Stabile Isotope in antarktischem Firn

Eisbohrkerne aus den Eisschilden Grönlands und Antarktikas gehören zu den erfolgreichsten Mitteln in der modernen Klimaforschung. Um mögliche Klimaänderungen und deren möglichen anthropogenen Anteil verstehen zu können, sind Kenntnisse über frühere Klimaverhältnisse und deren Veränderungen unerläßliche Voraussetzung. Üblicherweise werden Paläotemperaturen aus dem stabilen Isotop 18O in Eiskernen abgeleitet, da die Jahresmitteltemperatur am Ort der Deposition linear mit dem Isotopengehalt im Firn korreliert ist, obwohl dieser in komplexer Weise vom Ursprungsgebiet und der Entfernung zum Ursprungsgebiet des Niederschlags sowie Fraktionierungsprozessen während des Feuchtetransport zum Depositionsort abhängt. Es stellt sich jedoch zunehmend heraus, daß der lsotopengehalt des Eises außer von der Temperatur von diversen anderen Faktoren wie Meereisausdehung, Akkumulationsverteilung und Stärke der Inversion bestimmt wird. Leider liegen die meisten Bohrstellen in Gegenden, für die keine meteorologische Daten zur Verfügung stehen, was einen direkten Vergleich von beobachteten Temperaturen und 18O -Werten unmöglich macht. Auch weiß man wenig über die atmosphärische Zirkulation und die Niederschlagsprozesse in diesen Gebieten. Jedoch ist, speziell in Hinblick auf die geplante europäische Tiefbohrung in Dronning Maud Land im Rahmen von EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica), ein besseres Verständnis der atmosphärischen Bedingungen und Transportmechanismen, die zu den in den Eiskernen beobachteten Isotopenprofilen führen, dringend erforderlich. An der deutschen Überwinterungsstation "Neumayer" (7037` S, 8022` W) auf dem Ekstrom-Schelfeis (Dronning Maud Land) werden seit 17 Jahren intensive glaziologische Untersuchungen durchgeführt. Wöchentliche Akkumutationspegelablesungen werden durch Beprobung von Schneeschächten und Neuschnee sowie flachen Firnkernen ergänzt, deren Isotopengehalt bestimmt wird. Außerdem ist Neumayer ein meteorologisches Observatorium, an dem sämtliche bedeutenden meteorologischen Parameter (inclusive über Radiosondenaufstiege) routinemäßig bestimmt werden. Nach Wissen der Antragstellerin ist Neumayer die einzige Station mit so einer langfristigen, zeitlich hochaufgelösten Akkumulationsreihe, und während für die meisten Bohrstellen weder unabhängige Akkumulationsmessungen noch meteorologische Daten zur Verfügung stehen, bietet Neumayer den großen Vorteil, parallel, detaillierte Pegelmessungen, Schneeschächte, Firnbohrungen, Oberflächenschneeproben und meteorologische Messungen (inclusive Radiosonden) am selben Ort zu haben. Dadurch ergibt sich die einmalige Möglichkeit einer umfassenden glazialmeteorologischen Untersuchung. Das geplante Projekt strebt ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen stabilen Isotopen in Firn/Eis und den meteorologischen Bedingungen am Ort der Probennahme/Bohrung an. Dabei sollen sowohl die Beziehung zwischen den stabilen Isotopen und den meteorologischen Parametern am Ort der Deposition als auch die synoptischen Bedingungen, die zu den beobachteten Temperaturen und Isotopenwerten geführt haben, untersucht werden. Mit Hilfe eines Trajektorienmodells wird versucht, mehr Information über die Ursprungsgebiete des Niederschlags und die Wasserdampftransporte in die und innerhalb der antarktischen Atmosphäre zu erhalten. Beide Untersuchungen sollen für die Oberflächenschneeproben und für die Kern/Schachtdaten getrennt durchgeführt werden, da der direkte Vergleich dieser beiden Datensätze durch Wasserdampfdiffusion in der Schneedecke und durch Umlagerung des Schnees durch Windeinfluß nach dem Schneefall erschwert wird. Gewöhnlich ist die Amplitude der jahreszeitlichen Schwankungen des delta 18O in den Oberflächenschneeproben beträchtlich höher als in den Kernen. Daher ist eine parallele Behandlung der beiden Datensätze sowie die Untersuchung der Korrelation zwischen beiden geplant. Die Untersuchung wird in enger Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven, BRD, durchgeführt. Ein Teil der Bohrkerne und Oberflächenproben muß noch am AWI, wo Kältelabors und ein Massenspektrometer zur Isotopenanalyse zur Verfügung stehen, analysiert werden. Auch die Interpretation der Daten wird gemeinsam mit Dr. H. Oerter (Abt. Glaziologie, AWI), der auch für die Feldarbeiten in der Antarktis verantwortlich ist, erfolgen.

