Die Vostok-Eiskernbohrungen: 420'000 Jahre Klimageschichte aus der Tiefe der Antarktis

Wie ein 3'623 Meter tiefer Eiskern das Zusammenspiel von CO₂ und Temperatur enthüllte.

Tief im Inneren der Ostantarktis, an einem der kältesten Orte der Erde, liegt die russische Forschungsstation Wostok. Hier wurde im Jahr 1983 die tiefste jemals gemessene natürliche Temperatur registriert: −89,2 °C. Doch nicht die extreme Kälte macht diesen Ort so bedeutend für die Wissenschaft, sondern das, was unter der mächtigen Eisdecke verborgen liegt: ein Klimaarchiv von beispielloser Reichweite. Über Jahrzehnte hinweg haben russische, französische und amerikanische Forschungsteams an der Wostok-Station in das antarktische Eis gebohrt und dabei einen Eiskern geborgen, der die Klimageschichte der letzten 420'000 Jahre in sich trägt – Schicht für Schicht, eingefroren in Zeit.

Für das Verständnis dessen, was heute mit unserem Planeten geschieht, sind die Erkenntnisse aus diesem Eiskern von fundamentaler Bedeutung. Sie zeigen eine enge Kopplung zwischen CO₂-Konzentrationen und Temperaturen über Hunderttausende von Jahren – und sie machen sichtbar, dass die heutigen CO₂-Werte in der Atmosphäre alles übertreffen, was in diesem Archiv je gemessen wurde.

Die Station und das Eis

Wostok Station 2024, Wikipedia cc: Arctic and Antarctic Research Institute

Die Wostok-Station wurde am 16. Dezember 1957 während des Internationalen Geophysikalischen Jahres von der Sowjetunion gegründet. Sie befindet sich auf 78°28' Süd, 106°48' Ost, auf einer Höhe von 3'488 Metern über dem Meeresspiegel – mitten auf dem ostantarktischen Eisschild, einem der grössten zusammenhängenden Eiskörper der Erde.

Der Standort ist aus mehreren Gründen ideal für Eiskernforschung. Erstens befindet sich hier eine der dicksten Stellen des ostantarktischen Eisschildes – über vier Kilometer mächtig. Zweitens ist das Eis hier verhältnismässig ungestört: Es gibt kaum Eisströmungen, die die Schichtung durcheinanderbringen könnten, und die Bedingungen sind stabil genug, dass die Jahresschichten über Hunderttausende von Jahren erhalten bleiben. Drittens liegt unter dem gesamten Eisschild der Wostok-See – ein riesiger subglazialer Süsswassersee von der Grösse des Ontariosees, der seit mindestens 15 Millionen Jahren vom Rest der Erdoberfläche isoliert ist.

Die Geschichte der Bohrungen

Die Eiskernbohrungen an der Wostok-Station gehören zu den ambitioniertesten wissenschaftlichen Unternehmungen in der Geschichte der Polarforschung. Begonnen in den 1970er-Jahren, erstreckten sie sich über mehrere Jahrzehnte und überwanden technische Herausforderungen, die unter den extremen klimatischen Bedingungen immens waren.

1970 – Beginn der ersten Tiefbohrung an der Wostok-Station. Der Bohrkern erreicht eine Tiefe von 506,9 Metern.

1970er–1980er – Mehrere aufeinanderfolgende Bohrkerne werden entnommen. Wostok 3 erreicht 1985 eine Tiefe von 2'202 Metern und ist der erste Kern, der Eis aus der vorletzten Eiszeit – vor rund 150'000 Jahren – enthält. Ein Feuer an der Station unterbricht 1982 die Arbeiten vorübergehend.

1990 – Eine neue, noch tiefere Bohrung (Bohrloch 5G) wird begonnen. Es ist ein Gemeinschaftsprojekt zwischen Russland, Frankreich und den USA.

Januar 1998 – Historischer Meilenstein: Der Eiskern erreicht 3'623 Meter Tiefe. Es ist der zu diesem Zeitpunkt tiefste jemals gewonnene Eiskern. Die Bohrung wird rund 130 Meter über dem Wostok-See gestoppt, um eine Kontamination des unterirdischen Gewässers zu vermeiden.

