Schwefelsäuregase. Beim Katmai 1912 wareH es grosse MengeH dieser Gase, die im AlpeHraum uHd in Norda frika den kältesten Sommer des Jahrhunderts verursachten (GRIGGS, 1922), während beim Mt. St. Helens 1980 der S02-Ausstoss vernachlässigbar klein und ohne klimatische AuswirkuHg war (RAMPING & SELF, 1985; RAMPING et al.,
1988; KAISER & KAISER, 1987; KAISER, 1993a).
Mittels WarveH uHd JahrringeH sind sehr lange, über 10000jährige Chronologien aufgebaut worden. WarveHchro- HologieH überbrücken die KaltphaseH, währeHd die JahrriHg- reiheH aH der baumlosen JüHgereH Dryas eHdeH. Mittels der Signale katastrophaler GrossereigHisse wie der Laachersee- ExplosioH oder des abrupteH Klimarückschlags zu Beginn der JüngereH Dryas könnteH Warven- und JahlTingchronolo- gien aneinander geeicht werden. Damit würde sich die Zu- verlässigkeit beider DatierungsmethodeH erhöheH. Weiter zeigt sich, dass die FolgeH klimatisch wirksamer Vulkanaus- brüche in der Regel nur weHige Jahre anhalten. Daher kann zwischen Laacherseeausbruch uHd Beginn der Jüngeren Dry- as kein Zusammenhang bestehen. Wetteranomalien iH JahreH nach Vulkanausbrüchen mit grossem Schwefelsäureausstoss wie dem Katmai 1912 oder dem Pinatubo 1991 siHd daher vorübergeheHde, wenige Jahre dauerHde Naturerscheinungen (GRIGGS, 1922; RAMPING & SELF, 1985; RAMPING et al., 1988).
3.4 Die frühholozäne Wiederbewaldung im Zür- cher Raum und Ausblick
WähreHd iH DättHau die spätglazialeH Wärmephasen anhand der JahrriHge uHd SchHeckeHschaleH, die Jüngere Dryas zu- mindest mittels der Schnecken abgedeckt werden können, ist die frühholozäne Wiederbewaldung in den LehmeH des
e Sammelbegriff für alle unverfestigten vulkanischen Lockermaterialien (Asche, Lapilli, Bomben u. a.), aus denen vulkanische Sedimente entstehen.
Reppischtales und des Friesenberges auf beideH SeiteH des Üetlibergs belegt
(KAISER,1987b, 1993a) (Abb. 7).
Mit deH fossileH Baumfunden aus der Baugrube des KraH- keHheims Wiedikon (Zürich 2) beispielsweise wurden inzwi- schen zwei Chronologien aufgebaut, die durch eiH Schnek- kenprofil verbunden sind. Der Anfang der ältereH fällt auf das früheste Holozän, jener der zweiten auf etwa 9700 v.h. Die letztere wurde anfangs Februar defiHitiv in die absolute süd- deutsche Chronologie eingepasst, die
BECKERund
KROMER(1993) in jahrzehntelanger Arbeit für das HolozäH erstellt haben. Die jüngste der Zürcher ChronologieH ist dadurch absolut datiert. Sie beginHt 8811 Jahre v. Chr. oder 10 761 Jahre v.h. Das zugehörige 14C-Alter voH 9700 v.h. muss also um rund 1100 Jahre zurückkorrigiert werden. So gross ist der Fehler der 14C-Uhr im Verlaufe des HolozäHs gewesen.
Abb. 8 gibt mit ihreH zahlreichen Schwankungen eine Vor- stelluHg davoH, wie unregelmässig diese Uhr läuft. Das wird voH grosser Tragweite für die DatieIuHg aller mit dein Profil verknüpfbareH Ereignisse seiH! Die AHalyse der Mollusken- schalen von der gleichen FuHdstelle ist zurzeit Hoch im Gange. Über die stabilen Isotope in ihren SchaleH dürfeH wir aber eine Verankerung des Profils in der grossräumigeH Klimastratigraphie erwarteH.
Auch die Grenze Eiszeit/Holozän, die bei 10 000 14C-Jah- reH v.h. liegt, verschiebt sich daher – ausgedrückt in Kalen- derjahren – um mindestens 1100 Jahre zurück iH die Vergan- genheit. Die absolute Chronologie aus SüddeutschlaHd ist wohl gegenüber der 14C-Zeitskala geeicht. Sie ist jedoch HirgeHdwo slratigraphisch veraHkert. Bekanntlich wurde die- se ChroHologie auf JahrriHgeH von Bäumen aufgebaut, die in deH Schottern von DoHau, MaiH und Rhein eingebettet waren
(BECKER & KROMER,
1993), d.h. der WachstumsstaHdort der Bäume ist unbekannt. Über die Zürcher BefuHde sollte sich auch die süddeutsche Chronologie wenigstens im ZeitiHter- vall zwischen 11 000 und 10 000 v.h. besser iH die grosseH ZusammeHhäHge eiHordHeH lasseH.
4 SCHLUSSFOLGERUNGEN
Bei der Spurensuche auf dein Festland mit JahrriHgen uHd Schneckenschalen und bei den QuervergleicheH zwischeH OzeaH uHd KoHtiHeHteH ergänzen sich beide Parameter heIvorrageHd. DaHk der SchHeckeHanalyse lassen sich nicht nur die UmweltbedinguHgeH rekoHstruieren, sondern auch deren Änderungsraten bestimmen. Der Gehalt der Schalen an stabilen Sauerstoffisotopen widerspiegelt die grossräumi- gen Temperaturverhältnisse. Damit könneH weit auseiHan- derliegeHde Profile Hicht nur über den Nordatlantik zwischeH
Grönland und Europa, soHde
rHauch zwischen Ozean und Kontinent korreliert werden.
Die Jahrringchronologien sind hochauflösend. Sie zeigen die VeränderuHgsralen der wichtigen spätglazialeH Klima- wechsel aufs Jahr geHau. Die relativen Chronologien ver- mitteln im VereiH mit deH 14C-Datierungsserien zumindest eiHe gute VoIstellung von den wahreH ZeitverhältHisseH wäh- rend der Wärmephasen. Im kontinentaleuropäischen Rah- meH fiHden sie als Korrelations- und Datierungswerkzeug mit anderen JahrringchroHologien und mit jahreszeitlich ge- schichteten SeesedimeHteH VerweHduHg. Sie könneH auch zur EichuHg der 14C-Methode heraHgezogeH werden.
Alle grosseH Klimaänderungen und die kleineren Rück- schläge uHd AHomalien haben natürliche Ursachen. Alle verlaufen abrupt. Das Klimageschehen erweist sich als von Natur aus sehr kapriziös. Alle ZeitabschHitte waren frei voH meHschlichem Einfluss. Es ist daher wichtig, dass der moder- ne Mensch seiHeH Einfluss auf das Klimageschehen auf ein MiHimum zu reduzieren lernt, um diese heiklen Mechanis- men nicht zu stören.
5 DANK
Der Autor ist folgenden Institutionen herzlich zu Dank veIpflichtet:
Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, WSL, Bir- mensdorf; Schweizerischer Nationalfonds (Proj.-Nrn. 2.708-0.85, 2.067-0.86, 2.984-0.88, 21-31 292.91); SANW, Schweizerische Akademie der Naturwissenschaften; Stadt Winterthur; Büro für Archäologie der Stadt Zürich; Physikalisches Institut der Univer- sität Bern; Institut für Mittelenergiephysik, ETHZ und PSI; Geogra- phisches Institut der Universität Zürich.
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