Unter dem Ostantarktischen Eisschild haben Geologen eine uralte Landschaft aus Flusstälern und Höhenzügen rekonstruiert. Das Gebiet umfasst mehr als 32.000 Quadratkilometer und ist damit ungefähr so groß wie Belgien. Es liegt unter mehreren Kilometern Eis und wurde vor der Entstehung des heutigen Eisschilds von Flüssen geformt. Seine außergewöhnlich gute Erhaltung liefert Hinweise darauf, wie lange das Eis in diesem Teil der Antarktis kalt und vergleichsweise erosionsarm blieb.
Die verborgene Landschaft liegt im Wilkesland, im Osten des Kontinents, nahe den Aurora- und Schmidt-Becken. Sie befindet sich landeinwärts der Denman- und Totten-Gletscher. Ein Team um Stewart Jamieson von der Durham University und Neil Ross von der Newcastle University untersuchte die Region mit Satellitendaten und Messungen aus Forschungsflugzeugen. Die Ergebnisse erschienen am 24. Oktober 2023 in Nature Communications. Eine ausführliche Darstellung der Messungen veröffentlichte auch die Newcastle University.
Unter dem Namen „Highland A“ beschreiben die Forscher drei zusammengehörige Hochlandblöcke. Ihre Oberfläche ist heute vollständig vom Eisschild bedeckt und für direkte Beobachtungen unzugänglich. Die Messdaten zeigen jedoch ein verzweigtes Netz aus Tälern und Bergrücken, dessen Muster zu einer alten Flusslandschaft passt. Die Form blieb trotz der langen Eisbedeckung so deutlich erhalten, dass sich ihre geologische Entwicklung rekonstruieren lässt.
Die drei Hochlandblöcke sind jeweils ungefähr 121 bis 173 Kilometer lang und 73 bis 85 Kilometer breit. Ihre einzelnen Flächen liegen bei rund 7.000 bis 10.000 Quadratkilometern. Zusammengenommen überschreiten sie 32.000 Quadratkilometer, sofern man sie als Teile einer früher zusammenhängenden Landoberfläche betrachtet. Ihre längste Ausdehnung erreicht ungefähr 300 Kilometer.
Zwischen den Hochlandblöcken verlaufen zwei breite, tiefe Senken. Diese glazialen Tröge sind stellenweise bis zu 40 Kilometer breit und trennen die ehemals zusammenhängende Landschaft heute in drei Bereiche. Auf den Hochflächen selbst wechseln sich verzweigte Täler und geschwungene Rücken ab. Die Forscher erkennen darin ein Muster, das typisch für Entwässerungsnetze ist, die über lange Zeit durch fließendes Wasser entstanden.
Die Täler bilden keine gleichförmigen parallelen Rinnen. Stattdessen verzweigen sie sich in kleinere Nebenläufe, die in größere Talzüge münden. Solche dendritischen Muster entstehen, wenn Regen- oder Schmelzwasser über längere Zeit ein Gelände entwässert und dabei Material abträgt. In der Antarktis muss diese Landschaft in einer Zeit entstanden sein, in der die Region noch nicht von einem kontinentalen Eisschild bedeckt war.
Die Studie beschreibt die drei Hochlandbereiche als Reste einer größeren Oberfläche, die später durch Gletscher und tektonische Strukturen zerteilt wurde. Lokale Gletscher überformten die ursprünglichen Flusstäler und verbreiterten einzelne Täler zu U-förmigen Rinnen. Später vertieften größere Eisströme die Tröge zwischen den Blöcken. Die heutige Landschaft ist deshalb weder eine unveränderte Flussebene noch ausschließlich ein Produkt der Gletscher.