1999 – Jean-Robert Petit und ein internationales Team publizieren die bahnbrechende Studie in Nature, die 420'000 Jahre Klimageschichte aus dem Eiskern rekonstruiert – vier vollständige glaziale Zyklen.

2012 – Russische Wissenschaftler durchdringen das letzte Eis in einer Tiefe von 3'769,3 Metern und erreichen erstmals die Oberfläche des subglazialen Wostok-Sees. Das unter hohem Druck stehende Seewasser schiesst in das Bohrloch hoch und gefriert – und versiegelt so den Zugang.

Wie das Eis sein Geheimnis preisgibt

Ein Eiskern ist weit mehr als gefrorenes Wasser. Er ist ein physisches Archiv der Erdatmosphäre. Jedes Jahr legen sich neue Schneeschichten auf die vorherigen. Unter dem Gewicht des darüber liegenden Schnees verdichtet sich das Material zunächst zu Firn und schliesslich zu Eis. In diesem Prozess werden winzige Luftblasen eingeschlossen – «fossile Luft», die ein direktes Abbild der damaligen Atmosphäre darstellt.

Durch die Analyse dieser Luftblasen können Wissenschaftler die Konzentrationen von Treibhausgasen wie CO₂ und Methan (CH₄) bestimmen. Die Temperatur wird indirekt über die Messung von Deuterium-Isotopen (δD) im Eis rekonstruiert. Das Prinzip beruht darauf, dass schwerere Wassermoleküle bei wärmeren Temperaturen leichter verdunsten und so in den Niederschlag gelangen. Das Verhältnis von schwerem zu leichtem Wasser im Eis ist somit ein zuverlässiger Temperaturspiegel.

Gut zu wissen: Die Luftblasen schliessen sich nicht an der Eisoberfläche, sondern erst in einer Tiefe von rund 90 Metern, wo der Firn zu impermeablem Eis wird. Deshalb ist die eingeschlossene Luft jünger als das umgebende Eis – der Altersunterschied kann in kalten Perioden bis zu 6'000 Jahre betragen.

Zusätzlich liefert der Eiskern Informationen über Vulkanausbrüche (durch Asche- und Säureschichten), kosmische Strahlung (über Beryllium-10-Isotope), Staubkonzentrationen, die auf Trockenheit und Windverhältnisse hindeuten, sowie über biologische Aktivität in der Vergangenheit.

Die grossen Erkenntnisse

Die 1999 in Nature veröffentlichte Studie von Petit et al. war ein wissenschaftlicher Paukenschlag. Zum ersten Mal lag ein lückenloser Klimarekord vor, der vier vollständige Zyklen von Eis- und Warmzeiten umfasste – jeweils rund 100'000 Jahre lang. Die Ergebnisse waren so klar wie faszinierend.

Die Bandbreite der natürlichen Schwankungen: Über 420'000 Jahre hinweg schwankte die CO₂-Konzentration zwischen rund 180 ppm in den Eiszeiten und etwa 280 ppm in den Warmzeiten, mit einem absoluten Maximum von rund 300 ppm vor etwa 323'000 Jahren. Die Temperaturen an der Wostok-Station lagen in den Eiszeiten 8–10 °C tiefer als in den Warmzeiten. Diese Bandbreite wurde in der gesamten Messreihe nie verlassen. Der heutige Wert von über 425 ppm (Stand 2025) ist darin beispiellos.

Die Rhythmen der Eiszeiten: Die regelmässig wiederkehrenden Zyklen bestätigten die Milanković-Theorie: Leichte Veränderungen in der Erdumlaufbahn und der Neigung der Erdachse beeinflussen die Sonneneinstrahlung auf der Nordhalbkugel und lösen den Wechsel zwischen Eis- und Warmzeiten aus. Dies ist in der Wissenschaft weitgehend unbestritten – die orbitalen Zyklen sind der primäre Taktgeber des Klimas.

