Erste Rekonstruktion des Klimas des Holozäns

Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Wenz, Sarah; Leonhardt, Jens; Tjallingii, Rik; Scholz, Denis; Jochum, Klaus-Peter; Marwan, Norbert

A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, S. EGU2016-14213, 2016.

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Die ersten Ergebnisse der geochemischen Analysen der drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3 lassen bereits Aussagen über die klimatischen Veränderungen des Klimas der letzten 14.000 Jahre zu. Eine ausführliche Interpretation findet sich im Beitrag Klimazonenverschiebung in Mitteleuropa.

Erste Ergebnisse aus Analysen von BB-1 bis BB-3

Biomineralisation von Kalzit durch Bakterienisolate

Keiner, Robert; Frosch, Torsten; Hanf, Stefan; Rusznyak, Anna; Akob, Denise M; Küsel, Kirsten; Popp, Jürgen

Raman Spectroscopy—An Innovative and Versatile Tool To Follow the Respirational Activity and Carbonate Biomineralization of Important Cave Bacteria Artikel

Analytical Chemistry, 85 (18), S. 8708–8714, 2013.

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Rusznyák, Anna; Akob, Denise M; Nietzsche, Sándor; Eusterhues, Karin; Totsche, Kai Uwe; Neu, Thomas R; Frosch, Torsten; Popp, Jürgen; Keiner, Robert; Geletneky, Jörn; Katzschmann, Lutz; Schulze, Ernst-Detlef; Küsel, Kirsten

Calcite Biomineralization by Bacterial Isolates from the Recently Discovered Pristine Karstic Herrenberg Cave Artikel

Applied and Environmental Microbiology, 78 (4), S. 1157–1167, 2012.

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Anhand von Stalaktitenmaterial und fluvialenfluvial Durch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. Sedimenten aus der Bleßberghöhle wurde die Vielfalt und Aktivität der enthaltenen Bakterien und deren Bildung von Karbonatmineralen erforscht. Dazu wurden verschiedenste Techniken wie phylogenetische Analysenphylogenetische Analyse Molekularbiologische Untersuchung evolutionärer Verwandtschaftsverhältnisse von Organismen (z. B. durch Abgleich von Erbinformationen)., BakterienkultivierungBakterienkultivierung Für weitergehende Untersuchungen werden Bakterien im Labor auf geeigneten Nährlösungen vermehrt., ElektronenmikroskopieElektronenmikroskopie Spezielle Art der Mikroskopie, die Elektronen statt Licht verwendet, um eine deutlich höhere Auflösung zu erzielen., RöntgenspektroskopieRöntgenspektroskopie Ein spezielles Analyseverfahren, bei dem mittels Röntgenstrahlen die interne Struktur von Objekten untersucht werden kann., konfokale Laser-Scanning-Mikroskopiekonfokale Laser-Scanning-Mikroskopie Eine spezielle Art der Mikroskopie, bei der ein stark fokussierter Laserstrahl das Objekt abtastet, um eine höhere Auflösung als bei herkömmlichen Lichtmikroskopen zu erreichen. und RamanspektroskopieRamanspektroskopie Ein spezielles Verfahren zur Untersuchung von Materialeigenschaften, bei dem die unterschiedlichen Frequenzen des am Objekt gestreuten Lichtes zur Interpreation genutzt werden. angewendet.

Auf der Oberfläche und im Inneren der Stalaktiten wurden Bakterien mithilfe von konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie gefunden. Phylogenetische Analysen zeigten, dass an und in den Stalaktiten und auch in den fluvialen Sedimenten ProteobakterienProteobakterien Eine Gruppe von Bakterien, zu denen viele wichtige stickstofffixierende Bakterien und Krankheitserreger gehören. am häufigsten in der Bakteriengemeinschaft vertreten waren, aber auch andere Gruppen wie ActinobakterienActinobakterien Eine der artenreichsten Gruppe von Bakterien, die sich u. a. durch einen hohen Anteil der Nukleinbasen in ihrer Bakterien-DNS auszeichnen. oder FirmicutesFirmicutes Eine artenreiche Gruppe innerhalb der Bakterien. Unterscheiden sich von den Actinobakterien unter anderem durch ihren niedrigeren Gehalt an Nukleinbasen in der Bakterien-DNS.. Viele der detektierten Bakterien sind bisher unkultiviert.

