Klimageschichte aus Eisbohrkernen

Klimageschichte aus Eisbohrkernen

Im Unterseminar Geologie - Leitung: Gero Hillmer - Referent: Knud Rinas - SoSe 2000 - 29.05.2000

"Kommenden Generationen wird noch ausreichend Ruhm und Arbeit vorbehalten sein, aber ein Anfang liegt doch nunmehr im Bereich naher Möglichkeit, und mit Sicherheit lässt sich behaupten, dass das antarktische Problem im Verlauf des 20. Jahrhunderts nicht mehr von der wissenschaftlichen Tagesordnung, auf die es von dem 19. Jahrhundert gesetzt worden ist, verschwinden werde."

Aus: G ü nther,S. (1900): Was ist auf der Erde noch unerforscht?

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gliederung:

1. Einleitung:
a. Die Bedeutung der polaren Eisoberflächen für unser heutiges Klima
b. Rechtfertigt die Erforschung natürlicher Klimavariationen Forschung in Polargebieten?

2. Die polaren Eismassen als Klimaarchiv
a. Warum dienen Eismassen als Klimaarchiv?
b. Wie lässt sich das Klima zu einer bestimmten Zeit bestimmen?
c. Welche Fehlerquellen gibt es?

3. Auswahl eines geeigneten Messgebiets

4. Die Herstellung eines Eisbohrkerns

5. Wie sieht das Klima der letzten Jahrtausende aus?

6. Welche Schlüsse erlauben uns Daten aus Eisbohrkernen für die Zukunft?

7. Literatur

1. Einleitung:

a. Die Bedeutung der polaren Eismassen für unser heutiges Klima:

Die Erdoberfläche ist zu rund 10% mit Eis bedeckt. Die größten Vorkommen sind hierbei in der Antarktis und auf Grönland. Die Ausdehnung dieser beiden Gebiete beträgt über 16 Mio. km ² was einem Anteil von 97% der gesamten Eisoberfläche entspricht. In den polaren Eismassen ist der größte Teil des Süßwassers unserer Erde gespeichert, zudem haben sie für unser Klima eine entscheidende Bedeutung.

Die schnee- und eisbedeckten Gebiete zeichnen sich vor allem durch ein hohes Rückstrahlungsvermögen (Albedo) aus, womit sie einen wichtigen Beitrag zur globalen Wärmebilanz leisten. Zudem dienen sie als "Kühlschrank" der Atmosphäre, was vor allem im Nordatlantik zum Tragen kommt, wo nordwärts fließende Wassermassen soweit abgekühlt werden, bis sie schwerer werden als die darunter liegenden Wasserkörper. Die oberflächennahen Wassermassen sinken ab und bilden so den Motor für die globale Meereszirkulation, welche letzten Endes für das gemäßigte Klima Europas verantwortlich ist.

Die Erforschung dieser Gebiete ist auf Grund der extremen klimatischen Bedingungen jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden. Zudem sind kommerzielle elektronische Geräte meist nur bedingt einsetzbar, so dass spezielle Instrumente für die Forschungsvorhaben angefertigt werden müssen. Dieses führt dazu, dass wissenschaftliches Arbeiten in den polaren Gebieten auch immer mit immensen Kosten verbunden ist.

b. Rechtfertigt die Erforschung natürlicher Klimavariationen Forschung in Polargebieten?

Bei den hohen Kosten, die bei polarer Forschungstätigkeit anfallen stellt sich verständlicherweise schnell die "Kosten-Nutzen-Frage". Jedoch sollte uns auch klar sein, dass es klimatologische Aufzeichnungen erst seit rund 150 Jahren, einem Zeitraum der einem klimatologischen Augenzwinkern entspricht, gibt. Um Vorraussagen über unser zukünftiges Klima machen zu können, müssen wir jedoch zunächst einmal wissen, wie das Klima in der Vergangenheit beschaffen war und wie es auf Änderungen bestimmter Parameter reagiert hat. Um dieses in Erfahrung zu bringen gibt es nur wenige Möglichkeiten. Eine davon sind die Untersuchungen von Eisbohrkernen aus den polaren Eisgebieten, die uns Aufschlüsse über die Entwicklung des Klimas von mehr als den letzten 100.000 Jahren liefern können. Insbesondere ist es wichtig, dass wir die natürlichen Klimavariabilitäten von anthropogen verursachten Klimaänderungen unterscheiden können, um Art, Dauer, Dynamik und Wahrscheinlichkeit zukünftiger Klimaänderungen abschätzen zu können.

