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Freitag, 24.03.2017
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Wie man den pH-Wert des Ozeans vor 100.000 Jahren misst

Neues Werkzeug für die Klimarekonstruktion

Der pH-Wert ist den meisten von uns noch vertraut aus der Schule, wo sich das Lackmus-Papier je nach Säuregehalt der Lösung verfärbte. Dr. Bärbel Hönisch, Geowissenschaftlerin am MARUM – Zentrum für marine Umweltwissenschaften in Bremen bedient sich ganz anderer Methoden, um den pH-Wert des Meerwassers herauszufinden. Aber das liegt mit Sicherheit auch daran, dass sie versucht herauszufinden, wie sauer oder alkalisch das Meer vor mehreren 100.000 Jahren war.
Klima und Meer

Klima und Meer

Der pH-Wert verändert sich mit Temperatur, Salzgehalt, Druck und entsprechend der Stoffe, die im Wasser gelöst sind. So beeinflusst auch der CO2-Gehalt der Atmosphäre den pH-Wert des Meerwassers. Denn je mehr CO2 in der Atmosphäre ist, desto mehr wird auch im Ozean gelöst. Dabei entsteht Kohlensäure, die den pH-Wert vermindert. Da der Austausch zwischen Atmosphäre und Ozean nach festen Gesetzen erfolgt, kann man über den pH-Wert im Meerwasser – zusammen mit anderen Parametern – auch Rückschlüsse ziehen, wie viel CO2 in der Atmosphäre ist. Kann man dementsprechend herausfinden, wie der pH-Wert früher war, kann man auch die CO2-Konzentration der Atmosphäre vor mehreren 100.000 Jahren rekonstruieren. Genau dies versucht Bärbel Hönisch.

Dazu misst sie Bor in den Kalkschalen von einzelligen Tieren, so genannten Foraminiferen. Diese leben in der Nähe der Wasseroberfläche, aber ihre Schalen sammeln sich nach ihrem Tod am Meeresboden, wo sie nach und nach begraben werden. Bärbel Hönisch nimmt Proben aus solchen Ablagerungen, die fossile Foraminiferen-Schalen enthalten. Sie misst an ihnen aber nicht den Gehalt, sondern vor allem das Verhältnis der Bor-Isotope 10Bor und 11Bor – Bor-Atome verschiedenen Gewichts. Über dieses Verhältnis kann sie den pH-Wert bestimmen.

Bor kommt nämlich im Meer nicht ungebunden, sondern in zwei Verbindungen vor: als Borsäure bei niedrigen pH-Werten, also einem sauren Ozean und als Borat bei höheren, also alkalischen pH-Werten. Die Menge an Bor und das Verhältnis der beiden Bor-Isotope 10Bor und 11Bor insgesamt ist im Meerwasser konstant. Mit dem pH-Wert ändert sich jedoch in welcher Verbindung die Bor-Isotope auftreten. Bei niedrigen pH-Werten liegt fast nur Borsäure vor. Da 11Bor bevorzugt in Borsäure auftritt, ist daher 11Bor in dieser Situation nur in Borsäure vorhanden.


Ab einem pH-Wert von 7 wandelt sich immer mehr Borsäure in Borat um, wodurch 11Bor zunehmend auch im Borat auftritt. So verschiebt sich das Verhältnis der beiden Isotope im Borat mit steigendem pH-Wert in Richtung 11Bor. Praktischerweise für Bärbel Hönisch nehmen Foraminiferen nur Borat aus dem Wasser auf, um es in ihre Schalen einzubauen. So kann sie das Verhältnis der beiden Bor-Isotope in den Foraminiferen-Schalen als Anzeiger für den pH-Wert des Wassers zu Lebzeiten der Foraminifere nutzen: Je höher der Anteil von 11Bor, umso höher war der pH-Wert.

pH-Wert der Meere rekonstruieren


Natürlich müssen auch noch andere Faktoren berücksichtigt werden, die auf ähnlich komplexe Art und Weise aus den Sedimenten herausgekitzelt werden müssen. Dass ihre Annahmen über diese Faktoren recht gut sind, hat Bärbel Hönisch überprüft: „Von dem so genannten „Vostok-Eiskern“ kennen wir anhand winziger eingeschlossener Luftblasen ziemlich genau die Veränderungen des CO2-Gehalts der Atmosphäre während der letzten 400.000 Jahre. Die Ergebnisse aus meinen Bor-Messungen stimmen mit der Vostok-Kurve erstaunlich gut überein.“ Die Analyse der Bor-Isotope eignet sich also gut, um den pH-Wert der Meere der Vergangenheit zu rekonstruieren. Damit haben die Geowissenschaftler ein weiteres Werkzeug an der Hand, um die Vergangenheit des Klimas zu entschlüsseln.

Aber warum versucht man dies überhaupt? „Wir können heute über Untersuchungen an Eiskernen heute etwa 900.000 Jahre zurückgehen. Ich möchte aber mit meiner Methode mindestens 1,8 Millionen Jahre zurückgehen. In diesem Zeitraum wird es nämlich besonders interessant, da sich Frequenz und Ausmaß der Eiszeiten veränderten. Man vermutet, dass CO2-Gehalt und dementsprechend auch die Temperaturen damals höher waren“, erklärt die 31-Jährige. Mit diesem in der Tat langfristig gesteckten Ziel hat sie sich viel vorgenommen.
(GeoUnion/MARUM, 02.11.2005 - Kirsten Achenbach)
 
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