Atmosphärische Einflüsse auf stabile Isotope in Antarktika

Um das gegenwärtige Klimasystem zu verstehen und Aussagen über mögliche zukünftige Klimaänderungen machen zu können, müssen wir in der Lage sein, die in der Vergangenheit aufgetretenen Klimaänderungen zu erklären. Eine bedeutende Informationsquelle für das Klima der Vergangenheit sind Eisbohrkerne aus der Antarktis und Grönland. Diese Kerne sind bis zu 3km lang und bestehen aus Eis, das bis zu 800.000 Jahre alt ist. In den Kernen ist das Klima der Vergangenheit gespeichert. Aus Luftblasen im Eis können wir die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre ableiten. Verschiedenste physikalische Größen, die am Eiskern gemessen werden, liefern weitere Erkenntnisse. Frühere Temperaturverhältnisse werden anhand von Messungen der sogenannten stabilen Isotope des Wassers rekonstruiert. Isotope sind verschiedene Arten desselben Stoffes. Zum Beispiel gibt es drei Sorten von Sauerstoff, außer dem normalen Sauerstoff (O16) gibt es noch zwei weitere Varianten, die schwerer sind als der normale und daher etwas andere physikalische Eigenschaften haben, das O17 und O18. Das Verhältnis dieser verschiedenen Sauerstoffarten ist temperaturabhängig. Genauso gibt es auch schweren und normalen Wasserstoff. Man kann dieses Isotopenverhältnis an Wasserdampf, Wasser oder eben auch geschmolzenem Eis messen. Bis vor kurzem wurden dabei nur O16 und O18 gemessen. Mit neuen Instrumenten ist es nun möglich, auch O17, das nur in sehr kleinen Mengen vorkommt, zu bestimmen. Diese Instrumente sind relativ handlich und daher für einen Einsatz bei Expeditionen geeignet. Auch kann man damit nicht nur Eis- und Schneeproben untersuchen, sondern auch kontinuierlich das Isotopenverhältnis von Wasserdampf messen, aus dem der Schnee und damit auch das Eis gebildet werden. Die Beziehung zwischen Isotopenverhältnis und Lufttemperatur ist jedoch recht komplex und daher nicht ganz einfach aus dem Eisbohrkern zu bestimmen. Das Isotopenverhältnis hängt nämlich nicht nur von der Lufttemperatur ab, sondern auch von den Verhältnissen, unter denen der Schnee gefallen ist, der später in Eis umgewandelt wurde. Um diese Beziehung besser zu verstehen, untersuchen wir daher die bei der Niederschlagsbildung involvierten atmosphärischen Prozesse unter heutigen Bedingungen, weil wir hier ausreichend meteorologische Daten zur Verfügung haben. In diesem Projekt werden Messungen der stabilen Isotope von Wasserdampf an der deutschen Antarktis-Überwinterungsstation Neumayer durchgeführt. Diese Station liegt an der Küste der Antarktis auf einem sogenannten Schelfeis, einem auf dem Meer schwimmenden Gletscher. Außerdem gibt es an der Neumayer-Station schon eine lange Messreihe von Isotopenverhältnissen von Neuschneeproben. Diese Messungen werden mit verschiedenen Computermodell-Daten verglichen und mit den vorherrschenden meteorologischen Verhältnissen bei Neumayer in Beziehung gesetzt. Ziel ist es, die Beziehung zwischen der Lufttemperatur und dem Isotopenverhältnis besser zu verstehen und damit Fehlermöglichkeiten bei der Interpretation von Bohrkerndaten zu reduzieren. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden zu einer genaueren Rekonstruktion der Temperatur der Vergangenheit mit Hilfe von Eisbohrkerndaten führen.

Antarktische Eisbohrkerne sind eine wertvolle Informationsquelle für die Erforschung des vergangenen Klimas, bis zu 800.000 Jahre zurück. Ein genaues Verständnis des vergangenen Klimas ermöglicht es uns, das komplexe Klimasystem besser zu verstehen, eine unabdingbare Voraussetzung für die Diskussion des Klimas der Zukunft. Luftblasen aus diesen Eiskernen geben uns Informationen über die frühere Zusammensetzung der Atmosphäre, insbesondere den Gehalt von Treibhausgasen. Um die Lufttemperatur vergangener Zeiten aus den Bohrkernen abzuleiten, untersucht man sogenannte stabile Isotope. Isotope sind verschiedene Sorten des gleichen Atoms, die sich nur geringfügig unterscheiden, aber daher unterschiedlich verhalten. Insbesondere während Verdunstungs- und Kondensationsprozessen, wie sie bei der Niederschlagsbildung stattfinden, ändern sich die Isotopenverhältnisse von Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen ja das Eis besteht. Da diese Prozesse von der Temperatur beeinflusst werden, kann man aus dem Isotopengehalt des Eises Informationen über die Temperatur ableiten, die geherrscht hat, als der Schnee gefallen ist, aus dem später das Eis entstanden ist. Hierbei spielt die gesamte Geschichte der Niederschlagsbildung eine Rolle. Daher muss man die Wetterbedingungen, die dabei geherrscht haben, insbesondere die Luftströmungen, untersuchen, um Fehler bei der Interpretation der Eisbohrkerne zu vermeiden. Neue Messmethoden ermöglichen es uns, nicht nur die Isotopenverhältnisse von Schnee und Eis im Labor zu bestimmen, sondern auch kontinuierlich die des Wasserdampfes zu messen. Dies wurde im Südsommer 2017/18 an der Neumayer-Station, die an der Küste der Ostantarktis liegt, durchgeführt. Zusammen mit einem umfangreichen Schneeprobennahme-Programm und den routinemäßig durchgeführten meteorologischen Messungen kann man nun die Wechselwirkung zwischen dem Isotopenverhältnis im Wasserdampf und dem des Schnees und seine Abhängigkeit von den meteorologischen Bedingungen untersuchen. Weiters von großem Interesse sind auch sogenannte Temperaturinversionen. Dabei nimmt die Lufttemperatur mit der Höhe nicht wie üblich ab, sondern zu. Inversionen sind in der Antarktis sehr häufig und machen die genaue Interpretation der Eisbohrkerne schwieriger, da der Isotopengehalt nicht von der Temperatur an der Oberfläche, sondern von der Temperatur, bei der der Schneefall entstanden ist, abhängig ist. Eine 25jährige Klimatologie wurde erstellt, die verschiedene Inversionseigenschaften in Abhängigkeit von der Höhe des Auftretens der Inversion und von den herrschenden Wetterbedingungen untersucht. Keine bisherige antarktische Inversionsuntersuchung geht über einen so langen Zeitraum. Die Untersuchung der Isotope wurde durch verschiedene Faktoren erschwert. Nicht nur verzögerte schlechtes Wetter die Anreise, auch später fielen Messungen aufgrund des Wetters aus, sodass die zur Verfügung stehende Messreihe deutlich kürzer ist als ursprünglich geplant. Ebenfalls gab es Probleme bei der Analyse der Schneeproben im Labor. Nicht zuletzt Corona führte zu Zeitverlusten, sodass die Analyse der Daten auch nach Ende des Projekts noch andauert. Fallstudien von besonderen Phänomenen, z. B. Phasen, wo Isotopenverhältnis und Temperatur nicht wie erwartet parallel verlaufen, ermöglichen ein besseres Verständnis der involvierten Prozesse, was letztendlich auch der Interpretation der tiefen Eisbohrkerne zugute kommt.