2. Die polaren Eismassen als Klimaarchiv:

a. Warum dienen Eismassen als Klimaarchiv?

Nur in den polaren Gebieten können wir davon ausgehen das es auch im Sommer nicht zu einer Eis- und Schneeschmelze kommt, wie in den gemäßigten Breiten. Dies hat zur Folge, dass der neu gefallene Schnee sich stets über den zuvor gefallenen Schnee ausbreitet und dort vor allem auch bleibt. Somit liegt in den polaren Gebieten eine vertikale Schichtung vor, die mit zunehmender Tiefe immer älter wird. Ein so entstandenes "Eisschild" lässt sich in verschiedene Zonen einteilen. In den oberen Lagen liegt der Schnee der letzten Jahre vor. Mit zunehmender Tiefe wird der Druck durch die oberen Schichten jedoch immer größer, so dass der Schnee zusammen gepresst wird, es entsteht der sogenannte Firnschnee. Sowohl der neu gefallene als auch der Firnschnee enthalten noch hohe Anteile an Luft, die der Atmosphäre des jeweiligen Jahres "entzogen" wurde. Unter dem größer werdenden Druck wird jedoch auch der Firnschnee immer weiter komprimiert, so dass Eis entsteht. Die Grenze dieser beiden Schichten - in der die Luftblasen kompaktiert werden - liegt bei einer Tiefe von ungefähr 70m.

Die Unterschiede zwischen den einzelnen Jahren kommen dadurch zustande, dass die Größe der Eiskristalle in Sommer und Winter unterschiedlich ist. Im Sommer sind die Eiskristalle deutlich größer als im Winter, so dass man eine Art "Baumringe" im Eis erhält, die über das Alter Aufschluss geben. Außerdem sind die Staubkonzentrationen durch die erhöhte Windaktivität im Frühling und Herbst meist deutlich höher, was durch Laserstreuung nachgewiesen werden kann. Mit zunehmender Tiefe wird die exakte Bestimmung des Alters durch den hohen Druck und die dadurch entstehende große Komprimierung des Eises jedoch schwerer, da die optischen Methoden, die bei der Bestimmung der Eiskristallgröße benutzt werden, versagen.

b. Wie lässt sich das Klima zu einer bestimmten Zeit bestimmen?

Die wichtigste Komponente bei der Temperaturbestimmung ist das Isotopenverhältnis von O16 zu O18 im Eis. Man geht momentan davon aus, dass es ein konstantes Verhältnis dieser Isotope im Ozean gibt. Da Wasser, welches aus O18 besteht schwerer ist, hat es einen niedrigeren Dampfdruck und verdunstet langsamer als Wasser welches aus O16 besteht. Da der Dampfdruck von der Temperatur abhängig ist, erlaubt das Verhältnis der beiden Isotope im Eis Rückschlüsse darauf, bei welcher Temperatur das Wasser, aus dem das Eis gebildet wurde, verdunstet, bzw. kondensiert ist.

Die zweite Möglichkeit der Temperaturbestimmung ist schlicht und ergreifend das Temperaturprofil der Eisdecke zu messen. So ist das in einer Kaltzeit entstandene Gletschereis in 1-2 Kilometer Tiefe auch heute noch kälter als das an der Oberfläche. Nichts desto trotz ist diese Methode sehr ungenau, da es innerhalb des Gletschers zu molekularer Wärmeleitung kommt. Diese ist im Eis zwar sehr gering, spielt aufgrund des langen Zeitraums jedoch schon eine beeinträchtigende Rolle. Beide Meßmethoden liefern jedoch übereinstimmende Ergebnisse. So lässt sich erkennen, dass die Durchschnittstemperaturen in Grönland während der letzten Eiszeit noch etwa 20K unter den heutigen Temperaturen lagen. Eine dritte Möglichkeit der Temperaturbestimmung ist die Größe, die Form und die Orientierung der Eiskristalle zu betrachten, was Aufschlüsse darüber gibt, bei welcher Temperatur sie gebildet wurden.