Eisbohrkerne aus den großen Eisschilden der Antarktis und Grönlands liefern wertvolle Informationen über das Klima der Vergangenheit. Um eine mögliche derzeitige Klimaänderung und einen möglichen anthropogenen Anteil daran verstehen zu können, ist es Voraussetzung, die Klimaänderungen der Vergangenheit zu kennen und zu verstehen. Eine der für Klimauntersuchungen wichtigsten Eigenschaften von Eisbohrkernen ist das Verhältnis der stabilen Sauerstoffisotope (versch. Arten von Sauerstoffmolekülen) im Schnee bzw. Eis, das sogenannte delta-18- O. Dieses Verhältnis ist gut mit der mittleren Jahrestemperatur am Ort des Schneefalls korreliert, obwohl es in komplexer Weise vom Ursprungsgebiet des Niederschlags und von physikalischen Prozessen auf dem Weg zum Ort des Schneefalls abhängt. Für eine korrekte klimatische Interpretation der Eisbohrkerne müssen die atmosphärischen Prozesse und Transportmechanismen, die zu den beobachteten delta-18-O-Werten führen, verstanden sein. Die Hauptschwierigkeit besteht hier darin, daß Eisbohrkerne meist an entlegenen Orten gezogen werden, für die keine meteorologischen Messungen vorliegen. An der deutschen Antarktisstation "Neumayer" werden seit über zwei Jahrzehnten intensive glaziologische und meteorologische Studien durchgeführt. Neben wöchentlichen Schneehöhenmessungen werden Schneeschächte, flache Firnkerne und Neuschneefälle beprobt, und die Isotopenverhältnisse dieser Proben werden analysiert. Neumayer ist außerdem ein meteorologisches Observatorium, für das Routinebeobachtungen aller wichtigen meteorologischen Parameter incl. Wetterballondaten vorliegen. Daher kann man hier die Beziehung zwischen den stabilen Isotopen im Firn/Eis und den meteorologischen Bedingungen des Ortes der Probennahme untersuchen, wobei sowohl die vorherrschenden Wetterbedingungen am Ort als auch die allgemeine Wettersituation - damit die atmosphärischen Transporte - betrachtet werden. Um die Transporte zu untersuche, wurde ein Computermodell verwendet, das die Transportwege eines Luftteilchens, sogenannte Trajektorien, für fünf Tage rückwärts berechnete. Es lieferte so Informationen über das Ursprungsgebiet des Niederschlags, das für die Beziehung zwischen Temperatur und stabilen Isotopen eine große Bedeutung hat. Im Rahmen des europäischen Eiskernbohrprojekts EPICA wird derzeit auf dem Plateau etwa 550km südsüdöstlich von Neumayer ein tiefer Kern erbohrt. Für die Interpretation dieses Kerns werden die Ergebnisse unserer Untersuchung hilfreich sein. Es wurde gezeigt, daß an Neumayer die jahreszeitliche Verteilung des Schneefalls einen großen Einfluß auf das Jahresmittel des delta-18-O-Wertes hat (z.B. führt ein relativ hoher Winterniederschlag zu zu tiefen delta-Werten, ein zu großer Anteil des Sommerniederschlags zu zu hohen delta- Werten.). Dies kann bei der Interpretation von tiefen Bohrkernen am Übergang zwischen Eiszeit und einem wärmeren Klima wichtig sein, da systematische Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation die Niederschlags-verhältnisse geändert haben können, was zu Fehlinterpretationen der delta-Werte im Kern führen kann. Die Beziehung zwischen Temperatur und Isotopen wird auch vom Ursprungsgebiet des Niederschlags und den Transportwegen der feuchten Luft beeinflußt. Die berechneten Trajektorien wurden in fünf Klassen eingeteilt. Die beste Korrelation zwischen Temperatur und delta-18-O wurde für kurze Trajektorien und solche, die meist über Meereis oder dem Kontinent verliefen, gefunden. Lange Trajektorien aus NW, die länger über offenes Wasser führen, zeigten die schlechteste Korrelation, weil über dem offenen Ozean mehr Verdunstungs- und Kondensationsprozesse stattfinden, die das Isotopenverhältnis verändern. Dies ist insbesondere für den EPICA- Kern von Bedeutung, da solche Wetterlagen mit langen Transporten von warmer, feuchter Luft aus NW einen Großteil des Jahresniederschlags an der Bohrstelle bringen können, was Fehler in der Temperaturinterpretation verursachen kann.