Nordeuropas klimathistoria kartläggs i internationellt borrprojekt

Foto: Nils Junge

Fartyget Greatship Manisha med sitt specialutrustade borrtorn. Foto: Nils Junge

Med ett specialutrustat borrfartyg har man för första gången kunnat ta mångtusenåriga sedimentprover från Östersjöns botten. Ett 30-tal internationella forskare inom flera olika områden har jobbat i projektet och mängder av spännande information har hämtats ifrån djupet, bland annat fick de upp prover där man kan urskilja årstidsväxlingar i sedimentlager som är över 45 000 år gamla.

Haven är en viktig del i det globala klimatsystemet. Att undersöka hur människans aktivitet påverkar haven är viktigt för att få en mer komplett förståelse för hur klimatet regleras och förändras. Vi vet att utsläpp, avverkningar, igenväxning och markanvändning påverkar klimatet men vi behöver också veta hur de naturliga klimatförändringarna har sett ut historiskt.

Efter att den senaste istiden tog slut för ungefär 9 000 år sedan har klimatet i Sverige varierat. Naturliga växlingar i klimatet har varit tydliga i Östersjöområdet under denna tidsperiod, men de senaste drygt 100 åren har även mänskliga aktiviteter såsom förbränning av olja, gas och kol blivit en betydande faktor för klimatförändringar.

Historiska fluktuationer i klimatet har påvisats vetenskapligt med hjälp av bland annat analyser av glaciärer och fossila pollen. Ett annat sätt att studera klimatförändringar är att undersöka havsbottnarnas lager av sediment som bildats under årtusenden, och på Östersjöns botten finns ett unikt sedimentarkiv som lämpar sig väl för sådan forskning.

Thomas Andrén vid Södertörns högskola ansökte redan 2004 om att få genomföra en geologisk borrexpedition i Östersjön med det internationella Integrated Ocean Drilling Program (IODP). En av målsättningarna var att ta reda på om det Skandinaviska istäcket spelade en aktiv roll i klimatutvecklingen på norra halvklotet under de senaste 100 000 åren. En annan målsättning var att förstå Östersjöns långa miljöhistoria och på så sätt kunna förutse konsekvenser av framtida klimatförändringar i Östersjöområdet. Men för att få tag på riktigt gamla sediment krävdes avancerad utrustning.

– Vi visste från seismiska undersökningar att vår provtagningsutrustning bara fick med sig en begränsad del av de sedimentlager som fanns lagrade på Östersjöns botten. Vi hade bara skrapat på ytan, men i det här projektet hade vi med hjälp av IODP möjlighet att gå mycket djupare i sedimentarkiven, berättar Thomas Andrén, forskningschef för borrprojektet.

Högupplöst sediment

I projektet har forskare från 12 olika länder inom flera expertområden jobbat tillsammans. Allt från paleooceanografer som undersöker sedimentet och de organismer som bevarats där, till geokemister som studerar kemiska processer och mikrobiologer specialiserade på bakterier och virus.

DavidSmith©ECORD_IODP_DSC00691

Sedimentprover på upp till 130 000 års ålder har tagits upp tack vare den avancerade borrutrustningen från IODP. Foto: David Smith

IODP har funnits sedan 50 år tillbaka, och främst är det världshavens bottnar man har undersökt för att samla in data i ett längre geologiskt tidsperspektiv. Sediment från världshavens bottnar kan ge en global bild av klimatet. Eftersom sediment består av både det som produceras i vattnet och det som kommer ut i haven via floder på grund av vittring och erosion samlas särskilt mycket sediment vid kustområden, och Östersjöns sedimentarkiv har en hög tidsupplösning som skiljer sig från världshaven.

– En millimeter i sedimentlagret i världshaven motsvarar ungefär 1 000 år, medan bottnarna i Östersjöområdet har en upplösning där 1 mm till flera cm kan motsvara ett år. Man kan till och med se säsongsvariationer i sedimentet tiotusentals år tillbaka i tiden, förklarar Elinor Andrén som är docent i naturgeografi.

Att ta upp borrkärnor från havsbotten är en beprövad teknik och inom IODP hade det tidigare gjorts 346 borrningsexpeditioner. De stora borrfartygen från IODP:s projekt ute på världshaven var dock alltför stora för att användas i Östersjöns relativt grunda vatten, och ett mindre borrfartyg fick hyras in och utrustas specifikt för projektet.

Kiselager kan berätta mycket om historien

Elinor Andréns roll i projektet var att undersöka ekosystemets historia framförallt med hjälp av kiselalger, som är mikroskopiska encelliga organismer. Deras hårda skal som består av kiseloxid bryts inte ner, vilket gör att de bevaras i sedimentet och utgör ett bra verktyg för att undersöka hur havens ekosystem sett ut längre tillbaka tiden.

