Deuteriumexzess von polarem Schnee und Niederschlagsursprung

Um mögliche gegenwärtige oder zukünftige Klimaänderungen beurteilen zu können, ist es unerläßlich, das Klima der Vergangenheit genau zu kennen und zu verstehen. Wertvolle Informationen über das vergangene Klima sind in Eiskernen von den beiden großen Eisschilden Grönlands und der Antarktis gespeichert. Insbesondere sind die Verhältnisse der stabilen Isotope des Schnees, 18-O und Deuterium, mit der Lufttemperatur korreliert und werden daher für die klimatische Interpretation von Eiskernen verwendet. Aber der Isotopengehalt hängt nicht nur von der Temperatur, sondern auch von anderen Faktoren ab, wie z.B. Saisonalität und Ursprungsgebiet des Niederschlags. Daher wird der Deuteriumexzess, eine Größe, die die Information von 18-O und Deuterium kombiniert, verwendet, um die Ursprungsgebiete des Niederschlags zu untersuchen. d hängt hauptsächlich von der Meeresoberflächentemperatur, der relativen Feuchte und der Windgeschwindigkeit im Ursprungs-gebiet ab. Indem man tested, unter welchen Annahmen für die im Ursprungsgebiet vorherrschenden Bedingungen die im Schnee gemessenen d-Werte mit Hilfe eines einfachen Isotopenmodells reproduziert werden können, erhält man Informationen über das Ursprungsgebiet. Der Spielraum für die möglichen Annahmen ist überraschend klein. Die meisten Deuteriumexzessuntersuchungen wurden für große Zeitmaßstäbe durchgeführt (Wechsel von Glazial zu Interglazial). In dieser Untersuchung werden Daten von der deutschen Antarktis-Überwinterungsstation "Neumayer" für eine Untersuchung in einem kleinen Zeitscale verwendet. Dort werden seit 20 Jahren Neuschneeproben unmittelbar nach dem Schneefall genommen. Durch die vorherrschenden hohen Windgeschwindigkeit wird der Schnee in einem gewissen Ausmaß verfrachtet, was zu Fehlern führen kann. Daher werden zunächst mit Hilfe eines Trajektorienmodells die Transportwege der Luftmassen, die Niederschlag nach Neumayer bringen, berechnet. Verschiedene Trajektorienklassen werden definiert, für die der mittlere Deuteriumexzess der Schneeproben bestimmt wird. Dann wird ein Isotopenmodell verwendet, um den beobachteten Deuteriumexzess zu modellieren. Da dieser stark von der relativen Luftfeuchte im Ursprungsgebiet des Niederschlags, die meist nicht bekannt ist, abhängt, soll ferner die Phasendifferenz zwischen Deuterium und Deuteriumexzess untersucht werden. Dazu werden Daten von einem Firnkern verwendet, der den Zeitraum von 1892-1981 abdeckt. Diese Phasendifferenz ist weniger stark von den Sättigungsbedingungen im Ursprungsgebiet abhängig und ist daher eine unabhängigere Bedingung, um Information über die Wasserdampfquelle abzuleiten. Dieser neue Ansatz, bei dem ein Trajektorienmodell mit einem Isotopenmodell kombiniert und der Deuteriumexzess auf der Basis von Niederschlagsereignissen untersucht wird, wird die klassische Interpretation von stabilen Isotopen in Eiskernen verbessern.

Um mögliche gegenwärtige/ zukünftige Klimaänderungen beurteilen zu können, ist ein grundlegendes Verständnis des Klimas der Vergangenheit unabdingbare Voraussetzung. Wertvolle Informationen über vergangene Klimate liefern Eisbohrkerne aus Grönland und der Antarktis. Besonders interessant ist hier das Verhältnis der stabilen Isotope (verschiedener Molekülarten) des Schnees, 18-O zu 16-O (Sauerstoff) bzw. Deuterium (schwerer Wasserstoff) zu H (Wasserstoff), da es mit der Temperatur korreliert ist und daher zur klimatischen Interpretation von Eisbohrkernen verwendet wird. Allerdings ändert sich dieses Isotopenverhältnis während Verdunstungs- und Kondensationsprozessen, hängt also nicht allein von der Temperatur, sondern von der gesamten Niederschlagsgeschichte, seinem Ursprungsgebiet und seiner jahreszeitlichen Verteilung ab. Eine Größe, die 18-O und Deuterium verbindet, ist der so genannte Deuteriumexzess, der Informationen über den Ursprung des Niederschlags liefert. Hier wurden Daten von der deutschen Antarktisstation "Neumayer" verwendet, um die atmosphärischen Prozesse bei der Niederschlagsbildung zu untersuchen. Dort werden seit über 25 Jahren Neuschneeproben unmittelbar nach dem Schneefall genommen, die direkt mit einer Fülle von meteorologischen Daten korreliert werden können. Die Ergebnisse können dann auf Bohrkerne, die an Orten gezogen werden, für die meist keine oder kaum meteorologische Daten zur Verfügung stehen, übertragen werden. Zunächst wurden mit einem so genannten Trajektorienmodell die Transportwege des Niederschlags berechnet. Verschiedene Trajektorienklassen wurden definiert, für die der Niederschlag deutlich unterschiedliche Isotopenwerte aufweist. Der Anteil an offenem Wasser auf dem Transportweg spielt ebenfalls eine wichtige Rolle für die Qualität der 18O- Temperatur-Beziehung. Dann wurde das Trajektorienmodell mit einem Isotopenmodell kombiniert, das die Änderung des Isotopenverhältnisses während der Niederschlagsbildung und des Transports zur Bohrstelle des Eiskerns berechnet. Da es keinerlei atmosphärische Dynamik (Luftbewegungen) enthält, wurde es mit dem Trajektorienmodell gekoppelt. Allerdings werden damit die 3-dimensionalen Luftbewegungen nicht vollständig erfasst. Daher stimmen die Modellergebnisse nur dann gut mit den Messdaten überein, wenn die atmosphärischen Bedingungen den Modellannahmen entsprachen. Mit Hilfe des Modells wurde außerdem der Jahresgang der Isotopenwerte berechnet und mit dem Jahresgang in den Neuschneedaten und auch in Daten eines Firnkernes (kurzer Eisbohrkern) verglichen. Von besonderem Interesse war hier die Zeitdifferenz zwischen dem Maximum des 18O und des Deuteriumexzesses. Diese Zeitdifferenz konnte mit dem Modell korrekt simuliert werden (gute Übereinstimmung zwischen Modellergebnis und Neuschneedaten). Sie war jedoch für Neuschnee und Kern unterschiedlich. Das bedeutet: 1. Diese Zeitdifferenz ändert sich im Laufe der Zeit. 2. Ihre Änderung kann in einem Kern heißen, dass sich das Ursprungsgebiet des Niederschlags geändert hat, was wichtig ist, weil es das Isotopenverhältnis ändert, ohne dass sich die Temperatur geändert hat. Dies kann zu groben Fehlern in der Bohrkerninterpretation führen.