Durch die Dicke der Jahreslagen lässt sich (nach Korrekturen des Drucks sowie der Verformung durch Fließen) die Niederschlagsmenge zu der jeweiligen Zeit abschätzen. Die Auswertung der Eisbohrkerne ergab hierbei, dass es während der letzten Eiszeit etwa vier- bis fünfmal weniger regnete als dies heute der Fall ist.

Staubteilchen im Eis geben weitere Aufschlüsse über das Klima. So ist die Häufung großer Staubteile ein eindeutiges Indiz für höhere Windgeschwindigkeiten und größere Sturmaktivität, da die Staubteile nur so über weite Strecken transportiert werden können. Selbst Änderungen der atmosphärischen Strömungen lassen sich rekonstruieren, indem man den Herkunftsort der eingewehten Materialien bestimmt, was bei bestimmten Materialien der Fall ist. So lassen sich auch Ascheteilchen bestimmten Vulkanausbrüchen zuordnen. Auf Vulkanausbrüche deuten auch erhöhte Säure- und Amoniumgehalte im Eis hin, die sich mit Hilfe der Dielektrizitätskonstante und somit der elektrischen Leitfähigkeit messen lassen. Außerdem sind Säure- und Amoniumgehalte ein Indikator für Waldbrände und treten auch in anderen "Klimaarchiven" wie Tiefseesedimenten und Baumringen auf, so dass sich diese miteinander vergleichen lassen.

Weitere Spurenstoffe die Aufschluss über das vorzeitliche Klima liefern sind von Meeresalgen erzeugte gasförmige Substanzen, die auf Veränderungen in den Lebensbedingungen der Algen hinweisen. Auch radioaktive Isotope sind wichtige Indikatoren, die bei der Bestimmung der kosmischen Strahlung eine Rolle spielen. Da auch die Luft der Atmosphäre in kleinen Luftblasen gespeichert wurde, lassen sich auch die Konzentrationen der natürlichen Treibhausgase bestimmen. So stieg der Kohlendioxidgehalt beim Übergang von einer Kalt- zu einer Warmzeit um 50% und der Methangehalt sogar um 75%. Diese Erkenntnis ist in sofern interessant als das der Anstieg von Kohlendioxid durch anthropogene Einflüsse bereits 30% beträgt und der Gehalt von Methan sogar um 160% gestiegen ist. Die Gaseinschlüsse können auch dazu verwendet werden die Eisbohrkerne beider Polregionen miteinander zu vergleichen und in eine zeitliche Übereinstimmung vorzunehmen, da davon auszugehen ist das durch die großräumigen Luftbewegungen die Zusammensetzung der Atmosphäre an jedem Ort der Erde gleich ist. Da dies jedoch erst in der jüngsten Vergangenheit geschieht, gibt es hierzu noch keine detaillierten Forschungsergebnisse. Jedoch gibt es erste Hinweise die darauf hindeuten, dass bei einer arktischen Eiszeit umgekehrt eine Erwärmung der Antarktis erfolgte. Eine mögliche Theorie hierfür wäre ein Ausfall der globalen Meeresströmung (Thermohaline Zirkulation).

c. Welche Fehlerquellen gibt es?

Wie überall in der Wissenschaft sind natürlich auch Forschungsergebnisse aus Eisbohrkernen mit Fehlern behaftet. So handelt es sich bei Eisbohrkernen nur um punktuelle Messungen, die nur bedingt Aufschluss über das globale Klima geben können. Auch die Alters- und Temperaturbestimmung durch das Isotopenverhältnis von O16 zu O18 ist nicht fehlerfrei, da mit zunehmender Tiefe auch Diffusion eine Rolle spielt und so das Isotopenverhältnis immer mehr verwischt wird. Zudem ist bisher nicht vollkommen nachgewiesen, dass das Isotopenverhältnis von O16 zu O18 im Ozean tatsächlich konstant ist und das die Quellgebiete für die Feuchte auf dem Gletscher immer die gleichen sind. Die "Chronologie der Schichten" kann zudem durch Scherung - die Scherungskräfte innerhalb eines Gletschers sind enorm - und Fließbewegungen durcheinander gebracht werden. Diese Effekte sind vor allem in Nähe des Erdbodens von großer Bedeutung, da die Bodentopographie hier einen größeren Einfluss besitzt.