Alger är så kallade primärproducenter och utgör grunden i ekosystemet; de bedriver fotosyntes och producerar mellan 20-40 procent av jordens syre. Det finns alltifrån 200 000 -1 000 000 olika arter och de kan leva i alla akvatiska miljöer. I Östersjöns bräckta vatten trivs både marina och sötvattensarter. Genom att ta prover ur sediment och artbestämma kiselalger kan man se hur populationerna varierat under olika tider, något som kan säga en del om salthalter och om hur mycket is det funnits i havet.

– Olika arter trivs också i olika miljöer, så genom att undersöka artsammansättningen kan man tolka hur olika miljöparametrar har varierat som till exempel salthalt, näringsämnen, vattendjup, isutbredning och därmed indirekt temperaturförändringar. När det gäller att undersöka globala miljöförändringar har kiselalger varit ett mycket viktigt verktyg, berättar Elinor Andrén.

Foto: Elinor Andrén

I mikroskop kan man se att kiselalger förekommer i alla möjliga former. Foto: Elinor Andrén

Syrefria bottnar ger randigt sediment

Sedimentlagren visar hur syrehalten i bottenvattnet varierat. Om det har varit syrefattigt på botten dör allt utom bakterier, vilket innebär att det inte finns några högre levande organismer som rör upp bottenslammet. Detta är väl synligt i sedimenten då de får tydliga lamineringar och blir randiga. En hög primärproduktion innebär att cyanobakterier, kiselalger och andra slags alger, som får sin energi från solen, ökar kraftigt i havet. Algblomningar är ett resultat av hög primärproduktion och resulterar i låg syrehalt på havsbotten eftersom syret förbrukas vid nedbrytningen av de organiska materialet.

– Syrefria bottnar där endast bakterier kan leva är ett säkert tecken på övergödning. Grumligt vatten orsakat av övergödning gör att de alger som lever vid ytan ökar samtidigt som de som lever på botten minskar eftersom ljusgenomsläppet blir sämre. Syrefria bottnar är något som är vanligt förekommande vid punktutsläpp som exempelvis vid reningsverk, säger Elinor Andrén.

Cyanobakterier har funnits länge i Östersjön och syrefria bottnar kan vara en del av det naturliga ekosystemet. Dock har algblomningar ökat sedan 1950 samtidigt som användandet av konstgödsel runt Östersjön tog fart. Men det är svårt att separera de naturliga förändringarna från de som orsakats av människan.

Foto: CarolCotterill

En borrkärna är ett cylindriskt prov som hämtas upp med en speciell borr. Bilden visar en öppnad borrkärna där man tydligt kan se sedimentets lamineringar. Foto: Carol Cotterill

– Under den medeltida värmeperioden ser vi i princip i alla borrkärnor att bottnarna i de djupare delarna av öppna Östersjön varit syrefria på grund av algblomningar, berättar Thomas Andrén. Man har trott att detta var på grund av ett varmare klimat, men det kan inte uteslutas att människor kan ha orsaka detta som ett resultat av förändrad markanvändning.

Unika prover från Landsortsdjupet

En av projektets borrpunkter var Landsortsdjupet, Östersjöns djupaste del, och på detta stora djup är sedimenten laminerade eftersom syre saknats under mycket lång tid. Här kunde de med hjälp av den avancerade borrutrustningen komma ner på 459 meters djup och sedan nästan 100 meter ner i sedimentet. Med drygt 550 meter borrör under fartyget gällde det att vara försiktig så att inte borren fastnade. Enligt de seismiska förundersökningarna fanns det tio meter kvar till berggrunden, men då det misstänktes vara ett svårborrat gruslager ovanpå morän ville man inte riskera att fastna och förlora mycket rör.

– Det blev lite motsättningar mellan det tekniska och det vetenskapliga. Teknikerna vill inte slita på eller förlora utrustningen, samtidigt som vi forskare tyckte att det var av större vikt att få med sig så mycket data som möjligt hem, berättar Thomas Andrén. Det kunde funnits något annat än morän i de sista metrarna, men vi fick helt enkelt avbryta på grund av att riskerna bedömdes vara för stora.

Landsortsdjupet levererade dock mycket spännande material. Den lera som bildades när den senaste inlandsisen smälte bort har en otroligt bra tidsupplösning. Under slutet av den senaste istiden blev klimatet varmare, men för mellan 12 900 -11 700 år sedan under den period som kallas Yngre Dryas, inträffade i områdena kring Nordatlanten av en klimatförändring och det blev kallare igen. Borrkärnan från Landsortsdjupet innehåller hela denna tidsperiod med årlig tidsupplösning vilket gör den unik i sitt slag.

När det några hundra år senare kom in marint vatten i Östersjösänkan, som då bestod av sött smältvatten, förde det med sig näringsämnen som förändrade vattenmiljön. Tack vare att det är så långt ner till botten i Landsortsdjupet har det varit syrefattigt, så organismer och kemiska parametrar är välbevarade. I sedimentlagren från denna period och framåt finns en variation av olika kiselalgsarter bevarade och till och med årstider kan urskiljas i sedimenten. Expeditionen fick upp 30 meter av sådana högupplösta borrkärnor från de senaste 8000 åren.

