Geheimnissen der Erde auf der Spur

Das Werkzeug für die Klima- und Geoforschung ist die chemisch-physikalische Analytik. Nur mit ihrer Hilfe gelangt man zu verlässlichen Aussagen über klimatische Veränderungen in der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Sie hilft, die Erdgeschichte sowie Folgen der Zivilisation und Industrialisierung zu verstehen. Der Arbeitskreis für Mikro- und Spurenanalyse der Elemente und Elementspezies (A.M.S.El.) der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) bringt am 7. und 8. Juni 2004 in Bremerhaven Wissenschaftler zusammen, die auf dem Gebiet der Klima- und Geoforschung arbeiten. Sie stellen vor, wie sie mit neuen Ansätzen in der Analytik die Geheimnisse der Erde, ihrer Atmosphäre und ihres Klimas lüften.

Der A.M.S.El.-Workshop am Alfred-Wegener-Institut (AWI) für Polar- und Meeresforschung Bremerhaven ist ein wichtiger wissenschaftlicher Erfahrungsaustausch über neue Methoden zur Analyse von Eis- und Sedimentbohrkernen, Meerwasser, Aerosolen, Gesteinen, Baumringen, Korallen, Manganknollen und vielem mehr. Zahlreiche Firmen unterstützen den Workshop, unter ihnen die Merck KGaA, die u.a. den A.M.S.El.-Preis stiftet. Er zeichnet junge Wissenschaftler für hervorragende Arbeiten auf dem Gebiet der Mikro- und Spurenanalyse aus und ist mit Euro 1.500 dotiert. Preisträgerin 2004 ist Dr. Anastasia Schwarz, die mit einer Arbeit über neue Methoden zur Bestimmung leichtflüchtiger bromierter und iodierter Kohlenwasserstoffe in Umweltproben (Einsatz von Kopplungstechniken GC-ECD und GC-ICP-MS) die Jury begeisterte.

Seit einiger Zeit weiß man, dass Eiskerne ein wichtiges Klimaarchiv darstellen. „Die polaren Eiskappen sind neben ihrer das Klima mitbestimmenden Funktion ein hervorragendes Archiv der Umwelt der Vergangenheit und ihrer Veränderungen. Sie speichern neben der Lufttemperatur auch die Atmosphäre der Vergangenheit. Damit können aus der Analyse von Eisproben, die mit speziellen Bohrverfahren gewonnen werden, bis weit in die Vergangenheit reichende Zeitserien beispielsweise über die Änderung der Konzentration der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan gewonnen werden. Darüber hinaus ermöglichen im Eis eingeschlossene Aerosolpartikel Aussagen über großräumige Zirkulationssysteme und ihre Veränderungen“, erläutert Professor Dr. Heinz Miller vom AWI. Die Messungen sind mit hoher zeitlicher Auflösung und Genauigkeit möglich. Ihre Ergebnisse erlauben Rückschlüsse darauf, wie sich unser natürliches und vom Menschen nicht beeinflusstes Klimasystem veränderte. Diese Kenntnisse tragen dazu bei, die Aussagen von Modellrechnungen zu verbessern, die der Vorhersage künftiger Klimaentwicklungen dienen. Die Eiskerne werden auf den über 3000 Meter hohen Plateaus der Inlandeise gewonnen, bearbeitet und analysiert.

Unter besonderer Beobachtung der Analytiker steht das Treibhausgas Methan, das in erheblichen Mengen aus den Ozeanen freigesetzt (Quellen), aber auch von diesen aufgenommen werden kann (Senken). Derzeit wird beispielsweise diskutiert, ob Methanfreisetzungen aus dem Meeresboden das Erdklima in der Vergangenheit beeinflusst haben und bei weiterer Erwärmung der Atmosphäre in Zukunft beeinflussen können. „Im Europäischen Nordmeer liegen Methan-Anomalien mit Konzentrationen bis zu zwei Größenordnungen über den normalerweise registrierten marinen Methan-Konzentrationen vor“, sagt Dr. Ellen Damm vom AWI. „Die unterschiedliche Entstehung dieser Anomalien verweist auf die Vielfältigkeit möglicher Eintragswege von Methan in den marinen Stoffkreislauf.“ Die Untersuchungen helfen abzuschätzen, wann Methan aus submarinen Quellen auch eine Quelle für das atmosphärische Methanbudget wird oder ob es im Wasser im marinen Kohlenstoff-Kreislauf verbleibt.

Französische Forscher versuchen mit Unterstützung der Varian GmbH in Darmstadt herauszufinden, was Elementverteilungen in Korallen und in den Stoßzähnen von Seekühen über die Entwicklungsgeschichte „erzählen“ können. Das Problem ist, dass gleichzeitig Analytik im Ultraspurenbereich (Picogramm pro Gramm, also ein milliardstel Milligramm pro Gramm) betrieben werden muss, aber auch die Haupt- und Nebenbestandteile der Proben (Milligramm pro Gramm) analysiert werden sollen. Mit dem ICP (inductively-coupled-plasma)-Massenspektrometer gelingt es immer besser, diese Anforderungen zu erfüllen.

Diese Methode setzt auch Dr. Michael Krachler vom Institut für Umwelt-Geochemie der Universität Heidelberg ein, der bei seinen Ermittlungen von 19 Spurenelementen und von Bleiisotopen im Picogramm- bis Femtogramm-Bereich (ein billionstel Milligramm) in polaren Eiskernen mit kanadischen Wissenschaftlern zusammen arbeitet. Ihm gelang die Senkung der Nachweisgrenze, wobei er gleichzeitig für die Richtigkeit seiner Ergebnisse Sorge trug. Die Spurenelemente Thallium und Scandium konnten erstmals in polaren Eisproben nachgewiesen werden. Die absoluten Bleikonzentrationen in zwei Eisproben aus den Jahren 1852 und 1974 waren sehr ähnlich, doch ihre Isoptopenzusammensetzung war völlig anders, was auf unterschiedliche Herkunftsquellen des Bleis schließen lässt. Krachlers Untersuchungen sind Basis für weitere Erkenntnisse über natürliche und anthropogene Spurenelementeinträge sowie über die Herkunft atmosphärischer Bleieinträge im Schnee und Eis der Polargebiete.

Der Workshop befasst sich des Weiteren mit der Zusammensetzung atmosphärischen Aerosols, mit der Bestimmung kleinster Mengen Quecksilbers, mit radioaktiven Substanzen in der Umwelt, mit der Spurenbestimmung von Brom, Jod und Arsen, mit der Messung von Spurengasen und der Analytik von Sedimenten. Selbst antiquarische Bücher können durch Analyse des Papiers als Quelle umwelthistorischer Daten fungieren.