Aus den Höhlensedimenten wurden insgesamt neun neue Bakterienkulturen isoliert, die auf alkalischem Karbonat-Fällungsmedium wuchsen und zu den Bakteriengattungen Arthrobacter, Flavobacterium, Pseudomonas, Rhodococcus, Serratia und Stenotrophomonas gehörten. Von diesen wurden die zwei mit der intensivsten PräzipitatbildungPräzipitat Niederschlag oder Bodensatz einer Flüssigkeit. für die weitere Forschung ausgewählt: Arthrobacter sulfonivorans SCM3 und Rhodococcus globerulus SCM4. Beide produzierten extrazelluläre polymere Substanzenextrazelluläre polymere Substanzen Langkettige, organische Verbindungen, die von Mikroorganismen außerhalb ihrer Zellstruktur gebildet und an die Umgebung abgegeben werden. (EPS) und wuchsen als Zell-Aggregate.

Rasterelektronenmikroskopie von Zellaggregaten und extrazellulärer polymerer Substanz (EPS) der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 und Rhodococcus globerulus SCM4
Rasterelektronenmikroskopie von Zellaggregaten und extrazellulärer polymerer Substanz (EPS) der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 (links) und Rhodococcus globerulus SCM4 (rechts) (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).

Die gebildeten Karbonatminerale waren Mischungen aus Kalzit, VateritVaterit Eine metastabile Modifikation von Kalziumkarbonat. und MonohydrokalzitMonohydrokalzit Eine Modifikation von wasserhaltigem Kalziumkarbonat.. Dabei bildete Arthrobacter sulfonivorans SCM3 xenomorphexenomorph Die Kristallgestalt des Minerals ist anders, als sie eigentlich sein sollte, z. B. weil das regelmäßige Wachstums des Kristalls gehemmt wurde. kugelförmige Kristalle, und Rhodococcus globerulus SCM4 idiomorpheidiomorph Die Kristallgestalt des Minerals ist ideal und entspricht den physikalischen, charakteristischen Eigenschaften des Minerals. Kristalle mit rhomboedrischer Morphologie.

Der Biomineralisierungsprozess von Arthrobacter sulfonivorans SCM3 wurde mittels einer Kombination aus Raman-Makro- und -Mikrospektroskopie weiter untersucht, um eine ortsaufgelöste chemische Darstellung der verschiedenen Arten von Kalziumkarbonat-Mineralen zu erhalten. Die Zell-Oberfläche von Arthrobacter sulfonivorans SCM3 diente als Keim für die Biomineralisation von Vaterit-Präzipitaten. Diese waren zunächst kugelförmig und wuchsen dann als chemisch stabile, steinbildende Kalzitkristalle mit rauen Kanten weiter.

Rasterelektronenmikroskopie von Präzipitaten der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 und Rhodococcus globerulus SCM4
Rasterelektronenmikroskopie von Präzipitaten der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 (links) und Rhodococcus globerulus SCM4 (rechts) (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).

Modellierung der Verkarstung

Kaufmann, Georg; Romanov, Douchko

Modelling long-term and short-term evolution of karst in vicinity of tunnels Artikel

Journal of Hydrology, 581 , S. 124282, 2020.

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Kaufmann, Georg; Romanov, Douchko

Karst and trains: The challenge of railway tunneling Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, S. EGU2019-3554, 2019.

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Die Stärke und Geschwindigkeit der Verkarstung hängt von verschiedenen Parametern ab, wie vom Wasserhaushalt oder den vorhandenen Gesteinen. Mit einem VerkarstungsmodellModell Ein Computermodell ist in der Regel eine Sammlung von vielen mathematischen Gleichungen, die verschiedene natürliche (physikalische, chemische, biologische) Vorgänge sehr gut mathematisch darstellen. Im Computer kann man das Modell mit verschiedenen Parameterwerten (z. B. verschiedene Häufigkeit von Klüften, verschiedene Temperatur) laufen lassen, wodurch man ein sehr gutes Verständnis der Zusammenhänge und Einflußfaktoren auf die zu untersuchenden Phänomene erhält. wurde nun modelliert, wie sich im Bereich der Schalkauer Platte die Verkarstung entwickelt hatte und wie sie sich in Zukunft entwickeln wird.

