Physikalische Grundlagen der Klimaarchive Eis und Grundwasser

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Otto Scholz
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1 Inhalt Physikalische Grundlagen der Klimaarchive Eis und 12. Befunde der Isotopen- und Edelgasthermometrie in Aquifersystemen 1) Stabile Isotope als Klimaproxy im Beispiele, Bedeutung Probleme, Einfluss verschiedener Effekte 2) Gelöste Edelgase als Klimaproxy im Geschichte des Edelgasthermometers Beispiele zur Temperaturrekonstruktion 3) Vergleich von stabilen Isotopen und Edelgasen Eichung des Isotopenthermometers W. Aeschbach-Hertig Institut für Umweltphysik Universität Heidelberg 2 1. Stabile Isotope Temperatur-Effekt Stabile Isotope im Niederschlag zeigen Temperatureffekt durch Rayleigh-Fraktionierung des Luftwasserdampfes Beziehungen zwischen Temperatur T ( C) und δ 18 O ( ): Dansgaard (1964): δ 18 O = T Yurtsever (1975): δ 18 O = T aus Clark & Fritz, aus Dansgaard, 1964, Tellus 16: Die Globale Meteorische Wasser-Linie (GMWL) Stabile Isotope in Paläo-Grundwässern Craig, 1961: 2 18 δ H= 8 δ O+ 10 aus Clark & Fritz, aus Clark & Fritz,

Stabile Isotope in Paläo-Grundwässern Potential und Probleme der stabilen Isotope Potential Weit verbreitete Methode, sehr viele Daten Guter qualitativer Klimaindikator (Holozän Pleistozän)

eme Gut datierte Klimarecords relativ selten (oft mit NGT) Quantitative Interpretation als Paläotemperatur schwierig, z.b.

stabilen Isotopen Valreas Basin, Frankreich 14 C-datiert klare Isotopensignale Temperatursprung hängt ab von Kontinentalität T ~ 6-9 C?

2 Stabile Isotope in Paläo-Grundwässern Potential und Probleme der stabilen Isotope Potential Weit verbreitete Methode, sehr viele Daten Guter qualitativer Klimaindikator (Holozän Pleistozän) Unterstützt Datierung, Indentifikation von Paläowässern Probleme Gut datierte Klimarecords relativ selten (oft mit NGT) Quantitative Interpretation als Paläotemperatur schwierig, z.b. wegen Allgemein: Änderung der Wasserdampfherkunft Küstenaquifere: Änderung der Distanz zum Ozean Tropen: Amounteffekt aus Clark & Fritz, Beispiele zu stabilen Isotopen Beispiele zu stabilen Isotopen Valreas Basin, Frankreich 14 C-datiert klare Isotopensignale Temperatursprung hängt ab von Kontinentalität T ~ 6-9 C? Nordchinesische Tiefebene 14 C-datiert klare Isotopensignale Zongyu et al., Appl. Geochem. 18: PALAEAUX: Stabile Isotope in europ. Aquiferen Kontinental-Effekt Überlagerung verschiedener Effekte: Temperatureffekt Kontinentaleffekt Eisvolumeneffekt (angereichter Ozean im Pleistozän) Eichung mit Edelgastemperaturen notwendig! Loosli et al., Geol. Soc. Special Publ., Vol. 189, pp Isolinien von δ 2 H im Niederschlag über Europa 12

