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Thema des Tages

Sauerstoffisotope als Temperaturproxy


Um aktuelle und zukünftige Klimaveränderungen zu verstehen, ist es 
unerlässlich, die Klimageschichte der Erde möglichst genau zu kennen.
Mithilfe der stabilen Sauerstoffisotope lassen sich hochwertige 
Rekonstruktionen der Temperatur aus Klimaarchiven wie Eisbohrkernen 
gewinnen.


Vielleicht haben Sie sich schon bei der Überschrift gefragt was ein 
Proxy ist. Dabei handelt es sich um einen indirekten Anzeiger des 
Klimas. Beispielhaft dafür stehen Baumringe, die uns das Alter des 
Baumes verraten oder Eisbohrkerne, die viele Informationen aus der 
Vergangenheit hüten. 

Als Isotope werden Atome bezeichnet, die dieselbe Anzahl an Protonen 
und Elektronen besitzen, jedoch eine unterschiedliche Anzahl an 
Neutronen und somit eine unterschiedliche relative Atommasse 
aufweisen. Hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen 
Eigenschaften verhalten sich die Isotope eines Elements leicht 
unterschiedlich. Stabile Isotope von Elementen, die natürlicherweise 
in der Atmosphäre beziehungsweise im Meer vorkommen, können einen 
wesentlichen Beitrag zur Rekonstruktion von Temperatur und 
Eisbedeckung leisten. Eine besonders wichtige Rolle spielen dabei die
stabilen Sauerstoffisotope (16O und 18O-Isotope) sowie der 
zweiwertige Wasserstoff (2H-Isotop), also die beiden Elemente, die 
zusammen das Wassermolekül bilden. Die mittlere Häufigkeit für das 
leichtere 16O-Isotop beträgt in der Natur 99,8 %. Nur rund 0,2 % 
entfallen auf das schwerere 18O-Isotop.

Ändert Wasser seinen Aggregatzustand, also beispielsweise, wenn 
Wasser verdunstet oder zu Eis gefriert oder wenn der Sauerstoff aus 
dem Wasser in einer anderen Substanz eingebaut wird, dann kann sich 
dieses Isotopenverhältnis verschieben. Das Ausmaß der Verschiebungen 
der Isotopenverhältnisse - auch Fraktionierung genannt - hängt 
vielfach von der Temperatur ab, bei der bestimmte Prozesse wie 
Verdunstung oder Kondensation von Wasser ablaufen. Diese 
Temperaturabhängigkeit ist wichtig für die Paläoklimatologie. Neben 
der Temperaturabhängigkeit zeigt das Verhältnis der Sauerstoffisotope
18O / 16O im Allgemeinen Änderungen in den atmosphärischen 
Zirkulationssystemen an, bei denen die Verdunstung, der 
Luftmassentransport und Kondensationsprozesse eine wesentliche Rolle 
spielen. Die Verschiebungen der Sauerstoffisotopenverhältnisse bei 
natürlichen Prozessen sind jedoch meist sehr gering. Mit einem 
Massenspektrometer lassen sich diese Änderungen dennoch sehr genau 
messen. Anstatt absolute Veränderungen in den Isotopengehalten zu 
bestimmen, wird das Verhältnis zwischen einer Proben- und einem 
Standardwert bestimmt und in Promille als Delta-Wert 18O angegeben. 

Der Sättigungsdampfdruck von schwereren 18O Wassermolekülen ist etwas
geringer als von normalen 16O. Aufgrund dieser Eigenschaft verdunsten
schwerere Moleküle langsamer und kondensieren schneller. Durch die 
Verdunstung des Oberflächenwassers der Ozeane entsteht Wasserdampf, 
der sich somit bevorzugt aus isotopisch leichten Wassermolekülen 
zusammensetzt, während das Oberflächenwasser durch größere Mengen des
schwereren Isotops angereichert wird. Mit dem Aufstieg in die 
Atmosphäre bilden sich Wolken, welche mit den globalen Windsystemen 
über die Kontinente bzw. zu den Polen transportiert werden und dabei 
eine sukzessive Abkühlung erfahren. Bei der Überquerung von 
Landmassen kondensieren Teile des Wasserdampfs und regnen nach und 
nach ab. Da nun die Wassermoleküle mit schwereren Isotopen leichter 
kondensieren, reichert sich der entstehende Niederschlag im Vergleich
zum Wasserdampf mit schweren 18O-Isotopen an. Folglich wird der 
verbleibende Wasserdampf isotopisch leichter. Beim weiteren 
Luftmassentransport über die Kontinente und durch stetiges Abregnen 
wiederholen sich die Evaporations- und Kondensationseffekte, sodass 
die Niederschläge mit zunehmender Entfernung zur Ausgangsquelle des 
Wasserdampfes - also dem Ozean - isotopisch immer leichter werden. 
Somit lässt sich eine graduelle Abnahme des Delta-18O Gehalts von den
Tropen zu den Polen feststellen, wo sich die leichtere Delta-18O 
Signatur im dort ablagernden Schnee und schließlich im bildenden Eis 
einlagert. Dass der Isotopenwert in Abhängigkeit von der Temperatur 
(maßgebend ist hier die Kondensationstemperatur des Niederschlags) 
schwankt, lässt sich beispielhaft ganz gut anhand eines beprobten 
Schneedeckenschachts bestimmen. Man erkennt in Abbildung 1 
(https://bit.ly/3lki8mT) deutlich die starken saisonalen Schwankungen
mit vergleichsweise hohen Delta-18O Werten im Sommer und niedrigen im
Winter.

Trotz der komplexen Niederschlagsprozesse wurde eine empirische 
lineare Beziehung anhand von Schneeproben zwischen dem Delta-18O Wert
und der mittleren vorherrschenden Jahrestemperatur gefunden. Wenn man
annimmt, dass diese empirischen Beziehungen auch in der Vergangenheit
gültig waren, kann man anhand von Isotopenmessungen an Eisbohrkernen 
die mittlere Jahrestemperatur berechnen. Diese ist für das Plateau 
des antarktischen Inlandeises ohne große Einschränkungen gültig und 
kann mit den längsten Eisbohrkernen über annähernd eine Million Jahre
rekonstruiert werden. 

Ein Klimawandel, der die globalen Muster von Verdunstung und 
Niederschlag verändert, wirkt sich grundlegend auf das Delta-18O 
Verhältnis aus. In klimatisch wärmeren Perioden mit stärkerer 
Verdunstung kann vermehrt 18O zur Wolkenbildung beitragen. Zudem 
können bei höheren globalen Temperaturen, die mit schwereren 
Sauerstoffisotopen angereicherten Wolken trotz mehrfacher Verdunstung
und Kondensationszyklen weiter in die Polarregionen vordringen. 
Folglich müssen Eisschichten mit einem höheren relativen Anteil an 
18O aus wärmeren Zeiten stammen (vergleichbar mit der saisonalen 
Schwankung). In Kaltzeiten werden hingegen vermehrt leichte Isotope 
im Eis angereichert. Kommt es in einer Warmzeit wieder zur 
Eisschmelze, so werden die leichten Isotope freigesetzt und steigen 
im Meerwasser relativ gesehen wieder an. Eisbohrkerne verraten uns 
somit viel über das Klima der Vergangenheit. 


M.Sc.-Met. Sebastian Altnau
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 11.11.2020

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

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