Das ModellModell Ein Computermodell ist in der Regel eine Sammlung von vielen mathematischen Gleichungen, die verschiedene natürliche (physikalische, chemische, biologische) Vorgänge sehr gut mathematisch darstellen. Im Computer kann man das Modell mit verschiedenen Parameterwerten (z. B. verschiedene Häufigkeit von Klüften, verschiedene Temperatur) laufen lassen, wodurch man ein sehr gutes Verständnis der Zusammenhänge und Einflußfaktoren auf die zu untersuchenden Phänomene erhält. zeigt regionale Unterschiede im Verkarstungspotential. Vor allem in den Bereichen, in denen das Modell verstärkte Verkarstung berechnet hat, gibt es mehr Höhlen, u. a. die Bleßberghöhle. Die Modellierung der künftigen Entwicklung vor allem im Bereich des beim Tunnelbau verblockten Höhlenteils unter dem Tunnel ergab eine substantielle Verstärkung der Verkarstung in diesem Bereich, d. h. eine schnellere Aufweitung von Klüften und Spalten (im Zeitrahmen von 100 bis 200 Jahren).

Abrupte Änderungen im Klima

Marwan, Norbert; Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Scholz, Denis; Leonhardt, Jens

Recurrence properties as signatures for abrupt climate change Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, S. EGU2014-8893, 2014.

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Am PIK werden u. a. neue Methoden entwickelt, die einerseits neue Aspekte in Paläoklimadaten untersuchen, die aber auch mit den Schwierigkeiten klarkommen, die für gewöhnlich mit Paläoklimaanalysen zusammenhängen – wie z. B. Lücken in den DatenLücken in den Daten Stalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Es kann sogar zu langen Ruhephasen kommen, in denen gar kein Wachstum stattfindet. Somit werden zu diesen Zeiten die entsprechenden Umweltinformationen nicht im Stalagmit abgespeichert. Es entstehen also "Lücken" in den Daten., Unsicherheiten der AlterUnsicherheiten der Alter Um die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. oder Unregelmäßigkeiten der DatenpunkteUnregelmäßigkeiten der Datenpunkte Stalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Daher kann man die im Stalagmiten gemessenen Umweltveränderungen nicht gleichmäßig bestimmten Zeitpunkten (z. B. jährliche Zeitpunkte) zuordnen. Das erschwert in der Regel statistische Auswertungen, da die Auswertemethoden meist von gleichmäßig verteilten Zeitpunkten ausgehen.. Dabei handelt es sich zwar um Grundlagenforschung, aber diese wird auch sofort auf interessante Fragestellungen angewendet.

Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung und Anwendung von Methoden, die speziell die wiederkehrenden Muster untersuchen (im englischen: „recurrence“). Diese Methoden sind sehr erfolgreich für das Auffinden von abrupten Änderungen, aber auch für das Vergleichen verschiedener Datensätze, um z. B. herauszufinden, ob es da gegenseitige Einflüsse gibt.

In einer unserer ersten Analysen von den drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3, hatten wir uns die Sauerstoffisotopeδ18O Der Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. von BB-1 mit diesen Wiederkehr-Methoden angeschaut. Dabei hatten wir extra auch die DatierungsunsicherheitUnsicherheiten der Alter Um die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. mit berücksichtigt. Durch die Datierungsunsicherheiten gibt es kleine Verschiebungen der Zeitreihe entlang der x-Achse. Innerhalb der Unsicherheiten sind daher verschiedene Realisierungen des Verlaufs der gemessenen Sauerstoffisotope möglich.

Sauerstoffisotope von BB-1
Sauerstoffisotope von BB-1. Durch die Datierungsunsicherheiten gibt es verschiedene Möglichkeiten, zu welcher Zeit es Änderungen in diesem Klima-Archiv gab. Der Stalagmit ist in der Zeit von vor etwa 6.000 bis vor etwa 400 Jahren gewachsen.

Die Wiederkehrmuster werden mit einem speziellen Analysewerkzeug untersucht, dem sogenannten „recurrence plot“. Damit lassen sich Zeiten darstellen, zu denen ähnliche Zustände aufgetreten sind. Die Muster, die man in so einem „recurrence plot“ sieht, haben eine tiefere Bedeutung und können weiter analysiert und quantifiziert werden, um Änderungen in der DynamikDynamik Die zeitliche Veränderung von Zuständen, wie z. B. die zyklische Änderung des Klimas zwischen Warm und Kaltzeiten. des zugrundeliegenden Prozesses zu finden.

