Niederschlag an antarktischen Tiefbohrlokationen

Ein genaues Verständnis früherer Klimaschwankungen ist notwendig, um gegenwärtige / zukünftige Klimaänderungen zu verstehen. Durch die Informationen aus Eisbohrkernen aus Grönland und der Antarktis sind in der Paläoklimatologie große Fortschritte erzielt worden. Von besonderem Interesse sind hier die Verhältnisse der stabilen Isotope des Sauerstoffs und des Wasserstoffs, da man aus ihnen die Paläotemperatur ableiten kann. Allerdings ist für eine korrekte Interpretation der Daten eine genaue Kenntnis der Niederschlagsprozesse erforderlich, die das Eis im Bohrkern gebildet haben. Das mittlere jährliche Isotopenverhältnis ist linear mit der mittleren Jahrestemperatur korreliert, obwohl es in komplexer Weise von Wasserdampfursprung und -transport und von Verdunstungs- und Kondensationsprozessen während der Niederschlagsbildung abhängt. Daher müssen wir die gesamte Niederschlagsgeschichte kennen. Von großer Bedeutung ist auch die jahreszeitliche Verteilung des Niederschlags. Falls bestimmte Jahreszeiten mehr Niederschlag bekommen als andere, stammt die Information im Bohrkern nicht gleichmäßig aus dem ganzen Jahr. Leider gibt es keine direkte Information über die Niederschlagsgeschichte in der Vergangenheit. Daher müssen wir so genau wie möglich über die heutigen Verhältnisse Bescheid wissen. An der Station Dome C in der Ostantarktis wurde der mit 800.000 Jahren bisher älteste Bohrkern gezogen. Seit 2006 werden dort auch Neuschneeproben genommen, deren Isotopengehalt bestimmt wird. Mit Hilfe dieser neuen, Antarktisweit einzigartigen Daten können Neuschnee-Ereignisse identifiziert und eindeutig den jeweiligen beim Niederschlag herrschenden meteorologischen Bedingungen zugeordnet werden. Insbesondere wird mit Hilfe eines Trajektorienmodells die Herkunft des Niederschlags sowie die Beziehung zwischen stabilen Isotopen und den Bedingungen an der ozeanischen Wasserdampfquelle untersucht. Das hierfür verwendete mesoskalige Atmosphärenmodell ist im sogenannten AMPS (Antarctic Mesoscale Prediction System) organisiert und wird auch zur Analyse und Klassifizierung der Wetterlagen, die Niederschlag verursachen, verwendet. Man unterscheidet zwei Arten von Niederschlag: 1) den sogenannten "diamond dust" oder "clear-sky precipitation", der durch strahlungsbedingte Abkühlung der Luft entsteht und aus extrem feinen Eisnadeln besteht, dadurch nur zu sehr geringen Niederschlagsmengen führt, und 2) den "synoptischen Niederschlag", der mit der Tiefdruckaktivität über dem polaren Ozean zusammenhängt. Modelle werden benötigt, da die Datendichte in der Antarktis auch heute noch sehr gering ist. Das in AMPS operationell betriebene, hochaufgelöste Modell wurde speziell für Polargebiete angepasst und wird vom National Center for Atmospheric Research (NCAR), Boulder, Colorado, und von der Polar Meteorology Group der Ohio State University betreut. In diesem Projekt werden Niederschlagsursprung und -mechanismen an Dome C und zwei anderen Tiefbohrlokationen in der Antarktis untersucht. Eine Klassifikation der mit Niederschlag verbundenen Wetterlagen, kombiniert mit einer Trajektorienklassifikation, wird erstellt und die jahreszeitliche Verteilung des Niederschlags wird bestimmt. Die Trajektorienberechnung wird mit einem einfachen Isotopenmodell verknüpft, um den Einfluss des Niederschlagsursprungs auf die stabilen Isotope zu studieren, insbesondere auf den sogenannten Deuteriumexzess, eine Kombination aus Sauerstoff- und Wasserstoffisotopenverhältnissen, die von der Meeresoberflächentemperatur, der Wind- geschwindigkeit und der Luftfeuchte im Ursprungsgebiet abhängt. Neue Messmethoden ermöglichen seit einigen Jahren auch die Messung des seltenen Isotops 17O und des entsprechenden 17O-Exzesses, der nicht von der Temperatur an der Wasserdampfquelle abhängt. Der 17O-Exzess ist bisher nur ungenügend verstanden. Unsere Untersuchung unter bekannten meteorologischen Bedingungen wird ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen 17O-Exzess von antarktischem Schnee/Eis und den Bedingungen an der Wasserdampfquelle ermöglichen. Dies wird mittelfristig zu einer besseren quantitativen Interpretation von Eisbohrkerndaten führen.

