Stabile Isotope in der Klimaforschung und Ökologie

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1 Stabile Isotope in der Klimaforschung und Ökologie A) Eisbohrkerne GISP-2 Leuenberger (2005)

2 Dating GISP2 The depth/age relationship for the GISP2 core has been developed from a variety of core parameters including: annual layering of visual stratigraphy; electrical conductivity; laser light scattering of dust; stable isotopes; major anions and cations; insoluble particles; 210 Pb; total beta activity; and δ 14 C from occluded CO 2 (e.g., Wilson and Donahue, 1990, Dibb, 1992; Taylor et al., 1992; Alley et al., 1993; Meese et al., 1994) plus ice dynamics modeling (Schott et al., 1992). The current conservative estimate of the age error is 2% for kyr B.P., 5% for kyr B.P. years ago and 10% for kyr B.P. years ago (Alley et al., 1993). While the age scale back to 40.5 kyr B.P. comes from a variety of techniques (Meese et al., 1994) below 40 kyr B.P. the chronology comes from correlating GISP2 into the Vostok chronology of Sowers et al. (1993) derived using the δ 18 O of O 2 (Bender et al., 1994). This approach to correlation invokes the fact that the δ 18 O of atmospheric O 2 varies with time but, at one time, is constant throughout the atmosphere. Recently annual layer counts based on visual stratigraphy and solid laser light scattering have been extended back to ~110 kyr B.P. (Meese et al. and Ram et al., submitted to the JGR Special Issue). The Greenland Summit Ice Cores CD-ROM

3 Station Vostok: 1970: m 1984: Hole 3G = 2202 m Hole 4G = 2546 m 1993 Hole 5G = 2755 m 1996 Hole 5G = 3300 m (= 420 ka) GRIP m (= 100 ka), darunter gestörte Lage North GRIP = 120ka Grönland: USA + EU Greenland Ice Core Project (GRIP) Greenland Ice Sheet Project two (GISP2) Antarktis Bohrungen bis fast 1000 ka Analyse des δ 18 O des Eises (Eis aufschmelzen) Leuenberger (2005)

4 Leuenberger (2005)

5 - Umsetzung der δ 18 O-Werte in Temperaturwerte nicht 1:1 nach Dansgaard (1964) möglich, da weitere Faktoren δ 18 O-Werte bestimmen - Alternative Temperaturfühler notwendig Leuenberger (2005)

6 Analyse der Lufteinschlüsse: - Konzentrationen (CO 2, CH 4,O 2 ) - Isotopenverhältnisse (δ 18 O von O 2, δ 13 C + δ 18 O von CO 2, δ 13 C + δd con CH 4 ) - Gleichläufigkeit der δ 15 N-Werte (Luft- Einschlüsse) und Temperatur (korrigiert nach Firnverdichtungsmodell und Wärmediffusionsmodell) - Temperatur korreliert mit CH 4 -Konz. (in Lufteinschlüssen) Leuenberger (2005)

7 Leuenberger (2005)

8 - Temperatur korreliert mit CO 2 Konzentrationen (Lufteinschlüsse) - manchmal gleichläufig, oft CO 2 nachläufig, selten CO 2 vorläufig http.

9 Vimeux et al. (1999) - δd-werte vom Eis der Bohrung Vostok für 150 ka - Deuterium excess = Abweichung von der meteorischen Wasserlinie: d = δd 8δ 18 O - Deuterium excess zeigt Antikorrelation zur Orbital-Neigung der Erde - Kaltphase 5d unterschiedlich zu anderen Kaltphasen: vermutlich mehr Niederschlag aus geringeren Breitengraden - Deuterium excess gibt Auskunft über Ozeanoberflächen-Temperaturen und Ozean/ Atmosphärenzirkulationen der südlichen Hemisphäre

10 B) Ozeansedimente -ODP

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12 Vergleich von Bohrungen unterschiedlicher Breitengrade: Starke globale Erwärmung sowohl von polarem Wasser als auch in der Karibik führt zur geringeren Konzentration von gelöstem O 2 im Wasser bewirkt Massensterben einiger Bodentierarten. Jedoch anderes pazifisches Profil ohne Anzeichen der Erwärmung des Tiefenwassers in den Tropen viele Grundlagen Forschungsergebnisse: der Isotopengeochemie http. (M. Tichomirowa)

13 Untersuchung von sehr raschem Temperaturanstieg (7 o C in 70 Jahren) in D/O (Dansgaard/ Oeschger) events - gleiches Verhalten wie im Grönland-Eis: deutet auf enge Kopplung von Atmosphäre Kryosphäre der Nordhalbkugel und Hydrosphäre - Wechsel der benthischen Foraminiferen- Spezies in wärmeren (O 2 -ärmeren grau hinterlegt) und kälteren Phasen - am Anfang der Warmzeiten starke Spitzen der δ 18 O-Werte: Greenhouse gas feedback mechanisms viele Grundlagen Forschungsergebnisse: der Isotopengeochemie http. (M. Tichomirowa)

14 Sehr starke Veränderungen von δ 34 S zwischen 65 und 55 Ma (Abfall) und 55 und 47 Ma (Anstieg). Keine Korrelation mit δ 13 C von marinen Karbonaten für dieses Zeitintervall Noch immer Erklärungsbedarf für globale Änderungen von δ 34 S mariner Sulfate viele Grundlagen Forschungsergebnisse: der Isotopengeochemie http. (M. Tichomirowa)

