Infrastruktur

Das Klima der Vergangenheit zu rekonstruieren und seine Wechselwirkungen mit Erdoberflächenprozessen zu verstehen, hilft dabei, zu entschlüsseln, welche Faktoren überhaupt zu Klimaveränderungen führen und was mögliche Folgen sind. Je genauer dabei diese Faktoren und deren Auswirkungen zeitlich und räumlich bestimmt werden können, desto besser. Im Organischen Oberflächengeochemie Labor der Sektion Geomorphologie dienen kleinste Moleküle und Isotope als Schlüssel zur Vergangenheit.

In ihrem neuen Labor wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Sektion Geomorphologie insbesondere die regionalen Unterschiede der Ursachen und Auswirkungen vergangener Klimawandel rekonstruieren. In einigen Projekten können sie die „Spuren“ des Klimawandels auf das Jahrzehnt genau bestimmen, in anderen Projekten werden biogeochemische Prozesse über Jahrmillionen zurückverfolgt. Eine wichtige Rolle spielen der Wasser- und der Kohlenstoffkreislauf. Mehr über Veränderungen dieser Kreisläufe und deren Ursachen herauszufinden bedeutet, besser zu verstehen, wie und warum und wie schnell sich das Klima verändert.

Bei der Erforschung vergangener, natürlicher Klimaveränderungen stehen oft Temperaturschwankungen im Fokus. Wer aber verstehen möchte, warum Temperaturen schwanken und welche Auswirkungen das für unseren Lebenraum hat, muss viele weitere Faktoren mit einbeziehen. So ermöglicht beispielsweise ein besseres Verständnis des Wasserkreislaufs, der eng mit dem Kohlenstoffkreislauf verknüpft ist, eine Einschätzung der zukünftigen Veränderungen der lokalen Verfügbarkeit von Wasser.

Modernste Technik beschleunigt die Arbeit

Im neuen Labor lassen sich Veränderungen im Kreislauf des Kohlenstoffs über sogenannte Biomarker aus Pflanzen und Algen rekonstruieren. Biomarker sind organische Moleküle, die man einem Herkunftsmolekül zuordnen kann. Über ihre charakteristischen Strukturen zeigen sie, von welcher Pflanze sie gebildet wurden. Pflanzenteile gelangen über Böden und Flüsse in Seen und Meere und lagern sich dort in Sedimenten ab. Über die Jahrtausende zersetzen sich die Pflanzenteile, ihre Biomarker aber bleiben zurück, sie werden sozusagen zu molekularen Fossilien. Wir beproben die Sedimente und untersuchen die darin enthaltenen Biomarker im Labor.

Geschichtete Sedimente erlauben eine Klimarekonstruktion auf das Jahr genau

Neben der Bestimmung von Klimaverhältnissen, wollen wir auch die Wechselwirkungen zwischen Wasser- und Kohlenstoffkreislauf auf der einen Seite und geomorphologischen Prozessen, also den Prozessen, die die Erdoberfläche formen, auf der anderen Seite, untersuchen. GeomorphologInnen und GeochemikerInnen der Sektion arbeiten dafür eng mit HydrologInnen und GeologInnen zusammen. Die langfristige Entwicklung des globalen Klimas der Vergangenheit ist schon recht gut erforscht. Noch relativ am Anfang steht jedoch die Erforschung von lokalen Änderungen und deren Ursachen und Auswirkungen, insbesondere im Wasserkreislauf. Geschichtete Sedimentablagerungen aus Seen ermöglichen es, Klimaveränderungen und Veränderungen im Sedimenteintrag auf das Jahr genau zu rekonstruieren und auf lokaler Ebene zu studieren. Damit erlauben sie einen Vergleich mit heutigen Klimaänderungen.