Methan und CO₂ – ähnlich, aber nicht gleich: Sowohl CO₂ als auch Methan (CH₄) schwanken im Takt der Klimazyklen. Auffällig ist jedoch, wie der Geologe Euan Mearns (2014) detailliert herausarbeitete, dass Methan und Temperatur extrem eng korreliert sind und praktisch ohne zeitliche Verzögerung gemeinsam schwanken, während CO₂ ein komplexeres, teilweise entkoppeltes Verhalten zeigt. Petit et al. bemerkten diese Unterschiede bereits 1999, diskutierten sie jedoch nicht im Detail.

CO₂ und Temperatur: Wer führt, wer folgt?

Die zeitliche Beziehung zwischen CO₂ und Temperatur im Wostok-Eiskern ist eine der am intensivsten diskutierten Fragen der Paläoklimatologie. Die Antwort ist differenzierter, als es auf den ersten Blick scheint - und sie hängt davon ab, ob man die Erwärmungs- oder die Abkühlungsphasen betrachtet.

Beim Einsetzen der Vergletscherungen (Abkühlung): Hier ist der Befund eindeutig und in der Wissenschaft unbestritten. Petit et al. (1999) hielten in ihrer Originalstudie fest, dass beim Einsetzen der Vergletscherungen das CO₂ der Temperatur um mehrere Tausend Jahre hinterherhinkt. Die Temperatur sinkt zuerst auf glaziale Werte, während das CO₂ noch lange auf hohem Niveau verharrt. Mearns (2014, 2017) quantifizierte diese Verzögerung im Detail: Beim Übergang vom Eemian-Interglazial in die letzte grosse Vereisung betrug der Rückstand des CO₂ gegenüber der Temperatur rund 8'000 Jahre, bei einer genaueren Analyse sogar über 14'000 Jahre. Volle glaziale Bedingungen traten ein, ohne dass sinkendes CO₂ als klimatische Antriebskraft dazu beigetragen hätte. Dieses Faktum ist schwer mit der Vorstellung vereinbar, dass CO₂ bei den natürlichen Zyklen ein dominanter Verstärker der Abkühlung gewesen sei.

Bei den Terminationen (Erwärmung): Hier ist die Sachlage komplexer und wird in der Wissenschaft unterschiedlich interpretiert.

Die frühere Forschung fand eine klare Verzögerung: Fischer et al. (1999) bestimmten die Verzögerung des CO₂-Anstiegs gegenüber der Temperatur auf 400 bis 1'000 Jahre bei den letzten drei Terminationen. Caillon et al. (2003) massen am Wostok-Kern mittels Argon-Isotopen die zeitliche Abfolge bei Termination III (~240'000 Jahre vor heute) und fanden, dass der CO₂-Anstieg der antarktischen Erwärmung um 800 ± 200 Jahre nachhinkte. Mudelsee (2001) ermittelte über den gesamten 420'000-jährigen Rekord eine Verzögerung von 1'300 bis 5'000 Jahren.

Die neuere Forschung kommt zu einem anderen Schluss: Parrenin et al. (2013) erstellten eine verbesserte Altersskala auf Basis von fünf antarktischen Eiskernen und fanden bei der letzten Deglaziation keine signifikante zeitliche Verschiebung zwischen CO₂ und Temperatur – im Rahmen einer Genauigkeit von 90 bis 160 Jahren stiegen beide praktisch synchron. Auch Pedro et al. (2012) und Shakun et al. (2012) stützten diesen Befund. Die Diskrepanz zu den älteren Studien erklärt sich weitgehend durch Unsicherheiten in der Datierung: Da die Temperatur aus den Isotopen des Eises abgelesen wird und das CO₂ aus den Luftblasen, die erst in rund 90 Metern Tiefe eingeschlossen werden, besteht stets ein Altersunterschied zwischen Eis und Gas, der schwer präzise zu bestimmen ist.