Dessa borrkärnor ger oss forskare en möjlighet att med årlig precision studera exempelvis tidigare algblomningar och inflöden av marint vatten vilket erbjuder oss unika möjligheter att förstå hur Östersjöns ekosystem har fungerat tidigare och hur det kan komma att reagera på kommande miljöförändringar, förklarar Thomas Andrén.

Foto: Carol Cotterill

Borrkärnor lagrade i IODP:s stora förråd i Bremen, Tyskland. Foto: Carol Cotterill

Överraskande resultat

Expeditionen har samlat in sammanlagt 1,6 km borrkärnor, och flera forskare inom många olika discipliner jobbar nu med kärnmaterialet.

– Vi har fått fram resultat som vi inte förväntade oss. Framförallt från södra Östersjön fick vi spännande information från borrkärnorna. Man skulle kunna tro att inlandsisar skrapar underlaget rent, men det finns sediment kvar från innan den senaste inlandsisens maximala utbredning, säger Thomas Andrén.

Inlandsisen har inte betett sig som man tidigare trott. När isen smälter bort för smältvattnet med sig mycket sediment på sommaren och lite på vintern. På det viset blir sedimentet randigt och man kan räkna de glaciära varven för varje år. Det som överraskade var att det mellan två glaciala leror fanns ett lager med innehåll av organiskt material som var cirka 45 000 år gammalt. Detta betyder att inlandsisen först legat över platsen för att sedan dra sig tillbaka. Därefter fanns där förmodligen en sjö där det producerades organiskt material innan inlandsisen åter bredde ut sig i södra Östersjön. Att isen varit så dynamisk i Östersjösänkan var något man tidigare inte kunnat påvisa så tydligt.

En annan överraskande upptäckt gjordes i Lilla Bält, sundet mellan Jylland och Fyn. På ön Als i Lilla Bält finns sedimentlager bevarade med organiskt material från förra isfria perioden för 130 000 år sedan. Man har antagit att de blivit knuffade upp på ön av den senaste inlandsisen och att det skulle finnas mycket mer av dem på havsbotten i Lilla Bält. Sedimentlager av den åldern fanns där, men de såg inte ut som förväntat. Inget organiskt material hittades vilket var en besvikelse för många av forskarna.

Mellan sedimenten som bildades för 8000 år sedan och avsmältningssedimenten från när inlandsisen försvann gjordes dock en intressant upptäckt. Där fanns ett några centimeters tjockt lager av grus och sand. Gruslagret är ett tecken på att något utöver den normala geologiska utvecklingen har hänt.

Detta är ingen ”normal lagerföljd” utan det visar att det fattas flera tusen år av sedimentation. Tänkbara förklaringar kan vara att en issjö som varit uppdämd i Lilla Bält tappades ur snabbt när ett utlopp uppstod eller någon hastig förändring i grundvattenytans nivå, säger Thomas Andrén.

Andrens in the lab

Thomas och Elinor Andrén studerar borrkärnor i labbet. Foto: IODP

Nya data ska ge en tydligare bild

Det breda samarbetet mellan experter från olika forskningsområden är väldigt betydelsefullt i detta IODP-projekt. All insamlad information kan jämföras och tillsammans ge en mer komplett bild över Östersjöns historia och områdets betydelse för klimatutvecklingen på norra halvklotet.

– Mikrobiologerna är också nöjda med sina data, särskilt från Landsortsdjupet och Bornholmsbassängen. Där har man funnit den största mängden bakterier i sediment som någonsin registrerats inom IODP, förklarar Thomas Andrén. Med hjälp av bland annat DNA-analyser ska de försöka ta reda på hur bakterier har överlevt under en inlandsis och om någon utveckling skett hos dem. När det gäller DNA finns det fortfarande mycket att göra; det är enormt mycket material att gå igenom. Så småningom kommer det att publiceras många spännande artiklar med unika data som sammanställts i projektet.

Vad kan man då göra med dessa kunskaper?

– Resultaten från projektet ger oss en bättre och tydligare förståelse för hur klimatet i Nordatlantregionen har varierat de senaste cirka 100 000 åren och vilken roll det Skandinaviska istäcket och Östersjösänkan har spelat i denna utveckling, säger Thomas Andrén.

– Vi vill veta hur Östersjöns ekosystem har reagerat på tidigare klimatförändringar för att förstå hur den pågående klimatförändringen kan komma att påverka Östersjön. Vi vill också ha bättre kunskap om på vilket vis vi människor har påverkat och påverkar Östersjöns ekosystem för att kunna vidta korrekta och kostnadseffektiva miljövårdsåtgärder. Det är viktigt att ha en stabil vetenskaplig grund att stå på när man ska diskutera åtgärder av olika slag, menar Elinor Andrén. Med denna kunskap vet man vad man ska lägga energi på och hur nästa miljövårdskrona ska användas.


Natursidan.se har beviljats stöd av Forskningsrådet Formas genom Erik Hanssons, Johan Linds och Marie Mattssons projekt ”Forskning om natur för alla”. Det här är en artikel inom detta projekt. Läs alla våra artiklar i serien via den här länken.

Marie (7 Posts)