3. Auswahl eines geeigneten Messgebiets:

Besonders wichtig ist es natürlich auch ein geeignetes Messgebiet zu finden. Nicht jeder Gletscher eignet sich für die Klimaforschung. Wie vorher bereits erwähnt, ist es wichtig, dass der Gletscher während der Sommermonate nicht abtaut, da sonst die Spuren der einzelnen Jahre verwischt würden. Ein Alpengletscher eignet sich also für die Klimaforschung nicht. Zudem ist es wichtig, dass keine direkten anthropogenen Einflüsse vorliegen, die die Daten verfälschen könnten. Solche Gebiete sind heute praktisch nur noch an den Polen zu finden, da an fast allen anderen Orten auf der Erdoberfläche die Natur nicht mehr so unberührt ist, wie sie es für die Forschung sein müsste.

Für Eisbohrkerne kommen also nur die Gebiete der Arktis und Antarktis in Frage. Aber auch dort muss man noch genauere Untersuchungen vornehmen, bevor man mit den Bohrungen beginnt. Insbesondere ist es wichtig die Bodentopographie mit zu berücksichtigen. Da der Gletscher immer in Bewegung ist und in Richtung Küste "abfließt" bilden sich an Unebenheiten des Bodens Falten und mitunter können somit auch ganze Jahrhunderte (die in großen Tiefen nur noch einer wenige Zentimeter dicken Eisschicht entsprechen) einfach ausgelöscht werden. Ideale Bedingungen für eine Eisbohrung wären also erreicht wenn man in einem weiten Umkreis ein ebenes Relief hätte. Weiterhin ist es sinnvoll, sich bei der Suche nach einem geeigneten Bohrort, davon zu überzeugen, dass die Fließbewegungen des Eises möglichst gering sind. Auf Grund der großen Scherungskräfte innerhalb eines Gletschers können die Fließbewegungen (die an der Grönländischen Küste bis zu 1km/h betragen) auch Einfluss auf die Schichtung des Eises nehmen. Betrachten wir Grönland, so nimmt die Geschwindigkeit von der Mitte her zu den Küsten zu. Es wäre also sinnvoll eine Bohrung direkt auf dem Scheitelpunkt des Gletschers, dem Summit (engl.: Gipfel),anzusetzen, da hier am ehesten von einer stabilen und statischen Schichtung des Eises ausgegangen werden kann (siehe Abbildung 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Modell eines Eisschildes - Die Akkumulation (Schneezutrag) wird bei einem Gletscher im station ä ren Zustand durch Ablation (Eisbergkalben, Schmelzung) ausgeglichen.

Aus: Berichte zur Polarforschung 336

Tatsächlich wird dies bei den grönländischen Eisbohrungen auch so gehandhabt. In den Jahren 1989-1993 wurden zwei Eisbohrungen im Abstand von 28km durchgeführt. Dies war zum einen die europäische Bohrung GRIP (Greenland Ice Core Project) und die amerikanische Bohrung GISP2 (Greenland Ice Sheet Project 2). Beide Bohrungen lieferten bis in 2700m (bei einer Bohrtiefe von 3029m bzw. 3053m) übereinstimmende Ergebnisse. Erst danach wurden Einflüsse der Bodentopographie wirksam. Seit 1997 sind europäische Wissenschaftler etwa 300 km nördlich der beiden letzten Bohrungen damit beschäftigt einen neuen Eisbohrkern im Rahmen des NGRIP (North Greenland Ice Core Project) zu erstellen. Hierzu wurde die Bodentopographie 1995 mit Aufklärungsflugzeugen und Satelliten vermessen, so dass man annimmt, dass der Boden auf einer Fläche von 50kmx50km nahezu eben ist. Da die Akkumulationsrate (also die jährliche Niederschlagsmenge) hier niedriger liegt als im vorigen Untersuchungsgebiet wird zudem vermutet, dass man noch ältere Eisschichten vorfindet. Somit kann also auch die angenommene jährliche Akkumulationsrate einen Einfluss auf die Auswahl des Bohrorts haben.

