Eisbohrkerne

In der Abb. 50 ist die Temperaturentwicklung und die Schneeanhäufung in Grönland der letzten 20 000 Jahre dargestellt. Vor ca. 12 000 Jahren gab es eine abrupte Temperaturänderung (Dryas), in der innerhalb 50 Jahren ein Anstieg um fast 10 °C zu verzeichnen war.
Sie werden sich fragen, woher man Werte aus der Steinzeit hat? Die Frage stellt sich übrigens ebenfalls beim Thema Evolution. Voraussetzung ist die Tatsache, daß die Naturgesetze auch früher gegolten haben. Dies weiß man durch die Astronomie, die den Weltraum untersucht. Das Licht ist von dort teilweise länger unterwegs, als wie die Erde alt ist. Egal wie alt das Licht ist, es hat immer die Eigenschaften, die man kennt. (Uniformitätsprinzip)

Daten aus der Vergangenheit erhält man durch Gesteinsuntersuchungen oder Analysen von Eis-Bohrkernen aus der Antarktis oder Grönland. Die dort eingeschlossenen Gase, in Zusammenhang mit Altersbestimmungen geben Aufschluß über z. B. die Atmosphäre in früheren Erdepochen.

Rechts ist der Bohrturm der Antarktisstation Vostok abgebildet, der 1999 die bisher tiefste Eisbohrung (3623 m) vorgenommen hat. Aus der Analyse kann man die lokale Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit ableiten.

Außerdem erhält man aus Gasblasen Information über O₂, CO₂ oder Methan, Überreste von Meeresorganismen, und Vulkanausbrüchen usw.

Die Analysen werden mit Hilfe bestimmter Isotopen gemacht, deren Zerfallseigenschaften man über die Zeit kennt. Verwendet werden u.a.

• Beryllium-10 (_¹⁰Be) (Halbwertszeit 1,600,000 Jahre); entsteht in der oberen Atmosphäre, wenn kosmische Strahlung N2 und O2-Moleküle trifft. Die Produktion von ¹⁰Be folgt dem 11-jährigen Sonnenzyklus
  .--->Rückschlüsse auf Sonnenaktivitäten
• Sauerstoff-18 (_¹⁸O). Das Verhältnis _¹⁸O/_¹⁶O ändert sich beim Kondensieren in einer Wolke in Abhängigkeit der Temperatur: je kälter die Wolke, desto niedriger das Verhältnis.
  ---> Rückschluß auf Temperatur
• Kohlenstoff-13 (₁₃C)/₁₄C: Halbwertszeit 5700 Jahre) Fossile Brennstoffe enthalten kein ¹⁴C und weniger ¹³C als Luft; das Verhältnis ¹³C/¹²C ist in Pflanzen niedriger als in der Luft und in Meeren.
  ---> Rückschluß auf Herkunft

Das Eis in 3623m Tiefe hat ein Alter von ca. 400 000 Jahren. In Abb. 53 sind die Ergebnisse der Analysen der Eisbohrung in Vostok für die letzten 160 000 Jahre aufgeführt.

Die aktuelle Klimatologie setzt die so bestimmten CO2 und Methan-Konzentrationen der eingeschlossenen Luft gleich mit den damaligen atmosphärischen Konzentrationen. Dies ist jedoch falsch, da bei der Bohrung und Analyse der Eisbohrkerne das Eis verändert wird und ein Gasverlust auftritt. Deshalb sind die so festgestellten Mengen zu niedrig und reflektieren nicht die paläontologischen Konzentrationen.

Die in den Eisbohrkernen festgestellten Luftblasen sind in Abhängigkeit der Kernlänge ein Artefakt und entstehen bei Bohrung und Bergung des Eisbohrkerns. Eisbohrkerne aus Grönland und der Antarktis sind über 3 km lang. Dies bedeutet, daß auf dem Eis in größerer Tiefe ein entsprechend größerer Druck lastet (ca. 5 bar bei 100 Jahre altem Eis und 15 bar bei 350 Jahre altem Eis. Ab einem spezifischen Druckbereich (Tiefe) besitzt Eis keine flüssigen und gasförmigen Einschlüsse mehr. Die Gase liegen als Clathrat vor, CO2 ab ca. 200m O2 und N2 ab 600 m. (13)