Recurrence plot der Sauerstoffisotope von BB-1
Recurrence plot einer Realisierung der gemessenen Sauerstoff-Isotopeδ18O Der Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. in BB-1.

Die numerische Analyse von „recurrence plots“ liefert verschiedene Ergebnisse, die verschiedene Aspekte der Klimadynamik beleuchten. Zwei solcher Ergebnisse sind hier kurz dargestellt: einerseits die KomplexitätKomplexe Systeme Komplexe Systeme bestehen aus sehr vielen Komponenten, die auch miteinander wechselwirken, zeigen unvorhersagbares Verhalten und können trotzdem charakteristische Muster hervorrufen (weshalb sie sich deutlich von rein zufälligen Systemen unterscheiden). der Klimavariabilität („TransitivityTransitivity Ein Maß aus der Netzwerktheorie, welches quantifiziert, wie stark sich Zustände zu kleinen Gruppen zusammenfinden.“) und andererseits, wie gut so ein Klimasignal vorhersagbar wäre („DeterminismDeterminism Ein Maß aus der Wiederkehr-Analyse, welches beschreibt, wie gut sich die Veränderung eines Systems vorhersagen läßt.“). Beide Ergebnisse zeigen eine generelle Tendenz zu größerer Komplexität und geringerer Vorhersagbarkeit für jüngere Alter. Sie zeigen aber auch für bestimmte Zeitpunkte kurzzeitige Anstiege zu besserer Vorhersagbarkeit, nämlich ungefähr vor 4.200, 2.800 und 1.400 Jahren. Genau zu diesen Zeitpunkten kam es zu kurzzeitigen und schnellen Vereisungen im Nordatlantik, den sogenannten „Bond-EreignissenBond-Ereignis Kurze Zeiträume im Holozän, in denen kühleres Oberflächenwasser und Treibeis aus dem Arktischen Ozean bis tief in wärmere subpolare Gewässer getrieben wurde.“. Gleichzeitig gibt es Variationen in der Komplexität des Klimasignals („Transitivity“), allerdings bewegen sich diese Variationen innerhalb eines Unsicherheitsbereiches (KonfidenzintervallKonfidenzintervall Im Rahmen der Statistik ein Bereich, in dem man den gemessenen Veränderungen nicht wirklich vertrauen kann.), so daß wir diese nicht wirklich interpretieren dürfen.

Recurrence quantification der Sauerstoffisotope von BB-1
Quantitative Analyse von Wiederkehrmustern in den Sauerstoffisotopenδ18O Der Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an.-Messungen von BB-1.

Neue Methoden zur Untersuchung der Paläoklimadynamik

Marwan, Norbert; Kraemer, Kai Hauke; Wiesner, Karolin; Breitenbach, Sebastian F. M.; Leonhardt, Jens

Recurrence based entropies Vortrag

07.05.2019, (Fourth International Conference on Recent Advances in Nonlinear Mechanics, Łódz (Poland)).

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Marwan, Norbert; Kraemer, Kai Hauke; Wiesner, Karolin; Breitenbach, Sebastian F. M.; Leonhardt, Jens

Recurrence based entropies Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, S. EGU2019-2817, 2019.

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Am PIK werden u. a. neue Methoden entwickelt, die einerseits neue Aspekte in Paläoklimadaten untersuchen, die aber auch mit den Schwierigkeiten klarkommen, die für gewöhnlich mit Paläoklimaanalysen zusammenhängen – wie z. B. Lücken in den DatenLücken in den Daten Stalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Es kann sogar zu langen Ruhephasen kommen, in denen gar kein Wachstum stattfindet. Somit werden zu diesen Zeiten die entsprechenden Umweltinformationen nicht im Stalagmit abgespeichert. Es entstehen also "Lücken" in den Daten., Unsicherheiten der AlterUnsicherheiten der Alter Um die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. oder Unregelmäßigkeiten der DatenpunkteUnregelmäßigkeiten der Datenpunkte Stalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Daher kann man die im Stalagmiten gemessenen Umweltveränderungen nicht gleichmäßig bestimmten Zeitpunkten (z. B. jährliche Zeitpunkte) zuordnen. Das erschwert in der Regel statistische Auswertungen, da die Auswertemethoden meist von gleichmäßig verteilten Zeitpunkten ausgehen.. Dabei handelt es sich zwar um Grundlagenforschung, aber diese wird auch sofort auf interessante Fragestellungen angewendet.