4. Die Herstellung eines Eisbohrkerns:

Man mag sich zunächst über den vierjährigen Zeitraum wundern, der benötigt wurde um einen kompletten Eisbohrkern mit einer Gesamtlänge von über 3000m zu erhalten. Man muss allerdings bedenken, dass das Arbeiten im grönländischen Binnenland wegen der extremen Witterungsbedingungen nur etwa 3 Monate im Jahr möglich ist. Zudem wurden bei GRIP Bohrkerne von jeweils 2m Länge und bei GISP2 von 6m Länge entnommen, so dass insbesondere gegen Ende des Projekts die Entnahme eines Bohrkerns aufgrund der großen Tiefe sehr lange dauerte. Für die Bohrungen wurden spezielle Bohrer entwickelt, die an der Innenseite mit Wiederhaken versehen sind, so dass der Bohrkern nach dem Schneiden nicht zurückrutschen kann. Das Bohrloch selbst wird dann mit einer Flüssigkeit gefüllt die das Kollabieren des Bohrlochs verhindert. Sofort nach der Entnahme des Bohrkerns wird mit den ersten Untersuchungen von besonders flüchtigen Stoffen begonnen. Der Bohrkern selbst muss natürlich kühl gelagert werden um ein Schmelzen zu vermeiden. Bei Bohrkernen aus größeren Tiefen muss außerdem darauf geachtet werden, dass sie unter dem plötzlich verhältnismäßig geringen Druck nicht zerbersten.

5. Wie sieht das Klima der letzten Jahrtausende aus?

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Quelle: http://www.gfz-potsdam.de/pb3/pb33/kihzhome/kihz01/

Die oberen Eisschichten bestätigen in erster Linie die Ergebnisse, die man aus bisheriger geologischer Forschung sowie geschichtlichen Ereignissen erhalten hat. Die angenommenen Klimaschwankungen des Holozän finden sich im Eisbohrkern bestätigt. Die jüngsten Wärmeperioden sind hierbei das römische Klimaoptimum als das Römische Reich seine größte Ausdehnung erreichte und Hannibal sogar mit Elefanten die Alpen überquerte, was auf eine geringe Vergletscherung schließen lässt sowie die mittelalterliche Wärmeperiode im Zeitraum von 900 - 1300 n.Chr. als in England Wein angebaut wurde und die Wikinger Grönland besiedelten.

Zu den Kältephasen gehören das "Völkerwanderungspessimum" nach dem Zusammenbruch des Römischen Reiches sowie die "kleine Eiszeit" von 1500 - 1800 (Abbildung 2).

Bereits in den zwanziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts stellte der serbische Astronom Milutin Milankovic die Vermutung auf, dass die Sonneneinstrahlung rhythmische Schwankungen mit Perioden von 20.000, 40.000 und 100.000Jahren aufweist. Jedoch konnte diese Theorie nie wirklich bewiesen werden. Das grönländische Inlandeis weist nun auf höhere Temperaturen vor 103.000, 82.000, 60.000, 35.000 und 10.000 Jahren hin. Dieses entspricht in etwa dem 20.000 Jahre dauernden Präzessionszyklus der Erde.