Die Forschenden konnten die verborgene Landschaft nicht direkt fotografieren. Stattdessen kombinierten sie zwei Messwege, die unterschiedliche Hinweise auf den Untergrund liefern. Satellitenaufnahmen zeigen feine Veränderungen der Eisoberfläche, darunter flache Erhebungen und Senken. Solche Unebenheiten können die Form des Gesteinsbodens widerspiegeln, weil das darüberliegende Eis auf die Topografie reagiert.
Diese Oberflächenhinweise allein reichen für eine sichere Rekonstruktion nicht aus. Deshalb verglich das Team sie mit Radar-Echolotungen aus Flugzeugen. Dabei senden Instrumente Radiowellen durch das Eis und messen die Echos, die an Grenzflächen und am Untergrund zurückgeworfen werden. Aus der Laufzeit und Stärke der Signale lässt sich die Lage der Eisunterseite ableiten.
Die verwendeten Messflüge fanden im Rahmen des ICECAP-Projekts zwischen 2008 und 2011 statt. Die Radarprofile erfassten den Untergrund an ausgewählten Fluglinien und bestätigten dort die aus Satellitendaten abgeleiteten Höhenzüge und Täler. Die Forschenden verbanden diese Messungen anschließend mit Modellen zur Verformung der Erdkruste unter der Last des Eises. So prüften sie, ob die drei Blöcke einst eine zusammenhängende Oberfläche gebildet haben könnten.
Die Methode liefert keine lückenlose hochauflösende Aufnahme jedes Quadratmeters. Zwischen den Radarfluglinien müssen Forschende die Geometrie aus den verfügbaren Messpunkten und den Oberflächenmustern erschließen. Die Übereinstimmung mehrerer unabhängiger Hinweise macht die Rekonstruktion dennoch belastbarer als eine reine Interpretation von Satellitenbildern. Die Studie unterscheidet deshalb klar zwischen direkt gemessenen Radarprofilen und der daraus abgeleiteten flächigen Landschaftsform.
Das genaue Alter der Landschaft lässt sich bislang nicht auf ein einzelnes Jahr oder einen engen Zeitraum festlegen. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die letzte größere Erosion durch lokale Talgletscher wahrscheinlich mindestens 14 Millionen Jahre zurückliegt. Möglich ist auch, dass die Landschaft bereits vor rund 34 Millionen Jahren bestand, als die großräumige Vereisung der Antarktis einsetzte. Die Altersspanne reicht damit von einer sehr alten vor-eiszeitlichen Oberfläche bis zu einer Landschaft, die vor dem Beginn der dauerhaft kalten Bedingungen entstand.
Der Zeitpunkt vor etwa 14 Millionen Jahren ist geologisch besonders wichtig. Nach einer Phase wechselnder Eisausdehnung etablierte sich damals ein dauerhaftes, kontinentales Eisschild mit verbreitet kalten Bedingungen am Untergrund. Die Forscher argumentieren, dass die Hochlandoberfläche seit dieser Zeit nicht mehr von warmem, erosivem Eis grundlegend umgestaltet wurde. Das Alter ist also eine begründete geologische Einordnung und keine direkte Datierung einer Gesteinsprobe aus dem verborgenen Gelände.
Auch die ältere Möglichkeit von mehr als 34 Millionen Jahren bleibt offen. In diesem Fall hätte ein Teil der Flusslandschaft bereits vor dem ersten großen antarktischen Eisschild existiert. Die Unsicherheit entsteht unter anderem dadurch, dass frühere Schwankungen des Eisrandes nur unvollständig bekannt sind. Ohne Bohrkerne aus dem Untergrund oder datierbares Gestein lässt sich der Entstehungszeitraum nicht enger bestimmen.
Der Vergleich mit der heutigen Antarktis verdeutlicht die lange Zeitspanne. Der Ostantarktische Eisschild entstand vor ungefähr 34 Millionen Jahren und bedeckt heute einen Großteil des Kontinents. Seine Geschichte verlief jedoch nicht durchgehend gleichförmig: In wärmeren Klimaphasen zog sich der Eisrand zurück, während er in kälteren Phasen weiter vorrückte. Die erhaltene Landschaft dokumentiert, dass diese Schwankungen den untersuchten Hochlandbereich über sehr lange Zeit nicht stark genug veränderten, um seine Grundform auszulöschen.
