Eines der zwei modernen laseroptischen Analysegeräte.
Eines der zwei modernen laseroptischen Analysegeräte. (Foto: Sina Löschke)
Hinweise zum Arbeitschutz im Stabile Isotopenlabor Potsdam
Hinweise zum Arbeitschutz im Stabile Isotopenlabor Potsdam (Foto: Sina Löschke)
Bei der Analyse der Wasserisotope werden jeweils 48 Wasserproben nacheinander gemessen.
Bei der Analyse der Wasserisotope werden jeweils 48 Wasserproben nacheinander gemessen. (Foto: Sina Löschke)

Wenn Wissenschaftler von Klimaarchiven sprechen, dann haben sie kein echtes Buch und keine Bibliothek im Hinterkopf. Sie meinen stattdessen Gletscher- oder Bodeneis, fossile Tierreste wie Muschelschalen oder eben auch Bodenproben vom See- oder Meeresgrund, die sie mit Bohrern an die Wasseroberfläche geholt haben. Alle drei „Archive“ haben nämlich eines gemeinsam. In ihnen sind entweder Wasser (meist in Form von Eis) oder Siliziumdioxid (u.a. im Opalgerüst der Kieselalgen) gespeichert. Das besondere daran ist: Der geochemische Fingerabdruck beider Stoffe unterscheidet sich, je nachdem, welche Umweltbedingungen herrschten als die Kieselalge heranwuchs oder der Schnee auf Grönlands Eisschild herabrieselte.

„Sowohl Wasser als auch Siliziumdioxid enthalten Sauerstoffisotope, deren Verhältnis wir in unserem Stabilen Isotopenlabor untersuchen. Denn abhängig von der Umgebungstemperatur werden die stabilen Isotope in einem bestimmten Verhältnis in ein Eiskristallgitter, in die Muschelschale oder eben in das Gerüst der Kieselalge eingebaut. Wir messen in unserem Labor dieses Verhältnis und können anhand unserer Ergebnisse zum Beispiel die Lufttemperatur bestimmen, die zum Zeitpunkt der Bildung vorherrschte“, sagt AWI-Klimaforscher Dr. Hanno Meyer.

Er leitet das Stabile Isotopenlabor am AWI Potsdam, in dem einige der weltweit wichtigsten Temperatur-Rekonstruktionen der Klimavergangenheit durchgeführt wurden: so zum Beispiel die Analyse des Dronning-Maud-Land-Eiskernes, welchen AWI-Forscher und ihre internationalen Partner im sogenannten EPICA-Projekt geborgen hatten.

Ein Teilstück des EPICA-Eiskerns. Es wurde aus einer Tiefe von 2650 Metern geborgen. (Foto: Hans Oerter, Alfred-Wegener-Institut)

  

Der Labor-Gerätepool

Die Analysen im Stabilen Isotopenlabor am AWI Potsdam werden mithilfe folgender Geräte durchgeführt:

  • 3 Finnigan-MAT Delta S-Massenspektrometer für Wasserisotope
  • 2 moderne laseroptische Geräte (Picarro L2130i bzw. Picarro L2120i), bei denen 2 Milligramm kleine Probenmengen für eine Analyse genügen
  • 1 PDZ Europa 2020-Massenspektrometer mit Laserfluorinierung für die Isotopenanalyse von biogenem Opal wie Diatomeen
  • 1 ThermoFisher Delta V Massenspektrometer für Kohlenstoff- und Stickstoffisotope an organischem Material

Die Temperaturdaten aus 200 000 Jahren

Der EPICA-DML-Eisbohrkern hatte eine Länge von 2,892 Metern. Um herauszufinden, welche Temperaturdaten in den verschiedenen Eisschichten des Kerns gespeichert sind, entnahmen die Wissenschaftler alle 50 Millimeter eine Eisprobe – insgesamt waren es weit über 10000. Diese Proben wurden geschmolzen und anschließend in einem der drei Delta-S-Massenspektrometer des Labors auf ihr Verhältnis zwischen 16O- und 18O-Isotopen untersucht. „Das  Sauerstoffisotop 16O besitzt weniger Neutronen als das Isotop 18O. Es hat deswegen eine geringere Masse und wird am Elektromagneten des Massenspektrometers stärker abgelenkt als das schwere 18O-Isotop. Auf diese Weise gelingt es uns, die Isotope zu trennen, einzeln zu messen und ihr Verhältnis genau zu bestimmen“, erläutert Hanno Meyer.