Doch das Grönlandeis bietet uns auch allerlei Überraschungen. So traten vor 100.000 und 20.000 Jahren ca. zwei Dutzend sogenannter Interstadiale auf. Hierunter versteht man eine nur einige hundert bis wenige Tausend Jahre dauernde Zeit in der sich die Insel zunächst schnell erwärmte um dann langsam und mit zunehmender Dauer immer schneller abzukühlen. Korreliert sind diese Interstadiale mit einem höheren Methangehalt der Atmosphäre. Methan (ein Faulgas) entsteht vor allem durch bakteriellen Stoffwechsel in sauerstoffarmen Gebieten, wie tropischen Sümpfen und Mooren. Diese Feuchtgebiete könnten sich damals also durch höhere Niederschläge ausgedehnt haben. Jedoch ist diese Theorie bisher auch nur eine Vermutung, die von den Klimatologen noch nicht bestätigt wurde. Erste Computermodelle die eine klimatische Fernwirkung berücksichtigen, liefern jedoch Ergebnisse wonach ansteigende Temperaturen in den höheren Breiten die Wasserzirkulation in den Meeren und die Strömungsmuster der Atmosphäre derart ändern, dass es auch in den Tropen wärmer wurde. Als Folge davon würde der Gehalt von Wasserdampf in der Atmosphäre durch Verdunstung steigen und mehr Wärme würde an der Erdoberfläche zurückbehalten und nicht in die großräumige atmosphärische Zirkulation gelangen.

Über die Änderungen des Sauerstoff-Isotopenverhältnisses sowie die Methankonzentration aus dem grönländischen Eisbohrkern gibt Abbildung 3 Aufschluss.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: ausgew ä hlte Parameter aus dem Gr ö nlandeisbohrkern

Quelle: Spektrum der Wissenschaft 4/98 S.52

6. Welche Schlüsse erlauben uns Daten aus Eisbohrkernen für die Zukunft?

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden bereits computergesteuerte Klimamodelle entwickelt, die das Wechselspiel von Ozean, Atmosphäre und Eis nachbilden, und die auf solare Einstrahlung, Vulkanausbrüche, Änderungen im Magnetfeld der Erde und der Erdbahnparameter sowie anthropogene Einflüsse reagieren. Die Integration von den Paläoklimadaten aus den Eisbohrkernen in die existierenden Klimamodelle (z.B. ECHAM4 am Max-Planck-Institut in Hamburg) können nun zu neuen Erkenntnissen führen und vielleicht eine Modellierung unseres zukünftigen Klimas erlauben. Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg!

7. Literatur:

ALLEY,R.B., BENDER,M.L.(1998): Grönlands eisiges Klima-Archiv - in Spektrum der Wissenschaft 4/98 S.50-55

GÖKTAS,F. (1999): Ergebnisse der Untersuchung des grönländischen Inlandeises mit dem elektromagnetischen Reflexionsverfahren in der Umgebung von NGRIP - Berichte zur Polarforschung Bd.336 - Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung - Bremerhaven

GRIMMEL,E. (1993): Kreisläufe und Kreislaufstörungen der Erde - Science Sachbuch - Rowohlt

HILLENBRAND,C.-D. (2000): Glazialmarine Sedimententwicklung am westantarktischen Kontinentalrand im Amundsen- und Bellingshausenmeer - Hinweise auf Paläoumweltveränderungen während der quartären Klimazyklen - Berichte zur Polarforschung Bd.346 - Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung - Bremerhaven

KIPFSTUHL,S. (????): Klimainformation aus dem grönländischen Inlandeis - AlfredWegener-Institut für Polar- und Meeresforschung - Bremerhaven

WINKLER,A. (1999): Die Klimageschichte der hohen nördlichen breiten seit dem mittleren Miozän: Hinweise aus sedimentologischen-tonmineralogischen Analysen (OPD Leg 151, zentrale Framstrasse) - Berichte zur Polarforschung Bd.344 - Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung - Bremerhaven

Frankfurter Allgemeine Zeitung vom 5.9.1990 - Grönland ein internationales Klimalabor

http://www.uni-leipzig.de/~meteo/STUMETA/Paleorep.html

http://www.uphys.uni-heidelberg.de/glacis/dipl.html

http://wegener.mechanik.tu-darmstadt.de/Bericht/forschung/eis/savvin.html

http://www.iup.uni-heidelberg.de/glacis/publik/hadiplom.html

http://www.gfz-potsdam.de/pb3/pb33/kihzhome/kihz01/

http://w3g.gkss.de/lotse/out/one/meta/PALEO.html

Klimageschichte aus Eisbohrkernen -