Was ist also die Antwort? Die ehrliche Zusammenfassung lautet: Bei den Abkühlungsphasen hinkte das CO₂ der Temperatur klar und deutlich über Tausende von Jahren hinterher – das ist unbestritten. Bei den Erwärmungsphasen ist die Frage der zeitlichen Abfolge je nach Datierungsmethode und untersuchtem Zeitfenster umstritten: Die älteren Studien fanden eine Verzögerung von Hunderten bis rund tausend Jahren, die neueren Studien finden eine nahezu synchrone Entwicklung. Was niemand bestreitet: Die orbitalen Zyklen waren der primäre Auslöser der natürlichen Klimaschwankungen wie Beschrieben durch die Milankonic Zyklen. CO₂ war nicht der Anstoss – es war eine Folge der Temperaturveränderung (via Ausgasung aus wärmeren Ozeanen) und wirkte, zumindest nach der vorherrschenden wissenschaftlichen Interpretation, als Verstärker, der den anfänglichen orbitalen Impuls global verbreitete. Wie stark dieser Verstärkungseffekt war, wird in der Wissenschaft weiterhin diskutiert.

Die Botschaft für heute

Was bedeuten diese Erkenntnisse für die Gegenwart? Unabhängig davon, wie man die Verstärkerrolle des CO₂ in den natürlichen Zyklen bewertet, liefert der Wostok-Eiskern eine Aussage, die unbestritten ist: In 420'000 Jahren überstieg die CO₂-Konzentration niemals die Marke von etwa 300 ppm. Der vorindustrielle Wert lag bei rund 280 ppm – im Einklang mit den natürlichen Warmzeit-Werten.

Im Mai 2025 erreichte die atmosphärische CO₂-Konzentration am Mauna-Loa-Observatorium auf Hawaii einen neuen Rekordwert von 430,5 ppm. Der globale Jahresdurchschnitt für 2024 lag bei 422,8 ppm – rund 50 % über dem vorindustriellen Niveau. Diese Werte sind nicht nur beispiellos in den 420'000 Jahren des Wostok-Kerns, sondern übersteigen laut jüngsten Forschungen alles, was die Erde in den letzten 3,3 Millionen Jahren erlebt hat.

Die Geschwindigkeit des Anstiegs ist dabei ebenso bemerkenswert wie die absolute Höhe. Die natürlichen CO₂-Anstiege am Ende der Eiszeiten vollzogen sich über Jahrtausende – ob sie nun der Erwärmung um Jahrhunderte nachfolgten oder nahezu synchron abliefen. Der aktuelle Anstieg – von 280 auf über 425 ppm – hat sich in weniger als 200 Jahren vollzogen, also rund hundertmal schneller als jede natürliche Veränderung im Eiskernrekord.

Hier liegt der entscheidende Unterschied zur Vergangenheit: In den natürlichen Zyklen war das CO₂ eine Konsequenz der Temperaturveränderung – freigesetzt aus sich erwärmenden Ozeanen, gebunden in sich abkühlenden. Heute ist die Ursache eine andere. Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe haben wir Menschen das CO₂ eigenständig und massiv in die Atmosphäre gebracht – ohne einen orbitalen Anstoss, ohne eine vorangehende natürliche Erwärmung. Wir haben die Reihenfolge umgekehrt: Das CO₂ geht voran, in einer Geschwindigkeit und einem Ausmass, für die es im gesamten Eiskernrekord kein Gegenstück gibt. Wie das Klimasystem auf diesen beispiellosen Eingriff reagieren wird, können die Eiskerne allein nicht beantworten.

Und unter dem Eis: der Wostok-See

Die Bohrungen an der Wostok-Station führten noch zu einer zweiten, ganz anderen Entdeckung. Unter dem über vier Kilometer dicken Eisschild liegt der Wostok-See – ein riesiges Süsswassergewässer, das seit mindestens 15 Millionen Jahren von der Erdoberfläche isoliert ist. Der See erstreckt sich über eine Fläche von rund 12'500 Quadratkilometern und ist an seiner tiefsten Stelle über 900 Meter tief.

LEhAN (CC BY-SA 4.0)

Obwohl die Wassertemperatur bei etwa −3 °C liegt – also unter dem normalen Gefrierpunkt –, bleibt das Wasser flüssig, weil der enorme Druck des darüber liegenden Eises den Schmelzpunkt senkt und geothermische Wärme aus dem Erdinnern das Einfrieren verhindert. Als russische Wissenschaftler 2012 erstmals die Oberfläche des Sees durchstiessen, schoss das unter Druck stehende Wasser in das Bohrloch empor und gefror dort – ein natürlicher Verschluss.