Durch die Informationen aus Eisbohrkernen aus der Antarktis sind in der Paläoklimatologie große Fortschritte erzielt worden. Von besonderem Interesse sind hier die Verhältnisse der stabilen Isotope (verschiedene Molekülarten) des Sauerstoffs, da man aus ihnen die Paläotemperatur ableiten kann. Jedoch muss man für eine korrekte Interpretation der Daten die Niederschlagsprozesse genau kennen, die das Eis im Bohrkern gebildet haben. Das mittlere jährliche Isotopenverhältnis ist linear mit der mittleren Jahrestemperatur korreliert, obwohl es in komplexer Weise von Wasserdampfursprung und transport und von Verdunstungs- und Kondensationsprozessen während der Niederschlagsbildung abhängt. Daher müssen wir die gesamte Niederschlagsgeschichte kennen. Seit 2006 werden an der Tiefbohrlokation Dome C Isotopengehalte von Neuschneeproben bestimmt. Mit Hilfe dieser neuen, antarktisweit einzigartigen Daten können Neuschnee-Ereignisse identifiziert und den jeweiligen beim Niederschlag herrschenden meteorologischen Bedingungen zugeordnet werden. Insbesondere werden die Herkunft des Niederschlags sowie die Beziehung zwischen stabilen Isotopen und den Bedingungen an der ozeanischen Wasserdampfquelle untersucht. Das hierfür verwendete Atmosphärenmodell ist im sogenannten AMPS (Antarctic Mesoscale Prediction System) organisiert und wird auch zur Analyse und Klassifizierung der Wetterlagen, die Niederschlag verursachen, verwendet. Man unterscheidet zwei Arten von Niederschlag: 1) den sogenannten diamond dust (Diamantenstaub), der durch strahlungsbedingte Abkühlung der Luft entsteht und aus extrem feinen Eisnadeln besteht, dadurch nur zu sehr geringen Niederschlagsmengen führt, und 2) den synoptischen Niederschlag, der mit der Tiefdruckaktivität über dem polaren Ozean zusammenhängt. Modelle werden benötigt, da die Datendichte in der Antarktis auch heute noch sehr gering ist. Das in AMPS operationell betriebene, hochaufgelöste Modell wurde speziell für Polargebiete angepasst und wird vom National Center for Atmospheric Research (NCAR), Boulder, Colorado, und von der Polar Meteorology Group der Ohio State University betreut. In diesem Projekt wurden Niederschlagsursprung und mechanismen an Dome C und Dome Fuji, zwei Tiefbohrlokationen in der Antarktis, untersucht. Dabei fand man, dass größere Niederschlagsereignisse hauptsächlich dann beobachtet werden, wenn das Westwindband um die Antarktis anfängt zu mäandrieren. Dies hat einen Transport von relativ warmer und feuchter Luft nach Süden zur Folge, die über dem Kontinent zum Aufsteigen gezwungen wird, dabei abkühlt und Niederschlag bildet. Dabei werden auch im Winter in der Antarktis ungewöhnlich hohe Temperaturen gemessen. Da das Isotopenverhältnis vom Temperaturunterschied zwischen ozeanischer Wasserdampfquelle und Bohrlokation in der Antarktis abhängt, ist diese Erkenntnis sehr wichtig für die Umrechnung des Isotopenverhältnisses in eine frühere Temperatur. Es wurde in der Projektarbeit gezeigt, dass einige grundlegende Annahmen, die bei dieser Umrechnung in der Bohrkernwissenschaft seit langem verwendet werden, nicht korrekt sind. Weitere Untersuchungen, vor allem auch der Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Schneeoberfläche zwischen zwei Niederschlagsereignissen, sind notwendig, um die Prozesse, die das Isotopenverhältnis bestimmen, vollständig zu verstehen.