Quantitative Rekonstruktion des Klimas in Mitteleuropa während des MIS 3

DFG-Projekt: Quantitative Rekonstruktion des Klimas in Mitteleuropa während des MIS 3MIS 3 "MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. "MIS 3" bedeutet dabei eine kurzzeitige Warmphase (beginnend vor 57 Tausend Jahren) während der letzten Eiszeit. basierend auf Multi-ProxyProxy Umwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist  man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. Daten präzise datierter Spaläotheme (Flowstones) aus der Bleßberg Höhle, Deutschland

Projektleitung

• Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Geowissenschaften – Arbeitsgruppe Isotopengeochemische Paläoklimatologie/Speläothemforschung

Beteiligte Partner

• Northumbria University Newcastle, Geography and Environmental Sciences – Cold and Palaeo Environments Group
• Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) – Arbeitsgruppe Weiterentwicklung von Zeitreihenanalyse-Techniken
• Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ) – Arbeitsgruppe Stabile Isotope (Sedimente und Wasser)

Inhalt

Verglichen mit unserer aktuellen Warmzeit, dem HolozänHolozän Der jüngste Abschnitt der geologischen Zeitgeschichte, etwa die letzten 11.700 Jahre., ist das letzte Glazial und besonders das Marine Isotopenstadium 3MIS 3 "MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. "MIS 3" bedeutet dabei eine kurzzeitige Warmphase (beginnend vor 57 Tausend Jahren) während der letzten Eiszeit. (MIS 3, ca. 57 bis 27 kaka BP Mit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.) durch starke Klimaoszillationen geprägt. Dies wird beispielsweise durch Daten von 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. (δ¹⁸O) Daten grönländischer Eisbohrkerne oder auch europäischen Klimaarchiven wie Pollen- oder Baumring-Datensätzen belegt. Leider gibt es jedoch wenige direkte ProxyProxy Umwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist  man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet.-basierte Nachweise aus der Region Zentraleuropas, weshalb die Klima- und Umweltbedingungen während des MIS 3 noch immer größtenteils unbekannt sind. Zentraleuropäische SpeläothemeSpeläothem Sekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw. mit Wachstumsphasen während des MIS 3 sind durch vermutlich kalte Klimabedingungen limitiert und treten primär in wärmeren südlicheren, sowie alpinen Regionen, in denen das Wachstum durch Schmelzwässer ermöglicht wurde, auf.

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). mehrere Proben aus der Bleßberg-Höhle (Deutschland) mit Hilfe der ²³⁰Th/U-MethodeU/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. präsentierte allerdings zwei Flowstones, welche während des MIS 3 und des Spätglazials gewachsen sind. Diese beiden Flowstones repräsentieren damit den nördlichsten (kontinentalen) Wachstum von Speläothemen in Mitteleuropa.

Das Hauptziel dieses Projekts ist die Erstellung eines präzise datierten Multi-Proxy Datensatzes für das MIS 3, sowie das Spätglazial, basierend auf den zwei Flowstones aus der Bleßberg Höhle. Dies gibt uns die einzigartige Möglichkeit in ausgewählten Phasen des letzten Glazials präzise datierte Informationen zur Variabilität des terrestrischen Klimas zu erhalten, die derzeit für Mitteleuropa basierend auf Speläothemen nicht verfügbar sind. Mit der Kombination verschiedener Proxys wie stabile IsotopeIsotop Chemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. 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. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. oder SpurenelementeSpurenelement Ein Spurenelement ist ein chemisches Element genannt, das nur in geringer Konzentration in einer Probe vorhanden ist. Tropfsteine bestehen fast ausschließlich aus Kalziumkarbonat, also aus den Elementen Kalzium, Kohlenstoff und Sauerstoff. Andere Elemente kommen nur in sehr geringen Konzentrationen vor, sind aber vorhanden. Deren Konzentration hängt oft von den während der Entstehung des Tropfsteins herrschenden Umweltbedingungen ab., der Ergebnisse eines Höhlenmonitoring-Programms, der Analayse von δD und δ¹⁸O Daten von fluid inclusions und einer isotopeIsotop Chemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. 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. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben.-enabled Klimamodellierung, bekommen wir die Möglichkeit detaillierte Einblicke in die Umweltbedingungen Zentraleuropas während des MIS 3 und des Spätglazials zu erhalten.