Erste Analysen des Akkretion-Eises (Eis, das an der Unterseite des Eisschildes durch Gefrieren von Seewasser entstand) lieferten Hinweise auf Mikroorganismen. Die Frage, ob der Wostok-See ein eigenständiges, seit Millionen von Jahren isoliertes Ökosystem beherbergt, fasziniert die Wissenschaft bis heute – nicht zuletzt, weil die Bedingungen dort Parallelen zu den Ozeanen unter dem Eis der Jupiter-Monde aufweisen.

Was uns der Eiskern lehrt

Die Vostok-Eiskernbohrungen haben unser Verständnis des Erdklimas grundlegend verändert. Sie haben gezeigt, dass CO₂ und Temperatur über Hunderttausende von Jahren eng miteinander verknüpft waren – in einer Beziehung, deren genaue Dynamik die Wissenschaft noch immer beschäftigt. Dass die orbitalen Zyklen den Takt vorgaben, ist unbestritten. Wie stark das CO₂ als Verstärker wirkte, wird weiter erforscht. Was jedoch ausserhalb jeder Diskussion steht, ist die Tatsache, dass die heutigen CO₂-Werte alles sprengen, was der Eiskern in 420'000 Jahren zeigt.

Für mich, die wir auf www.glaciers.today die Veränderung der Schweizer Gletscher umfangreich in Echtzeit dokumentieren, schliesst sich hier ein Kreis. Die Wostok-Daten sind der grosse, historische Rahmen – die tiefe Zeit, in der sich das Zusammenspiel von CO₂, Temperatur und Eis über Hunderttausende von Jahren entfaltete. Unsere Kameraaufnahmen vom Pers- und Morteratschgletscher zeigen die Konsequenzen in der Gegenwart: den sichtbaren, messbaren Rückzug des Eises in einer Welt, deren atmosphärische CO₂-Konzentration in der gesamten Geschichte der Eiskerne ohne Beispiel ist.

Der Wostok-Eiskern ist ein einzigartiges Archiv – und eine Einladung, die Daten selbst zu studieren, die verschiedenen Interpretationen abzuwägen und die Tragweite dessen zu begreifen.

Quellen und weiterführende Literatur

Petit, J.R. et al. (1999). Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature, 399, 429–436. nature.com

Barnola, J.-M. et al. (1987). Vostok ice core provides 160,000-year record of atmospheric CO₂. Nature, 329, 408–414. cdiac.ess-dive.lbl.gov

Fischer, H. et al. (1999). Ice core records of atmospheric CO₂ around the last three glacial terminations. Science, 283, 1712–1714. science.org

Caillon, N. et al. (2003). Timing of atmospheric CO₂ and Antarctic temperature changes across Termination III. Science, 299, 1728–1731. science.org

Mudelsee, M. (2001). The phase relations among atmospheric CO₂ content, temperature and global ice volume over the past 420 ka. Quaternary Science Reviews, 20, 583–589. sciencedirect.com

Parrenin, F. et al. (2013). Synchronous change of atmospheric CO₂ and Antarctic temperature during the last deglacial warming. Science, 339, 1060–1063. science.org

Mearns, E. (2014). The Vostok Ice Core: Temperature, CO₂ and CH₄. Energy Matters, 12. Dezember 2014. euanmearns.com

Mearns, E. (2017). The Vostok Ice Core and the 14,000 Year CO₂ Time Lag. Energy Matters, 14. Juni 2017. euanmearns.com

Vasiliev, N.I. et al. (2007). Deep drilling at Vostok station, Antarctica: history and recent events. Annals of Glaciology, 47, 10–23. cambridge.org

NOAA Global Monitoring Laboratory – Trends in Atmospheric Carbon Dioxide. gml.noaa.gov

Scripps Institution of Oceanography – Keeling Curve. scripps.ucsd.edu

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CDIAC / ESS-DIVE – Historical CO₂ Record from the Vostok Ice Core. cdiac.ess-dive.lbl.gov