Für die Erhaltung ist entscheidend, wie warm oder kalt das Eis direkt am Gesteinsuntergrund ist. Bei warmem, gleitfähigem Eis kann Wasser am Boden entstehen und das Eis über den Fels bewegen. Gesteinsbruchstücke wirken dann wie Schleifmittel, während Schmelzwasser Sedimente abtransportiert. Solche Prozesse können Täler vertiefen, Bergrücken abtragen und eine ältere Landschaft innerhalb geologischer Zeiträume stark verändern.
Kaltes, am Untergrund festgefrorenes Eis bewegt sich dagegen nur langsam über das Gestein. Es verursacht deutlich weniger Abrieb und kann vorhandene Formen über lange Zeit konservieren. Die Messungen und Modellvergleiche sprechen dafür, dass über den Hochlandblöcken seit ihrer letzten größeren Überformung überwiegend solche kalten Bedingungen herrschten. Die heutige Eisbewegung über den Blöcken ist zudem langsam und folgt nicht den alten Tälern.
Die breiten Tröge zwischen den Hochländern könnten eine zusätzliche Rolle gespielt haben. Nach dem Szenario der Autoren floss wärmeres und stärker erodierendes Eis bevorzugt durch die tiefer gelegenen Rinnen. Dadurch wurden die Täler zwischen den Hochlandblöcken weiter ausgeräumt, während sich über den höher gelegenen Bereichen kaltes Eis hielt. Die Landschaft blieb so in drei Teilen erhalten, obwohl die Umgebung von großen Eisströmen geprägt wurde.
Dieses Zusammenspiel erklärt, warum eine alte Flusslandschaft unter einem mächtigen Eisschild überdauern konnte. Das Eis muss nicht überall gleich wirken: Temperatur, Fließgeschwindigkeit und Untergrundrelief können sich schon über vergleichsweise kurze Entfernungen unterscheiden. Die Studie zeigt damit, dass ein kontinentaler Eisschild nicht automatisch jede ältere Geländeform unter sich einebnet. Entscheidend ist, ob der Untergrund über lange Zeit von schmelzendem und schleifendem Eis erreicht wird.
Die erhaltenen Täler geben Hinweise darauf, wie weit sich der Ostantarktische Eisschild in früheren Warmzeiten zurückgezogen hat. Wäre das Eis in der Region vollständig verschwunden und hätten sich dort unabhängige lokale Eiskappen gebildet, hätten diese wahrscheinlich ein eigenes, vom Hochland nach außen gerichtetes Talnetz geschaffen. Ein solches Muster erkennen die Forscher nicht. Stattdessen passt die vorhandene Struktur besser zu einer Landschaft, die seit Millionen Jahren unter einem stabilen, kalten Eisschild liegt.
Die Autoren folgern daraus, dass sich der Eisrand während wärmerer Phasen vermutlich nicht weit genug landeinwärts zurückzog, um die Hochlandblöcke dauerhaft freizulegen. Diese Aussage betrifft den untersuchten Bereich und lässt andere Abschnitte der Antarktis ausdrücklich offen. Der Eisrand kann sich an der Küste und in weiter außen gelegenen Becken verändert haben, ohne dass die verborgene Landschaft im Inneren stark erodiert wurde.
Für die Klimaforschung ist das wichtig, weil die Form des Untergrunds den Weg des Eises beeinflusst. Tiefe Becken können Eisströme bündeln und den Abfluss in Richtung Meer erleichtern. Erhebungen und Rücken können die Bewegung bremsen oder umlenken. Eine Karte der Antarktis ohne Eisschicht macht sichtbar, wie stark sich die verborgene Topografie von der heutigen weißen Oberfläche unterscheidet.
