Schnee von gestern? –

(1)

Schnee von gestern? –

Rekonstruktion vergangener

Umweltbedingungen aus polaren Eisschilden!

XLAB Science Festival Göttingen, 27. Januar 2011

Frank.Wilhelms@awi.de Alfred Wegener Institut

für Polar- und Meeresforschung Georg-August-Universität Göttingen

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(3)

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Karte: D. Steinhage

Grönland in den 50er & 60er Jahren, Dye 3

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(4)

Nuclearer Reaktor

Thule und Camp Century http://www.thuleab.dk

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Langway, Science, 1969

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(6)

Dome C Vostok South Pole

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Dumont d’Urville Mario Zucchelli

McMurdo

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Neumayer

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Zhongshan

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Antarctic Digital Database, Ekholm, 1998, Johnsen, Dansgaard, Clausen,

Langway, Nature, 1972

Dome C Vostok South Pole

Casey

Dumont d’Urville Mario Zucchelli

McMurdo

Syowa Halley

Neumayer

Kohnen

Dome Fuji

Davis

Mirny Molodezhnaya

Zhongshan

Byrd

Antarctic Digital Database, Ekholm, 1998, map by Steinhage with modifications

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www.aip.org

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(7)

Dreiheit (Trias) als Grundlage der Ordnung

Dmitri Iwanowitsch Mendelejew

(russ. ДмитрийИвановичМенделеев) 8.2.1834 – 2.2.1907

Quelle: Wikipedia Johann Wolfgang Döbereiner

13. 12.1780 – 24.03.1849

Quelle: Wikipedia

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5[\UH]

7[\UUH]

:[\UUUI]

Elemente und Isotope

Neutronenzahl

Pro to ne nza hl = O rd nu ng sza hl

Ordnungszahl

+ + +

Periodensystem ordnet nach Ordnungszahl

(9)

stabil gegenüber β-Zerfall β ^- -Zerfall, Elektroneneinfang β ⁺ -Zerfall, Elektroneneinfang

