Das Klima der Vergangenheit zu rekonstruieren und seine Wechselwirkungen innerhalb des Systems Erde 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. In einem neuen Labor am GFZ dienen kleinste Moleküle und Isotope als Schlüssel zur Vergangenheit.
Die Räume des neuen Organic Surface Geochemistry Labs sind bezogen, die letzten Handwerkerarbeiten abgeschlossen: Es kann losgehen. 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 Jahr 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 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 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 den WissenschaftlerInnen, 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. Die WissenschaftlerInnen beproben die Sedimente und untersuchen die darin enthaltenen Biomarker im Labor.
Neben Sedimentproben können auch Wasserproben, Pflanzen und Bodenproben untersucht werden. Zur Bearbeitung des Probenmaterials und zur Gewinnung der zu messenden Moleküle steht ein ganzes Arsenal hochmoderner Geräte zur Verfügung. Die besondere Herausforderung bei der Laborarbeit mit Biomarkern besteht darin, dass sie in ihrer Struktur Fetten und Ölen ähneln. Die Gefahr ist, dass Hautfette oder Öl-ähnliche Substanzen aus nicht geeigneten Probenbehältern die Proben verunreinigen. Auch die Arbeit mit sehr geringen Mengen ist nicht einfach. Aus mehreren Gramm Probenmaterial fallen meist nur Biomarkerextrakte im Mikrogrammbereich an. Es ist also höchste Präzision gefragt.
Es ist ein weiter Weg von der Sedimentprobe bis zum Biomarkerextrakt. In mehreren Schritten werden die Biomarker über die sogenannte Säulenchromatographie mithilfe von Lösungsmitteln aus dem pulverisierten Sediment herausgelöst und von den übrigen Molekülen getrennt. Im neuen Labor setzen die WissenschaftlerInnen moderne Präparations- und Extraktionsroboter ein, womit sie große Probenserien bearbeiten können und die ihnen Aufreinigungsarbeiten abnehmen, die bisher in mühevoller Handarbeit durchgeführt werden mussten. So können die WissenschaftlerInnen der Vergangenheit schnell auf die Spur kommen.
Geschichtete Sedimente erlauben eine Klimarekonstruktion auf das Jahr genau
In Deutschland gibt es nur eine Handvoll Labore mit vergleichbarer Ausstattung. Einmalig am GFZ ist die Kombination der übergeordneten Fragestellungen, die hier bearbeitet werden sollen. Neben der Bestimmung von Klimaverhältnissen, wollen die WissenschaftlerInnen 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. Die 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. Laborleiter Dr. Dirk Sachse: „Fragen, die wir beantworten wollen sind: Wie schnell ändern sich welche Faktoren? Was ist Ursache und was ist Folge des Klimawandels? Und warum wird es in einigen Regionen trockener in anderen steigen aber die Niederschlagsmengen an?“ 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. Laborleiter Dr. Dirk Sachse: „Für welche Fragestellungen das 17O Isotop in der Forschung angewandt werden kann, muss sich noch zeigen. Dr. Christoff Andermann und andere Wissenschaftler unserer Sektion haben hierzu ein Langzeit-Messprojekt in einem Fluss in Nepal gestartet. Regelmäßig werden Wasserproben genommen und deren Sauerstoffisotopen-Signatur bestimmt. Wir versuchen herauszufinden, welche Faktoren die 17O-Signatur beeinflussen.“ Wie ändert sich die Zusammensetzung beispielsweise während der Gletscherschmelze oder der Zeit des Monsuns? 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.
Die WissenschaftlerInnen erhoffen sich, im neuen Labor Antworten auf viele offene Fragen zum Klimawandel zu finden. Mit ihren Ergebnissen können sie neue Kapitel der Klimavergangenheit erzählen und damit neue Steinchen des Wissens in das Mosaik eines besseren Verständnisses der Zukunft des Klimas legen.
01.07.2016 Ariane Kujau
Kontaktpersonen:
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Geplante Projekte aus dem Organic Surface Geochemistry Lab:
Ein erstes Projekt zu dem im neuen Labor gearbeitet wird, ist das <link medien-kommunikation meldungen detailansicht article vulkandome-und-europaeischer-wasserkreislauf-foerderung-exzellenter-forschung-am-gfz>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. Es ist z.B. denkbar, dass sich diese Anteile als Folge des Ghorka Erdbebens des Jahres 2015 verändert haben. Erdbeben können, da sie Erdrutsche auslösen und Erosionsprozesse in Gang bringen, innerhalb kürzester Zeit bis dahin in Böden und Sedimenten gespeicherten Kohlenstoff mobilisieren und in Flüssen transportieren. Die Rolle von Erdoberflächenprozessen, Starkniederschlagsereignissen und Erdbeben im Kohlenstoffkreislauf zu untersuchen, ist deshalb ein weiteres Projekt im neuen Labor.
Laborausstattung:
Für die Probenaufbereitung stehen eine beschleunigte Lösungsmittelextraktion (Accelerated Solvent Extraction ASE) und die Automatisierte Lösungsmittelextraktion (Solid Phase Extraction SPE) sowie ein präparativer HPLC-MS (High Performace Liquid Chromatography-Mass Spectromer) zur Verfügung.
Für die Analyse des aufbereiten Probenmaterials aus Sediment, Boden und Pflanzen stehen ein GC-MS/FID (Gas Chromatography-Mass Spectrometer/Flame Ionizer) und ein 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 (CRDS - Cavity Ring Down Spectroscopy).
