Die Klimafibel (eBook)

I. KLIMAGESCHICHTE

wellenförmige Temperatur- und
Treibhausgasschwankungen seit
Millionen von Jahren

Dafür ist die Paläoklimatologie zuständig, die Wissenschaft von der Klimageschichte. Die vorindustrielle Klimaentwicklung stellt einen wichtigen Kalibrierungsdatensatz für Klimamodelle dar, um möglichst sichere Zukunftsprognosen treffen zu können. Erst seit 1860 gibt es systematische, instrumentelle Messungen als direkte Messungen, um zum Beispiel die Globaltemperaturen auf unserer Erde ermitteln zu können. Historische Aufzeichnungen zur Klimageschichte in Schrift und Bild reichen dagegen einige tausend Jahre zurück. Messungen sind hier das zentrale Thema. Beginnen wir mit den indirekten Messungen (s. Abb 1a)

1. Indirekte Messungen (Proxydaten, Proxys)

Für Einblicke in die Klimate fernerer Vergangenheit werden indirekte Messungen, sogenannte Proxydaten oder Proxys, aus natürlichen Archiven wie Bäumen, Korallen, Stalagmiten, Eisbohrkernen und Tiefsee-Sediment-Rohmaterialien herangezogen.

Von besonderem Interesse sind: die Altersdatierung, die Ermittlung von Temperatur, Niederschlag, Sonnenaktivität und der Luftgehalt von Treibhausgasen. Für die Erkundung dieser Kenngrößen spielen Isotopenuntersuchungen eine zentrale Rolle.

Deshalb möchte ich zunächst das Wesen der Isotope und das Grundprinzip dieser Untersuchungsmethode erläutern. Ein Element besteht aus verschiedenen Isotopen. Die Isotope eines Elementes unterscheiden sich durch ihre Kernsorten, die als Nuklide bezeichnet werden. Die Nuklide setzen sich aus geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen zusammen. Der Unterschied zwischen den Isotopen eines Elementes besteht in der Anzahl der Neutronen und damit ihrer Massenzahl. Diese repräsentiert die Summe von Protonen und Neutronen, die Ordnungszahl nur die der Protonen.

2. Prinzip der Isotopenuntersuchungen

Bei den Isotopenuntersuchungen wird das Verhältnis der Massen zweier Isotopenpartner zueinander ermittelt. Nur ein Isotop oder sehr wenige Isotope eines Elements sind stabil, die übrigen sind instabil, das bedeutet, sie zerfallen radioaktiv. Die stabilen Isotope haben -ohne jedweden äußeren Einfluss- ein festes Verhältnis zueinander.

Per Massenspektrometrie können die Massen der unterschiedlichen Isotope eines Elementes gemessen werden. So kann das Massenverhältnis der Isotopen zueinander, das sogenannte Isotopenverhältnis, direkt ermittelt werden. Das Isotopenverhältnis wird meist mit dem vorangestellten »Delta« kenntlichgemacht.

Zur Bestimmung von Temperaturen, Sonnenintensitäten, Niederschlägen etc. wird ein Isotopenpaar mit zwei stabilen Partnern als Indikator ausgewählt. Das Massenverhältnis der Partner zueinander verändert sich, weil ein Partner seine Masse unter dem Einfluss der Klimaparameter verändert.

Zur Altersbestimmung werden zwei Methoden von Isotopenuntersuchungen genutzt: Bei der Radiokarbonmethode (siehe später) ist der eine Partner des Kohlenstoff- Paares stabil, der andere zerfällt radioaktiv (s. Abb. 1b)

Bei der Uran-Blei-Methode (siehe später) hingegen sind beide Blei Isotopen-Partner stabil. Das instabile Isotop eines anderen(!) Elements, hier des Urans, zerfällt radioaktiv zum Abbauprodukt eines der beiden Bleiisotopen Partner. Dadurch verändert sich das Massenverhältnis der zwei Bleiisotope zueinander (s. Abb. 1c)

Zur Altersbestimmung einer Substanz werden dann folgende Kenntnisse herangezogen: der aktuelle Bestand des zerfallenden Isotops, der Anfangsbestand des zerfallenden Isotops, die Zerfallsrate des zerfallenden Isotops (Halbwertszeit bzw. Zerfallskurve), und das in der Regel feste Verhältnis eines Isotopenpaares mit zwei stabilen Partnern.

3. Altersbestimmung, Zeitdatierung

Um Einblicke in längst vergangene Klimate zu gewinnen, ist die Datierung der Zeit eine unabdingbare Voraussetzung. Mit den nachfolgenden verschiedenen Bestimmungsmethoden sind unterschiedlich weite Einblicke in die Vergangenheit möglich:

• bis zu Milliarden von Jahren mit der Uran-Blei-Methode
• bis zu einer Million Jahren durch das Zählen von Schichten in Eisbohrkernen oder Sedimententnahmen
• bis zu 60 000 Jahren mit der Radiokarbondatierung= Delta-C14-Methode
• bis zu 10 000 Jahren durch das Zählen von Baumringen (Dendrochronologie)

Uran-Blei-Methode

Mit dieser Methode können wir das Alter von Gesteinen, die durch das Erstarren von Magma entstanden sind, feststellen.