3 Auswirkung verschiedener Effekte 1. Temperatur- und Eisvolumeneffekt Annahmen (Messungen) zu modernen Effekten: Temperatureffekt: δ/ T ~ 0.6 / C Annahmen zu Unterschieden Eiszeit-Modern: Temperatur: T ~ -5 C Eisvolumeneffekt: δ Ozean ~ 1.2 (mehr Eis) Erwarteter Effekt auf eiszeitliches δ 18 O (rel. zu modern): Temperatureffekt: δ ~ -3 Eisvolumeneffekt: δ ~ 1.2 Erwarteter scheinbarer Langzeit-Temperatureffekt: δ/ T ~ 1.8 / 5 C ~ 0.36 / C Scheinbarer Temperatureffekt ist geringer als modern! Auswirkung verschiedener Effekte 2. Zusätzlich veränderter Kontinentaleffekt Annahmen (Messungen) zu modernen Effekten: Kontinentaleffekt: δ/ x ~ -0.6 / 100 km (x: Distanz von Küste, nur wichtig in Küstennähe) Annahmen zu Unterschieden Eiszeit-Modern: Kontinentalität: x ~ 200 km (tieferer Meeresspiegel) Erwarteter Effekt auf eiszeitliches δ 18 O (rel. zu modern): Kontinentaleffekt: δ ~ -1.2 Kontinentaleffekt kann Eisvolumeneffekt kompensieren! Sollte scheinbaren Temperatureffekt verstärken Beobachtung: Oft sehr geringe (scheinbare) Temperatureffekte in küstennahen Aquiferen Edelgase Geschichte des Edelgasthermometers Bunsen Löslichkeit β [cm 3 STP cm -3 atm -1 ] 0.2 Xe Kr 0.05 Ar Ne 0 He Temperatur [ C] Edelgaslöslichkeiten sind temperaturabhängig Ar, Kr, Xe-Konzentr. im Gleichgewicht spiegeln direkt die Temperatur wider Luftüberschuss durch Einschluss von Blasen Mazor, 1972: Edelgase in Thermalquellen Mazor, 1972: Schlussfolgerungen Edelgase bleiben selbst in Thermalwasser erhalten (keine Entgasung bei Erwärmung bis ~ 60 C trotz Übersättigung) Thermalquellen zeigen atmosphärische Edelgassignatur, d.h. meteorischer Ursprung Edelgastemperaturen ( C) ähnlich wie aktuelle Temp, kein klares Klimasignal ( 14 C Alter bis 30 ka) Edelgase grundsätzlich zur Temperaturrekonstruktion geeignet relativ zu Gleichgewicht bei Wassertemperatur Mazor, 1972, Geochim. Cosmochim. Acta 36:

4 Geschichte des Edelgasthermometers 1979: Andrews und Lee produzieren ersten echten Edelgas-Paläotemperatur-Record Andrews, 1979: Bunter Sandstone, England recharge gap T ~ 6 C 19 Andrews and Lee, J. Hydrol. 41: Geschichte des Edelgasthermometers Heaton and Vogel, 1981: Excess Air 1979: Andrews und Lee produzieren ersten echten Edelgas-Paläotemperatur-Record 1981: Heaton und Vogel diskutieren "Excess Air" im (nur mit Ar und N 2 ) : Weitere Arbeiten von Heaton et al. (Ar und N 2 ) 21 Heaton and Vogel, "Excess air" in groundwater. J. Hydrol. 50: Heaton et al., 1986: Uitenhage, Südafrika Excess air 14 C-datierter Record NGT: T ~ 5 C 18 O: ~ 0.2 / C (~ 0.4 / C eiskorrigiert) Geschichte des Edelgasthermometers 1979: Andrews und Lee produzieren ersten echten Edelgas-Paläotemperatur-Record 1981: Heaton und Vogel diskutieren "Excess Air" im (nur mit Ar und N 2 ) : Weitere Arbeiten von Heaton et al. (Ar und N 2 ) 1990er: Stute et al. publizieren Records von hoher Qualität, u.a. 1995: Stute et al.: NGT-Record aus tropischem Brasilien Heaton et al., 1986, Quat. Res. 25:

Stute and Schlosser, 1993: Erste Review Stute et al., 1992: Texas, USA Carrizo Aquifer, Texas, USA NGT: T ~ 5 C für LGM, ~ 18 ka BP T ~ 2.

Stute et al., 1995, Quat. Res. 43, 209-220. 27 Stute et al., 1995. Science 269: 379-383. 28 Geschichte des Edelgasthermometers Beyerle et al.