Der Fund liegt außerdem in einem Teil Ostantarktikas, dessen Eisbecken für die langfristige Stabilität des Eisschilds bedeutsam sind. Die Aurora- und Schmidt-Becken enthalten große Mengen Eis und reagieren in Modellen auf Veränderungen des Klimas und des Ozeans. Die neue Landschaft liefert einen geologischen Bezugspunkt, mit dem sich solche Modelle prüfen lassen. Sie ersetzt keine direkte Beobachtung heutiger Veränderungen, ergänzt aber die Informationen aus Eisbohrkernen, Sedimenten und Satellitenmessungen.
Andere antarktische Eisströme zeigen, wie wichtig die Verbindung zwischen Untergrund und Eisbewegung ist. Der Thwaites-Gletscher in der Westantarktis hat sich während früherer Warmzeiten weit ins Landesinnere zurückgezogen, wie Sedimentdaten belegen. Dieser Befund betrifft eine andere Region und andere geologische Prozesse, verdeutlicht aber, weshalb Forschende die Form des Gesteinsbodens und die Geschichte der Eisschilde gemeinsam untersuchen. Die wiederholten Rückzüge des Thwaites-Gletschers zeigen, dass selbst große Eisströme auf frühere Warmphasen reagierten.
Die Forschenden schlagen vor, die Region künftig gezielt mit weiteren Radarflügen zu vermessen. Dichtere Messlinien könnten die Form einzelner Täler und möglicher Gletscherkessel genauer erfassen. Besonders interessant wären Bohrungen bis zum Gesteinsuntergrund, weil sie Sedimente oder Felsproben direkt zugänglich machen könnten. Solche Proben würden helfen, die Entstehung und letzte Überformung der Landschaft zeitlich besser einzuordnen.
Auch Sedimente unter dem Eis könnten Hinweise auf frühere Umweltbedingungen enthalten. Ihre Zusammensetzung könnte zeigen, ob Flüsse, lokale Gletscher oder größere Eisströme das Material transportierten. Eine direkte Probe wäre allerdings technisch anspruchsvoll, weil die Landschaft unter einer mächtigen Eisschicht liegt und die Bohrstelle in einem abgelegenen Teil der Ostantarktis liegt. Bis solche Daten vorliegen, bleibt die Altersbestimmung eine geologische Rekonstruktion aus Topografie, Eisfluss und Klimamodellen.
Die Untersuchung macht zugleich deutlich, wie lückenhaft das Wissen über den antarktischen Untergrund weiterhin ist. Satelliten können zwar die Oberfläche des Eises flächendeckend erfassen, doch daraus lässt sich die Geologie darunter nur indirekt ableiten. Flugzeugradar liefert präzisere Tiefeninformationen, deckt aber meist nur Korridore entlang der Flugrouten ab. Die Kombination beider Verfahren kann deshalb Landschaften sichtbar machen, die weder auf gewöhnlichen Luftbildern noch auf Karten der Eisoberfläche zu erkennen wären.
Highland A ist damit ein ungewöhnlich gut erhaltenes Archiv der Landschaftsentwicklung Ostantarktikas. Die Flüsse formten das Gelände, lokale Gletscher veränderten es später, und kaltes Eis konservierte große Teile seiner Struktur. Wie alt die ursprüngliche Oberfläche genau ist, bleibt offen. Sicher ist nach den Messungen, dass ihre letzten größeren erosiven Veränderungen viele Millionen Jahre zurückliegen.
Jamieson, S. S. R. et al., An ancient river landscape preserved beneath the East Antarctic Ice Sheet; Nature Communications 14, 6507; doi:10.1038/s41467-023-42152-2
Newcastle University, Ancient landscape discovered beneath East Antarctic Ice Sheet
NASA, Denman Glacier in East Antarctica
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