Andere Proxydaten

Neben den Eisbohrkernen gibt es noch andere Indikatoren, die auf Klima- und andere Umweltdaten der Vergangenheit hinweisen. Dazu analysiert man klimaabhängige Relikte aus der Vergangenheit wie:
Jahresringe von Bäumen, Eisbohrkerne, fossile Pollen, marine Sedimente, Korallen, historische Überlieferungen, Stalagmiten und andere. Man nennt diese Daten Proxydaten. Anbei eine kleine Auswahl:

Historische Daten:

Die Kurve zeigt, daß im Mittelalter mehr Wein geerntet wurde, was unteranderem auf bessere klimatische Bedingungen hinweist.

Jahresringe von Bäumen (Dendrochronologie):

Oft werden Baumringe als Beweis für Klimavariationen herangezogen, da ma diese direkt ablesen kann. Die Wissenschaft, die sich mit der Analyse der Daten beschäftigt heißt Dendrochronologie. Diese Wissenschaft nutz verschiedene voraussetztende Prinzipien wie das Uniformitätsprinzip, um verläßliche Egebnisse zu erhalten. Darunter versteht man, daß heute dieselben biologischen, chemischen und physikalischen Gestzmäßigkeiten gelten wie in der Vergangenheit.

Nachfolgend ein Querschnitt durch einen Stamm einer Gelbkiefer (Pinus ponderosa) aus Oregon (USA), deren Jahresringe in der Zeit zwischen 1600 und 1700 sehr eng sind: ein Zeichen für Wachstumsreduktion. Damals herrschte die kleine Eiszeit mit mittleren Temperaturen die ca. 1,5° niedriger waren wie heute (siehe Klimageschichte Mitteleuropas, Prof. Glaser).

Höhlenablagerungen (Speleotherme; Stalagmiten/Stalagtiten)

Speleotheme sind mineralische Ablagerungen aus Grundwasser in unterirdischen Höhlen. Solche Stalagmiten und Stalaktiten zeigen jährliche Bänderungen oder enthalten Mineralstoffe, die radiometrische bestimmt werden können. Die Dicke der Ablagerungen oder der Gehalt an Isotopen zeigt Klimavariationen an.

Bei Steleothermen spielt meist das Kalkgleichgewicht eine Rolle. Die zugrunde liegende Reaktionsgleichung:

CaCO₃ + CO₂ (aq) + H₂O Ca²⁺(aq) + 2 HCO^3- (aq) DH°=-17 KJ

ist eine Gleichgewichtsreaktion, die durch höhere Temperaturen nach links in Richtung Abscheidung von Kalkstein (CaCO₃) verschoben wird. Je höher die Temperatur, desto stärke die Abscheidung.

Paläozeanographie (Ozeanische Sedimente, Planktonfossilien usw.)

Die obersten Schichten der Meeresböden enthalten Überreste von Organismen aus der Erdgeschichte. Wichtige Vertreter sind einzellige Tiere mit Kalkschalen z.B. Foraminiferen, die als Plankton noch heute die Meere besiedeln.

Da die Foraminiferen im Laufe der Erdgeschichte eine intensive Evolution durchlaufen haben, eignen sich viele von ihnen, die nur eine relativ kurze Zeitspanne (in der geologischen Zeitskala) existierten, hervorragend als "Index"-Fossilien für die Altersbestimmung (Biostratigraphie). So kann man mit Plankton-Foraminiferen die Schichtenfolge der Kreide- und Tertiärzeit weltweit in über 100 einzelne Zonen untergliedern.

Für die Rekonstruktion der Ablagerungsbedingungen in der geologischen Vergangenheit liefern sie ebenfalls wichtige Hinweise (Paläoenvironment). Bei guter Erhaltung liefern die Kalkschalen der Foraminiferen zudem ausgezeichnete Signale zur Isotopen-Stratigraphie (16O/18O; 12C/13C).

Durch Vergleich der heute lebenden Arten mit denen aus früheren geologischen Zeiten ist es möglich, Rückschlüsse auf damals herrschende Wassertemperaturen (Paläo-Ozeanographie) und damit Klimabedingungen (Paläoklima) zu ziehen.