5 Stute and Schlosser, 1993: Erste Review Stute et al., 1992: Texas, USA Carrizo Aquifer, Texas, USA NGT: T ~ 5 C für LGM, ~ 18 ka BP T ~ 2.5 C für "middle Wisconsin", ~ 30 ka BP Stute and Schlosser, AGU Geophysical Monograph Series 78: Stute et al., 1992, Science 256, Stute et al., 1995: New Mexico, USA Stute et al., 1995: Piaui Provinz, Brasilien 5 C glaziale Abkühlung im tropischen Tiefland von Brasilien NGT: T ~ 5 C Vergleich mit Texas: Eiszeitliche Abkühlung unabhängig von Höhe Excess Air Fraktionierung! Stute et al., 1995, Quat. Res. 43, Stute et al., Science 269: Geschichte des Edelgasthermometers Beyerle et al., 1998: Glattal, Schweiz 1979: Andrews und Lee produzieren ersten echten Edelgas-Paläotemperatur-Record 1981: Heaton und Vogel diskutieren "Excess Air" im (nur mit Ar und N 2 ) : Weitere Arbeiten von Heaton et al. (Ar und N 2 ) 1990er: Stute et al. publizieren Records von hoher Qualität, u.a. 1995: Stute et al.: NGT-Record aus tropischem Brasilien seit 1995: Weitere Datensätze, neue Excess Air Modelle 29 T ~ 5 C recharge gap ~ 5 C eiszeitliche Abkühlung keine neubildung im Eiszeitmaximum Eichung des Isotopenthermometers: ~ 0.5 / C (korrigiert für Eiseffekt) Beyerle et al., Science 282,

Stute and Talma, 1998: Stampriet Aquifer, Namibia Weyhenmeyer et al.

Abkühlung, excess air peak, δ 18 O Inversion nach Stute and Talma, 1998, IAEA-SM

31 ~ 6-7 C eiszeitliche Abkühlung im (sub)tropischen Oman Weyhenmeyer et al.

5.5 C ~ 3.5 C: moderne T = T soil -T air ~ 2.

6 Stute and Talma, 1998: Stampriet Aquifer, Namibia Weyhenmeyer et al., 2000: Al Khwad, Oman 5 C eiszeitl. Abkühlung, excess air peak, δ 18 O Inversion nach Stute and Talma, 1998, IAEA-SM 349/ ~ 6-7 C eiszeitliche Abkühlung im (sub)tropischen Oman Weyhenmeyer et al., Science 287, Aeschbach-Hertig et al., 2002: Aquia, MD, USA Beyerle et al., 2003: Continental Terminal, Niger T Holocene LGM = 9 C He-datierter Record T ~ 5.5 C ~ 3.5 C: moderne T = T soil -T air ~ 2.0 C: Abkühlung der Luft Aeschbach-Hertig et al., Geochim. Cosmochim. Acta 66: Beyerle et al., 2003, Geophys. Res. Lett Edelgaspaläotemperaturdaten weltweit Edelgastemperaturen und Klimamodelle Glazial-Interglazial T aus Edelgastemperaturen 35 Crowley, Climate Dynamics 16 (2000):

7 3. Vergleich stabile Isotope - Edelgase Möglichkeit des direkten Vergleichs von Isotopendaten mit absoluten Edelgastemperaturen: Wichtige Stärke des archivs lokale Eichung des Isotopenthermometers: Bestimmung der Steigung δ 18 O/T für lange Zeitskala (Eiszeitzyklus) Bis jetzt relativ selten durchgeführt Verschiedene Lokalitäten ergeben stark unterschiedliche Resultate Bisher keine systematische Analyse Beispiel Valreas Basin, Frankreich Noble Gas Temperature ( C) ±0.6 C 7.4±0.7 C T Holocene LGM = 7.4 C Corrected 14 C age (yr) 4.5±0.4 C Valreas Basin: Stabile Isotope Valreas Basin: Lokale Kalibration 39 Steigung: 0.23 / C 40 PALAEAUX: δ 18 O-NGT in europäischen Aquiferen scheinbarer Temperatureffekt: ~ 0.35 / C in kontinentalen Aquiferen kann durch Eiseffekt erklärt werden sehr gering in küstennahen Aquiferen Zusätzlicher Effekt durch kälteren trop. Ozean? Loosli et al., Geol. Soc. Special Publ., Vol. 189, pp Boyle, 1997, Geophys. Res. Lett. 24:

8 Zusammenfassung Stabile Isotope: viele Daten, schwierig zu interpretieren, div. Effekte Edelgastemperaturen: ca. 5 C eiszeitliche Abkühlung auch in den Tropen stärkere Abkühlung (bis 9 C) in höheren Breiten Unterbrechung der Neubildung durch Permafrost (?) Kombination: Eichung des Isotopenthermometers möglich systematische Untersuchung noch ausstehend! 43

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