15 sauberste Temperatursignal sind Tiefseesedimente, da unbeeinflusst von kurzzeitigem Rauschen (z.b. saisonal) δ 18 O der Foraminiferen wird beeinflusst von Temperatur und δ 18 O des Ozeans Unabhängiges Thermometer: Mg-Gehalt in Foraminiferen Kopplung beider Untersuchungen erlaubt T-Kurve und Berechnung der Eisvolumen für Eiszeiten der letzten 50 Ma viele Grundlagen Forschungsergebnisse: der Isotopengeochemie http. (M. Tichomirowa)

16 weiterer Versuch den Einfluss von a) Temperatur und b) δ 18 O des Ozeans, der in den δ 18 O-Werten von Foraminiferen enthalten ist, zu entkoppeln: δ 18 O von Porenwässern der Sedimente sind unabhängig von T und geben Auskunft über δ 18 O des Ozeans viele Grundlagen Forschungsergebnisse: der Isotopengeochemie http. (M. Tichomirowa)

17 International Marine Global Changes Study (IMAGES)

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19 C) Baumringe δ 13 C (Zellulose, Lignin, Gesamtholz) hängt ab: - Temperatur - Niederschlagsmenge - Stress (z.. Trockenperioden) - Nährstoffverfügbarkeit - Schadstoffen der Atmosphäre (SO 2, O 3, saurer Regen) - Baumspezies δ 15 N weiterer Indikator der Luftverschmutzung (z.b. NO x )

20 Jedrysek M.O., Krapiec M., Skrzypek G., Kaluzny A. (2003): Air-pollution effect and Paleotemperature scale versus d13c records in tree rings and in a peat core (Southern Poland). Water, Air, and Soil Pollution 145, Korrelation von δ 13 C org des Torfprofils mit δ 13 C der Baumringe

21 Jedrysek et al. (2003): - bis zum 19. Jhd ist der bestimmende Faktor für δ 13 C org Werte die Temp. - nach der Regulierung des Weichsel-Flusses führt Wasserdefizit zu zusätzlichen Fraktionierungseffekten - nach 1955 ist Luft-Verschmutzung der dominierende Faktor für δ 13 C org Werte (führte zur Anhebung um 1.3 ) durch Abgase (SO x, Staub) des Stahlwerkes Lenin

22 Fricke et al. (1998): Intra-tooth variations in δ 18 O (PO 4 ) of mammalian tooth enamel as a record of seasonal variations in continental climate variables Saisonunterschiede Sommer/Winter: (Sommer = Juni + Juli + August Winter = Dezember + Januar + Februar) für: -Temperatur - Niederschlag - δ 18 O des Niederschlags

23 Fricke et al. (1998)

24 Fricke et al. (1998): Saisonale Schwankungen der δ 18 O (PO 4 ) des Zahnschmelzes von Rindern, Schweinen, Elchen, Schafen aus verschiedenen Untersuchungsgebieten

25 Fricke et al. (1998): Ableitung von Temperaturen mittels δ 18 O (PO 4 ) des Zahnschmelzes von Schafen

26 Sulfate der Grubenwässer Haubrich & Tichomirowa (2002)

27 Weitere Anwendungen von stabilen Isotopen in der Ökologie z.b. in Auf Spurensuche in der Natur: Stabile Isotope in der ökologischen Forschung, Bayerische Akademie der Wissenschaften, Band 30, 2005 (Auswahl): - Leuenberger M.: Stabile Isotope in polaren Eisbohrkernen enthalten klimarelevante Information. - Struck U., Pollehne F.: Stickstoffisotope in See- und Küstensedimenten als Indikatoren für den Einfluss der Eutrophierung. - Gebauer G.: Partnertausch im dunklen Wald Stabile Isotope geben neue Einblicke in das Ernährungsverhalten von Orchideen - Schnyder H., Schäufele R.: 13 C- und 18 O-Signatur des CO 2 Marker für CO 2 -Flüsse im Ökosystem? - Auerswald K., Schwertl M., Schäufele R., Schnyder H.: Let the sheep do the sampling Tierhaare als Werkzeug der Ökosystemanalyse. - Flessa H.: Kohlenstoffspeicherung im Boden Analyse anhand stabiler Kohlenstoffisotope. - Giesemann A.: Dem Schwefel auf der Spur Schwefelisotope in der ökologischen Forschung. - Rossmann A.: Etikettenschwindel? Stabilisotopenanalysen von Lebensmitteln mit geschützter geografischer Herkunft.

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29 Quellen: - Fricke H.C., Clyde W.C., O Neil J.R. (1998) Geochim. Cosmochim. Acta 62, Haubrich F., Tichomirowa M. (2002):Sulfur and oxygen isotope geochemistry of acid mine drainage the polymetallic sulfide deposit Himmelfahrt Fundgrube in Freiberg (Germany). Isotopes Environm. Health Stud. 38, Jedrysek et al. (2003): Air pollution effect and paleotemperature scale versus d13c records in tree rings and in a peat core (Southern Poland). Water, Air, and Soil Pollution 145, Petit et al. (1999): Climate and atmospheric history of the past xears from the Vostok ice core, Antarctica. Nature 399, Vimeux et al. (1999): Glacial interglacial changes in ocean surface conditions in the Southern Hemisphere. Nature 398, http The Greenland Summit Ice Cores CD-ROM