Mit Molekülen aus Pflanzen Wasser- und Kohlenstoffkreisläufe rekonstruieren

Bei der Photosynthese nehmen Pflanzen Kohlenstoff aus der Luft und Wasserstoff aus dem Niederschlagswasser auf und bauen ihn in ihre Zellstrukturen ein. Kohlenstoff und Wasserstoff kommen in verschiedenen Isotopenvarianten vor, wovon die Pflanzen bevorzugt den leichten 1H Wasserstoff und den leichten 12C Kohlenstoff aufnehmen. Da die Verteilung der verschiedenen Isotope in der Luft und im Wasser von Standort- und Klimafaktoren abhängt, zeichnen die Pflanzen sozusagen die Bedingungen in ihrer Umwelt auf. Misst man nun das Verhältnis von leichtem zu schwerem Wasserstoff und Kohlenstoff in den Biomarkern einer solchen Pflanze aus z.B. Seesedimenten, erhält man sozusagen einen Fingerabdruck der Isotopenzusammensetzung der Umweltbedingungen zu der Zeit, als die Pflanzen wuchsen. Die Isotopensignatur von Pflanzenbiomarkern, die durch die großen Flusssysteme z.B. vom Himalaya bis in den indischen Ozean transportiert werden, lässt außerdem Rückschlüsse auf die Ursprungsgebiete und das Alter des organischen Materials zu. Die WissenschaftlerInnen können diesen isotopischen Fingerabdruck im Labor analysieren und so Rückschlüsse auf den Kohlenstoff- und auch den Wasserkreislauf der Vergangenheit ziehen.

Im neuen Labor kann außerdem das stabile seltene Sauerstoffisotop 17O an Wasserproben gemessen werden. Es ist ein potentieller neuer Marker zur Bestimmung der Herkunft von Wassermolekülen. So haben beispielsweise Gletscherwasser oder Regenwasser eine andere Isotopensignatur als Grundwasser. Das hierfür im Labor vorhandene Laser-basierte Messgerät lässt sich sogar direkt im Feld einsetzen – die Technik dahinter ist neu, es gibt sie erst seit wenigen Jahren.

Text von Ariane Kujau, modifiziert von Dirk Sachse.

Laborleiter: Dr. Dirk Sachse

Labormanager: Dr. Oliver Rach

Postdocs und Doktoranden: Dr. James Collins, Iris van der Veen, David Maas, Johanna Menges, Theresa Grunwald

Studenten (MSc Arbeiten, Studentenpraktika und Hiwis): Nicolai Omankowsky, Juliane Lenz, Martin Harms, Xennephone Hadeen

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Aktuelle Projekte aus dem Organic Surface Geochemistry Lab: Ein erstes Projekt zu dem im neuen Labor gearbeitet wird, ist das ERC-Grant geförderte Projekt STEEPclim. Es soll die räumliche und zeitliche Abfolge abrupter Klimaveränderungen in Europa während des Spätglazials untersuchen. Hierbei wird die Wasserstoffisotopensignatur von Biomarkern von Pflanzen und Algen an mindestens 10 Seen aus ganz Europa analysiert, um zu verstehen, in welchen Regionen besonders abrupte Veränderungen am Ende der letzten Eiszeit auftraten. Die Wissenschaftler hoffen dadurch auch, durch den Klimawandel besonders gefährdete Regionen identifizieren zu können. Erdbeben als Treiber des Klimawandels? Im Himalaya quantifizieren Wissenschaftler der Sektion die Anteile von fossilem und modernem Kohlenstoff, der durch die Flüsse Sutley (Indien) und Kali Ghandaki (Nepal), aus dem Gebirge exportiert wird. Die Rolle von Erdoberflächenprozessen, Starkniederschlagsereignissen und Erdbeben im Kohlenstoffkreislauf zu untersuchen, ist deshalb ein weiteres Projekt im Labor.

Laborausstattung: Für die Probenaufbereitung stehen eine beschleunigte Lösungsmittelextraktion (ThermoScientific Accelerated Solvent Extraction ASE) und ein Automatisiertes Lösungsmittelextraktion (Solid Phase Extraction SPE) System (Gilson Aspec GX-271) sowie ein präparativer HPLC-MS (Agilent High Performace Liquid Chromatography-Mass Spectrometer) zur Verfügung. Für die Analyse des aufbereiten Probenmaterials aus Sediment, Boden und Pflanzen stehen ein Agilent GC-MS/FID (Gas Chromatography-Mass Spectrometer/Flame Ionizer) und ein ThermoScientific Delta V GC-IRMS (Gas Chromatography-Isotope Ratio Mass Spectrometer; in Kooperation mit bzw. an der Universität Potsdam) bereit. Zur Analyse von Wasserproben gibt es die Laser-basierte stabile Isotopenverhältnisbestimmung (Picarro CRDS - Cavity Ring Down Spectroscopy).

>>Weitere Informationen zum Thema im GFZ-Journal, 2015, Jahrgang 5, Heft 1. Schwerpunkt: Geo-Bio-Wechselwirkungen im System Erde, Kapitel: Molekulare Indikatoren für die Wasser- und Kohlenstoffkreisläufe der Erde, Dirk Sachse.