In diesem Beispiel wurde eine Methode entwickelt, die die Regelmäßigkeit bestimmter Muster in den Daten bestimmt. Die Fachbegriffe sind hier „recurrence“ (Wiederkehr) und „entropy“ (ein Maß für die Unordnung). Methoden, die nach wiederkehrenden Mustern suchen, finden in verschiedenen Fachbereichen Anwendung, nicht nur in den Geowissenschaften, sondern auch in der Medizin, im Maschinenbau, Finanzsektor usw. Neben dem Auffinden von abrupten Änderungen werden sie auch für den Vergleich verschiedener Datensätze oder zur Klassifizierung (z. B. für Maschinelles Lernen) benutzt.

Die weiterentwickelte Methode wurde auf die Kohlenstoffisotopendaten von BB-1 und BB-3 angewendet (dazu wurden die Daten aus beiden Stalagmiten mit einem speziellen Verfahren zu einer langen Datenreihe vereinigt). Interessanterweise gibt es regelmäßige Unterschiede während des Einflusses des maritimen Klimas (Atlantikeinfluß) und während des Einflusses des Kontinentalklimas. Während des Atlantikeinflusses scheint sich das Klima regelmäßiger geändert zu haben als während des dominierenden Kontinentalklimas (da kann z. B. durch den regelmäßigen Wechsel von Kaltereignissen im Nordatlantik, sogenannten „Bond-EreignissenBond-Ereignis Kurze Zeiträume im Holozän, in denen kühleres Oberflächenwasser und Treibeis aus dem Arktischen Ozean bis tief in wärmere subpolare Gewässer getrieben wurde.“, oder auch mit der Nordatlantik-OszillationNordatlantische Oszillation Regelmäßige Schwankung des Druckverhältnisses zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden über dem Nordatlantik. Verantwortlich für schnell wechselnde Großwetterlagen oder stabilen Wetterlagen (Schön- wie Schlechtwetter) in Europa und sogar Asien. zusammenhängen). Das könnte genutzt werden, um den Wechsel der Klimazonengrenze, wie er für die letzten 4000 Jahren bekannt ist (siehe Klimazonenverschiebung in Mitteleuropa), weiter in die Vergangenheit auszuweiten. Immer wenn das neue Maß anzeigt, daß es eine regelmäßigere Klimadynamik gab, lag die Klimazonengrenze weiter östlich von der Bleßberghöhle.

Klimazonenverschiebung in Mitteleuropa

Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Waltgenbach, Sarah; Tjallingii, Rik; Leonhardt, Jens; Jochum, Klaus-Peter; Meyer, Hanno; Goswami, Bedartha; Marwan, Norbert; Scholz, Denis

Holocene interaction of maritime and continental climate in Central Europe: New speleothem evidence from Central Germany Artikel

Global and Planetary Change, 176 , S. 144–161, 2019.

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Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Wenz, Sarah; Leonhardt, Jens; Tjallingii, Rik; Scholz, Denis; Jochum, Klaus-Peter; Marwan, Norbert

A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany Inproceedings

Geophysical Research Abstracts, S. EGU2016-14213, 2016.

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BB-1, BB-2 und BB-3.
BB-1, BB-2 und BB-3.

Die drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3 wurden von GFZ Potsdam, Ruhr-Uni Bochum, PIK Potsdam, Uni Mainz und Northumbria University geochemischGeochemie Untersuchung kleinster chemischer Unterschiede, meist anhand von Isotopenverhältnissen und Elementverteilungen, um Aussagen zu den Klima- und Umweltbedingungen während der erdgeschichtlichen Entstehung der Probe zu erhalten. untersucht.

