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1. Februar 2005

Im ewigen Eis ein Fenster in die Vergangenheit

Das Heidelberger Institut für Umwelt-Geochemie forscht in Kanada

Im ewigen Eis ein Fenster in die Vergangenheit

In den Polarregionen hängt der Erfolg einer Forschungsmission stets auch vom Wetter ab. Dabei haben die Wissenschaftler nicht nur unter der extremen Kälte zu leiden, sondern auch unter heftigen Stürmen mit hohen Windgeschwindigkeiten. Ohne entsprechendes Training und eine gute Ausrüstung wäre eine Expedition ins Eis von vornherein zum Scheitern verurteilt. Fotos: privat

Das Heidelberger Institut für Umwelt-Geochemie forscht in Kanada

Wenn Wissenschaftler in den unwirtlichen weißen Wüsten der Pole unter größten Anstrengungen Eiskerne aus der Tiefe bohren, öffnen sie damit gleichsam ein Fenster in die Vergangenheit des Planeten. Denn in den über Jahrtausende hinweg gewachsenen Eispanzern wurde die gesamte Klimageschichte archiviert. Um jedoch an diese Daten heranzukommen, braucht es mehr als selbst in extremer Kälte funktionierende Bohrgerätschaften. Man benötigt vor allem das wissenschaftliche Know-how, um den Bohrkernen sinnvolle Daten entlocken zu können.

Weltweit führend auf diesem Gebiet ist das Heidelberger Institut für Umwelt-Geochemie, das in den vergangenen Monaten die Erforschung solcher Proben geradezu revolutionieren konnte. "Von alleine kommt solch ein Erfolg natürlich nicht", betont Dr. Michael Krachler, der unter anderem mit der "Ultraspurenanalytik an Bohrkernen aus der kanadischen Hocharktis" beschäftigt ist: "Denn solche Bohrkerne zu gewinnen, ist aufwändig und teuer. Wenn man nämlich auf einem 5000 Meter hohen Gletscher bohren will, braucht man nicht nur ein Basislager auf 3000 Metern Höhe, sondern auch eine gut trainierte Mannschaft, entsprechendes Equipment – und viel, viel Glück mit dem Wetter, das in diesen extremem Regionen ein alles andere als verlässlicher Partner ist. Und dann gilt es den mehrere hundert Meter langen Bohrkern heil zurück in die Zivilisation zu bringen, wo wir ihn zunächst von den Verunreinigungen durch die verwendete Bohrflüssigkeit oder dem metallischen Abrieb des Bohrers dekontaminieren müssen. Die Hauptarbeit wird hierbei übrigens von unserem kanadischen Kollegen James Zheng geleistet, der regelmäßig in die Arktis fährt, um diese Proben zu gewinnen."

Klimaschwankungen im Kühlschrank

Mit Teflonschabern wird die äußerste Schicht entfernt, können doch bereits kleinste Verunreinigungen das Messergebnis verfälschen. "So eine Arbeit können wir nur in Reinluftlaboren angehen, wie sie auch in der Chipindustrie Verwendung finden." Anschließend wird das Eis geschmolzen und in speziellen Flaschen gelagert, bis die eigentliche Analyse beginnt – in einem der empfindlichsten Messgeräte, die heute überhaupt zur Verfügung stehen: Von dem rund 500000 Euro teuren Großgerät, bei dem es sich um ein hochauflösendes induktiv gekoppeltes Plasma-Massenspektrometer (ICP-MS) handelt, sind weltweit kaum mehr als 150 Exemplare im akademischen Einsatz. Indes kann ohne entsprechende Infrastruktur auch das teuerste Messgerät keine adäquaten Ergebnisse liefern. "In Heidelberg steht uns zum Glück eine hochwertige Reinrauminfrastruktur zur Verfügung, so dass wir in der Lage sind, extrem niedrige Elementkonzentrationen – beispielsweise von Blei – nachzuweisen. Die erreichbare Grenze ist hierbei inzwischen nicht mehr von der Leistungsfähigkeit der Analysengeräte gesetzt, die längst bis in den sub-Femtogramm-Bereich vordringen, was weniger als einem Billiardstel Gramm entspricht, sondern durch die gleichmäßige Reinheit im Labor." Da nämlich Verunreinigungen letztlich nicht gänzlich auszuschließen sind, müssen sie zumindest gut charakterisiert und auf gleichbleibendem, niedrigem Niveau gehalten werden.