Im magmatischen Erstarrungsgestein, wie zum Beispiel Granit und Basalt, liegen die Bleiisotope PB 206 und PB 204 in einem festen Verhältnis vor. Das bedeutet: Kennen wir zum Beispiel die Menge eines Bleiisotopen Partners, lässt sich die Menge des anderen leicht ermitteln. Während die beiden Bleiisotope Pb 206 und Pb 204 absolut stabil sind, zerfällt das ebenfalls in magmatischem Gestein vorhandene Uran Isotop U 238 ab dem Erstarrungsprozess (!) mit einer Halbwertszeit von 4,47 Milliarden Jahren und wird über verschiedene Zwischenstufen zum stabilen Bleiisotop PB 206 (s. Abb. 1c). Die im Gestein gemessene Gesamtmenge von PB 206, bestehend aus dem ursprünglichen PB 206 und dem neu hinzugekommenen, steigt dadurch permanent. Ziehen wir von der PB 206-Gesamtmenge die ursprüngliche PB 206-Menge ab, erhalten wir die durch den radioaktiven Zerfall von Uran 238 entstandene Menge an Blei 206. Nun können wir anhand der bekannten Halbwertszeit von Uran 238 – 4,47 Milliarden Jahre – berechnen, welche Zeit hierfür benötigt wurde. Diese Zeit stellt das Alter des Gesteins dar.

Diese Methode lässt Einblicke in die Vergangenheit für Milliarden von Jahren zu. So kann damit auch das Alter der Erde bestimmt werden. Das Gestein an der Erdoberfläche ist allerdings bedingt durch geologische Prozesse jünger als die Erde insgesamt. Da Mond und Erde gleich alt sind, bedient sich die Wissenschaft deshalb der Mondgesteine, weil auf der Mondoberfläche keine zwischenzeitlichen Veränderungen eingetreten sind.

Die dargestellte Uran-Blei-Methode ist nicht an Sedimentgesteinen anwendbar, die aber zwei Drittel der Erdoberfläche bedecken und in denen die meisten Fossilien gefunden werden. Hier kann der annähernd genaue Zeitraum nur über das Alter des darüber und darunter vorgefundenes magmatisches Gestein eingegrenzt werden.

Auswertung von Eisbohrkernen
und Sedimentbohrkernen

Die Altersbestimmung über Eisbohrkerne ist möglich, weil die Schnee-/Eisschichten optisch erkennbar in Jahreszeiträume getrennt werden können. Jedes Jahr kommt es nämlich zu Staubablagerungen in der schneearmen Jahreszeit. Das Auszählen der Schichten ermöglicht Einblicke in die Vergangenheit von etwa 1 Million Jahren. So können zum Beispiel in das Eis eingeschlossene Gasbläschen datiert werden. In ähnlicher Weise funktioniert das auch bei Sedimentbohrkernen.

Delta-C-14 Methode (Radiokarbonmethode)

Grundlage dieses Verfahrens ist, dass in der Atmosphäre neben dem normalen und stabilen C12 auch C14 (Radiokarbon) in sehr niedrigen Konzentrationen vorkommt. Im Gegensatz zum stabilen Kohlenstoff 12 ist das Radiokarbon instabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren (s. Abb. 1b).

Jeder lebende Organismus auf Erden nimmt ständig neuen Kohlenstoff auf. In seinem Körper findet sich das gleiche Verhältnis C12 zu C14 wie in der Atmosphäre. Sobald ein Lebewesen stirbt, nimmt es keinen Kohlenstoff mehr auf. Das führt dazu, dass der C12-Gehalt unverändert bleibt, das C14 entsprechend seiner bekannten Halbwertszeit von 5.730 Jahren dagegen zerfällt und der C14-Gehalt permanent sinkt. Über das zeitgebundene Verhältnis C12 zu C14 lässt sich somit das Alter des verstorbenen Lebewesens bestimmen.

Dabei müssen Schwankungen des C12 zu C14-Verhältnisses, die über Jahrtausende vorkommen, über eine entsprechende Kalibrierung berücksichtigt werden.

Wegen der kurzen Halbwertszeit kann das Alter von Fossilien mit der Radiokarbonmethode nur bis maximal 60.000 Jahre ermittelt werden, da nach etwa 10 Halbwertszeiten die Menge an radioaktivem Radiokarbon-Material nur noch verschwindend gering ist

Auszählung von Baumringen und Korallenringen

Anhand von Jahresringen ist es möglich, das Alter von Bäumen und Korallen zu ermitteln. Mit der Altersanalyse von Bäumen (Dendrochronologie) gelingt es, bis etwa 10.000 Jahre in die Vergangenheit zurückzuschauen. Eine gute Überprüfung der Ergebnisse innerhalb dieses Zeitrahmens ist mit der Delta-C14-Methode möglich.

Das Alter des Sonnensystems mit Erde
und unserer Milchstraße

Neben der Altersdatierung von organischen Substanzen und Gesteinen ist es gelungen, das Entstehungsalter der Erde und unseres Sonnensystems sowie unserer Milchstraße (Galaxie) zu ermitteln....