Die DatierungDatierung Um einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). (U/ThU/Th-Datierung Die U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute.) wurde an der Uni Mainz vorgenommen. Stalagmit BB-1 ist vor 5.600 bis 600 Jahren, BB-2 vor 6.200 bis 3.700 und BB-3 (obwohl der kürzeste) vor 11.200 bis 5.300 Jahren gewachsen. Am GFZ wurden im BB-1 in über 1.000 Proben Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopeδ18O Der Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an.13C und δ18O) gemessen, im BB-2 und BB-3 jeweils etwa 400 bzw. 540 Proben. Parallel dazu wurde die Verteilung verschiedener Elemente (u.a. Sr/Ca und S/Ca) röntgenanalytisch gemessen. Die Altersmodellierung und statistische Auswertungen erfolgten an Ruhr-Uni Bochum, PIK Potsdam und Northumbria University.

In den AltersmodellenAltersmodell Nach der Datierung eines Stalagmiten werden allen anderen Messungen (z. B. Isotopenverhältnisse), die ursprünglich entlang einer Längen-Achse durchgeführt wurden, ein Alter zugeordnet. der Stalagmiten BB-1 und BB-3 sind abrupte Wechsel von langsamen zu schnellem Wachstum bei etwa 5.900 v. Chr. und von schnellem zu einem eher langsamen Wachstum bei etwa 2.600 v. Chr. zu erkennen.

Altersmodell BB-1 und BB-3
Altersmodelle der Stalagmiten BB-1 und BB-3. Deutlich sind Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeiten bei etwa 6.200 v. Chr. und zwischen 5.900 und 2.600 v. Chr. zu erkennen, wofür Klimaänderungen verantwortlich sind.

Die zeitlichen Änderungen der Isotopenverhältnisse wurden mit Paläoklimadaten aus der Bunkerhöhle in Nordrhein-Westfalen und aus Grönland verglichen.

Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope von BB-1 und BB-3
Isotopenverhältnisse in Stalagmiten BB-1 und BB-3 (kombiniert). Die längerfristigen Trends spiegeln vermutlich eine Änderung des solaren Einflusses wider. Die kurzzeitige Klima-Abkühlung um 6.200 v. Chr. ist deutlich in den Isotopenverhältnissen zu erkennen. Der abrupte Abfall der δ18O-Werte um 900 bis 1.200 AD fällt mit der mittelalterlichen Warmperiode zusammen.

Dieser Vergleich erlaubt eine Abschätzung der räumlichen Verteilung des Einflusses des maritimen, feuchten und warmen Atlantik-Klimas in Mitteleuropa. Die Bleßberghöhle befindet sich an der Grenze zwischen dem Einfluss des Atlantik-Klimas und dem kontinentalen, trockeneren und kälteren Klima aus dem Osten. Aus dem Wechsel zwischen stärkerer Ähnlichkeit und größeren Unterschieden im regionalen Klima an der Bleßberghöhle und der Bunkerhöhle läßt sich festzustellen, wann die Klimazonengrenze östlich oder westlich von der Bleßberghöhle lag, wann also das atlantische, feuchtere und wärmere Klima und wann das kältere und trockenere Kontinentalklima über der Bleßberghöhle vorherrschte. Diese Analyse konnte bis etwa 4.000 Jahre zurück durchgeführt werden (also etwa 2050 v. Chr.). Vor dieser Zeit können aufgrund fehlender Daten aus Grönland bislang keine Aussagen bezüglich der Lage der Klimazonengrenze getroffen werden, aber vermutlich lag um diese Zeit die Bleßberghöhle wohl im Einflussbereich des atlantischen Klimas. Um 1850 v. Chr. wechselte es dann zum kontinentalen Klima (in der späten Aunjetitzer KulturAunjetitzer Kultur Eine archäologische Kultur der Frühbronzezeit (ca. 2300 v. Chr. bis 1600/1500 v. Chr.). Bekannt durch die "Himmelsscheibe von Nebra"., bekannt durch die Himmelsscheibe von Nebra). Zwischen 950 bis 850 v. Chr. wurde der atlantische Einfluss wieder dominanter (gegen Ende der UrnenfelderkulturUrnenfelderkultur Weit verbreitete mitteleuropäische Kultur der späten Bronzezeit (1300 v. Chr. bis 800 v. Chr). Charakteristisch sind die Beisetzung der Toten in Urnen, sowie typische Bronze- und Keramikformen.).

Karte der Verlagerung der Klimazonengrenze.
Verlagerung der Klimazonengrenze (gestrichelt) nach Osten mit hypothetischem Verlauf (gepunktet) zur Zeit der Urnenfelderkultur (BU – Bunkerhöhle, BBH – Bleßberghöhle).