Nach monatelanger Arbeit am EPICA-Eisbohrkern präsentierten die AWI-Forscher im Jahr 2006 eine rund 200.000 Jahre zurückreichende Temperaturkurve der Antarktis. Ein Datensatz, der unser Wissen über die Wechselwirkungen zwischen dem Klima auf der Südhalbkugel und jenem auf der Nordhalbkugel vorangetrieben hat wie kaum ein anderer.

Rekonstruierte Temperaturkurven der Antarktis im Vergleich: Die violette Linie stellt jene Temperaturkurve dar, welche die Wissenschaftler mithilfe des EPICA-Eiskerns aus dem Dronning-Maud-Land erstellt haben.
Rekonstruierte Temperaturkurven der Antarktis im Vergleich: Die violette Linie stellt jene Temperaturkurve dar, welche die Wissenschaftler mithilfe des EPICA-Eiskerns aus dem Dronning-Maud-Land erstellt haben. (Grafik: Alfred-Wegener-Institut)

Der Fingerabdruck des Wassers

Die Aussagekraft der Analysen im Stabilen Isotopenlabor Potsdam reicht aber weit über die reine Temperatur-Rekonstruktion hinaus: So können Hanno Meyer und Kollegen anhand von Proben aus arktischem Bodeneis genau rekonstruieren, von wo der Schnee kam, der vor Zehntausenden Jahren in der russischen Tundra gefallen ist. „Jeder Niederschlag besitzt seinen eigenen geochemischen Fingerabdruck, der erhalten bleibt, wenn der Schnee schmilzt, in den Boden sickert und dort zum Beispiel als Eisader in einer Frostspalte wieder gefriert. Wenn wir heute Proben aus dem Permafrostboden nehmen und das Isotopenverhältnis des Bodeneises in unserem Labor analysieren, dann machen wir auch diesen Fingerabdruck sichtbar und können die Niederschlagsfelder bis zu ihrem Ursprung zurückverfolgen“, sagt Hanno Meyer.

Vom Meer freigelegte Eiskeile an der Küste der nordsibirischen Insel Moustakh. (Foto: Thomas Opel)

Probenaufbereitung: Sauberer geht es nicht

Während die Isotopenanalyse von Eis- und Wasserproben keine aufwendigen Vorarbeiten verlangt, verwenden die Wissenschaftler bei der Untersuchung von Kieselalgen die meiste Zeit für die Vorbereitung. „Für die Analyse benötigen wir reinstes Probenmaterial. Das heißt, wir sieben die Sedimentprobe, versetzen sie mit verschiedenen Chemikalien, um organisches Material und Karbonat zu lösen und waschen sie am Ende in ultrareinem Wasser, sodass zum Schluss nur noch die superreinen Kieselalgengerüste übrigbleiben“, erzählt der Laborleiter.  

Von diesem Reinstmaterial benötigt Hanno Meyer gerade einmal eine Menge von 2 Milligramm. Sie beschießt er mit einem Laser und reagiert die Probe in einer Fluoratmosphäre. Bei diesem Prozess werden die im Siliziumdioxid gespeicherten Sauerstoff-Isotope freigesetzt. Die Gasprobe muss dann nur noch in das Massenspektrometer geleitet werden, mit dem man das genaue Isotopenverhältnis ermittelt. „Solche Sauerstoff-Isotopenanalysen der Kieselalgen erlauben uns Aussagen zur Isotopenzusammensetzung und der Temperatur des Wassers, in dem diese Algen einst gelebt haben“, erzählt Hanno Meyer stolz. Denn das Stabile Isotopenlabor am AWI Potsdam ist eine von nur acht wissenschaftlichen Einrichtungen weltweit, die diese Untersuchungen vornehmen können.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme superreiner Kieselalgen. Sie dienen als Probenmaterial für eine Sauerstoffisotopen-Analyse im Stabile Isotopenlabor Potsdam. In dieser Probe sind vor allem Kieselalgen der Arten Stephanodiscus medicus und Aulacoseira subarctica enthalten.
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme superreiner Kieselalgen. Sie dienen als Probenmaterial für eine Sauerstoffisotopen-Analyse im Stabile Isotopenlabor Potsdam. (Foto: Ulrike Hoff)
Blick in die Laserfluorinierung: Die zu untersuchenden Proben werden im rechten Teil der Apparatur mit dem Laserstrahl beschossen.
Blick in die Laserfluorinierung: Die zu untersuchenden Proben werden im rechten Teil der Apparatur mit dem Laserstrahl beschossen. (Foto: Sina Löschke)