"In Heidelberg gelang es uns nun, die Nachweisgrenze für viele Spurenelemente um den Faktor 10 zu drücken", freut sich Michael Krachler. "Immerhin sind wir damit weltweit führend – und das, obwohl wir noch nicht einmal seit einem Jahr an Eisbohrkernen arbeiten." So wird beispielsweise der Anteil des Bleis in der Atmosphäre untersucht, der sich seit den 1940er Jahren durch verbleites Benzin stark erhöht hat, und seit der Einführung bleifreier Kraftstoffe wieder im Sinken begriffen ist. Ablesen lässt sich dies an den konservierten Schneefällen der Polargebiete, wo wie in einem gigantischen Kühlschrank Klimaschwankungen oder Emissionen über Jahrtausende nachweisbar bleiben.

"Natürlich müssen wir bei solchen Untersuchungen auch wissen, welcher Bleianteil ‚normal' ist – also aus natürlichen Quellen stammt", erklärt Krachler. "Zum Glück steht uns hierbei eine weitere Methode zur Verfügung, mit der wir die Isotopenverhältnisse des Bleis bestimmen können, die wie Fingerabdrücke die Herkunft des Metalls aus der Kohleverbrennung, dem Verkehr oder natürlichen Verwitterungsvorgängen verraten." Hierzu war bislang nur eine australische Forschungsgruppe in der Lage, die jedoch maximal zehn Proben pro Woche untersuchen konnte. In Heidelberg hingegen werden vier Proben analysiert – pro Stunde. "Zudem benötigen wir gerade mal ein Zehntel der Probenmenge, was natürlich ein immenser Vorteil ist", so Krachler. "Denn damit sind wir in der Lage, schnell und effektiv Grundlagenmessungen – beispielsweise für Klimamodellberechnungen – zu liefern."

Das Wissen um möglichst effektive Untersuchungsmethoden wurde anhand von Torfproben erarbeitet, die sich einfacher und günstiger analysieren lassen als Eiskerne, lagern sich doch im Torf beispielsweise Metalle in bis zu tausendfach höheren Konzentrationen ein. Auch lassen sich im Torf – der vergleichsweise günstig zu beschaffen ist – Schwermetalle wie Cadmium oder Blei sehr gut nachweisen. "Jedoch wuchsen die Moore im untersuchten subarktischen Raum in den vergangenen 1000 Jahren nicht, weshalb keine Daten aus den vergangenen zehn Jahrhunderten zu erhalten sind. Wir brauchten deshalb ein anderes Umweltarchiv – und hierbei ergab sich eine äußerst fruchtbare Zusammenarbeit mit Kanada", weiß Michael Krachler zu berichten. Die Initiative ging dabei vom gebürtigen Kanadier William Shotyk aus, der bereits vor seinem Wechsel von Bern an die Ruperto Carola im Kontakt mit dem "Geological Survey of Canada" stand.

"Im Moment sind wir vor allem mit Eisproben aus Kanada beschäftigt", erklärt Krachler, der auch auf die notwendige Zusammenarbeit mit anderen Forschern und Einrichtungen wie dem Institut für Umweltphysik in Heidelberg hinweist. Denn zum Teil sind die saisonalen Schwankungen abgelagerter Spurenelemente aus der Atmosphäre so groß, dass sich die Konzentration über ein Jahr gesehen um das Hundertfache ändern kann. "Auch kann es geschehen, dass eine gemessene Bleikonzentration in einer Schicht aus dem Winter von 1904 identisch ist mit Niederschlägen aus dem Sommer 1704. Kennt man hier nicht die exakte Chronologie der Proben, sind diese nahezu wertlos."

Gegenwärtig wird in Heidelberg primär an Proben geforscht, die bis zu 150 Jahre alt sind. "Man kann jedoch – entsprechende finanzielle Mittel vorausgesetzt – noch viel weiter in die Vergangenheit blicken. So bohrte ein europäisches Gemeinschaftsprojekt in der Antarktis in den zurückliegenden zehn Jahren bereits 3000 Meter tief – was rund 850000 Jahren entspricht." Das ist natürlich eine unglaubliche Distanz im Vergleich zum Torf, der im Idealfall Aufschluss über das Geschehen seit der letzten Eiszeit gibt – was rund 20000 Jahren entspricht. "In der Schweiz waren wir mit einem 6,5 Meter mächtigen Hochmoor beschäftigt, das Informationen über die vergangenen 14500 Jahre barg," erläutert Krachler.

Eiskernforschung als Königsdisziplin

Die Königsdisziplin jedoch ist eindeutig die Untersuchung der Eiskerne, die ungleich diffiziler gehandhabt werden müssen. "So wollen wir unter anderem in der Frage des Kupfers, dessen Konzentration im ewigen Eis recht deutlich auf- und abpendelt, über die Ansätze anderer Institute hinausgehen. Wir wollen nämlich nicht nur nachweisen, dass die Werte schwanken – wir wollen auch wissen, warum sie dies tun."
Heiko P. Wacker

Rückfragen bitte an
Dr. Michael Schwarz
Pressesprecher der Universität Heidelberg
Tel. 06221 542310, Fax 542317
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und
Irene Thewalt
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