1/2- 122.24s EC

5/2+ 64.49s EC

1+ 109.77m EC 0+ 1672ms EC

1/2+ 17.22s EC

3/2- 53.29d EC

,... 0+ 19.255s EC

3/2- 20.39m EC

1/2- 9.965m EC

0+ 70.606s EC

O 1 5 F 1 7 F 1 8 N e 1 8 N e 1 9

B e 7 C 1 0 C 1 1

N 1 3 O 1 4

Elektroneneinfang, p-Zerfall

B 8 N 1 2

2+ 770ms EC2

1+ 11.000ms EC3

stabil β ^- -Zerfall

p-Zerfall α-Zerfall

spontane Spaltung, β ^- -Zerfall

Stabile und instabile Isotope

Neutronenzahl

Pro to ne nza hl = O rd nu ng sza hl

B e 8

H e 5

3/2- 0.60MeV n

0+ 6.8eV 2

2 4

6 8

1 0

1 2 1 4 1 6

1 8 2 0

2 2

1 2 3 4

5 6

7 8

9 0 1

H H e L i B e

B C

N O

F N e

91.0% 1.0074

° -252.87° -240.18° +1-1

8.9% 4.002602 2 -272.2° -268.93° -267.96° 0 1.866×.19401^-⁷% 2 1 180.5°

1342° +1 2.398.0×112018^-⁹2% 22 1287° 2471° +2

6.91×01.081^-1⁸% 2 3 2075°

4000° +3 0.033% 12.0107 2 4 4492t°

3642s° +2+4-4

0.0102% 14.00674 25 -210.00° -195.79° -146.94°

±1±2±3+4+5 0.078% 15.9994 2 6 -218.79°

-182.95° -118.56° -2

2.7×10^-⁶% 18.9984032 2 7 -219.62°

-188.12° -129.02° -1

02.001.11729%7 2 8 -248.59°

-246.08° - 228.7° 0

1 -259.34

9

n 1

H e 6 L i 8

B e 1 0 B 1 2

C 1 4 C 1 5 N 1 6

O 1 9 O 2 0 F 2 0 F 2 1

N e 2 3 N e 2 4 N e 2 5

1/2+ 614.8s -

0+ 806.7ms -

2+ 838ms -2

0+ 1.51E+6y -

1+ 20.20ms -3

0+ 5730y -

1/2+ 2.449s -

2- 7.13s -

5/2+ 26.91s -

2+ 11.00s -

5/2+ 4.158s -

5/2+ 37.24s -

0+ 3.38m -

(16/20,23/m2)s+ -

13.51s 0+ -

H 3 H 4 H 5 H 6 H e 7 H e 8 H e 9

L i 9 H e 1 0 L i 1 0 L i 1 1 B e 1 1

L i 1 2 B e 1 2 B e 1 3

B 1 3 B e 1 4 B 1 4 B 1 5 B 1 6

C 1 6 B 1 7 C 1 7 N 1 7

B 1 8 C 1 8 N 1 8

B 1 9 C 1 9 N 1 9

C 2 0 N 2 0

C 2 1 N 2 1 O 2 1

C 2 2 N 2 2 O 2 2 F 2 2

N 2 3 O 2 3 F 2 3

N 2 4 O 2 4 F 2 4

O 2 5 F 2 5

O 2 6 F 2 6 N e 2 6

F 2 7 N e 2 7

F 2 8 N e 2 8

F 2 9 N e 2 9 N e 3 0 N e 3 1 N e 3 2

(3/2)- 160keV n

0+ 119.0ms -n

(1/2-) 0.30MeV n 3/2- 178.3ms -n

0+ 0.3MeV n 1.2MeV n

3/2- 8.5ms -n,-2n,... 1/2+ 13.81s -

0+ 23.6ms -

(01./92,M5/2eV)+ n 3/2- 17.36ms -n

0+ 4.35ms -n,-2n,... 2- 13.8ms -

10.5ms -

(0-) 200Ps n 0+ 0.747s -n

(3/2-) 5.08ms -n 193ms -n 1/2- 4.173s -n

0+ 95ms -n 1- 624ms -n,-,...

46ms -n (1/2-) 0.304s -n

0+ 14ms -n 100ms -n

85ms -n (1/2,33./422,5s/2)+

-

0+ 24ms -n 0+ 2.25s - 4+4.,2(33+s) -

82ms -n (3/22.,253/2s)+ -

0+ 61ms -n (10,.23,43)s+ -

59ms -n

0+ 197ms -n

32ms -n

0+ 17ms -n

0.2s -

0+ 0+

1/2+ 12.33y -

2-

L i 4 L i 5 B e 5

B 7 B 9

N 1 0

₇₄₀_k_e_V

F 1 4 F 1 5 F 1 6

N 1 1

2- 1.53/M2-eV p

(3/2-) 1.4MeV

3/2- 0.54keV 2p

1/2+ p

(2-) p

(1/2+) 1.0MeV p

0- 40keV p

B e 6 C 8 C 9

O 1 2 O 1 3 N e 1 6 N e 1 7

0+ 92keV 2p

0+ 230keV

(3/2-) 126.5ms ECp,ECp2

0+ 0.40MeV 2p

(3/2-) 8.58ms ECp

0+ 122keV 2p

1/2- 109.2ms ECp,EC,...

H 1 H 2 H e 3 H e 4

L i 6 L i 7 B e 9 B 1 0 B 1 1

C 1 2 C 1 3 N 1 4 N 1 5

O 1 6 O 1 7 O 1 8 F 1 9 N e 2 0 N e 2 1 N e 2 2

1/2+ 99.985

1+ 0.015 1/2+ 0+

99.999863 1+ 7.5

3/2- 92.5

3/2- 100 3+ 19.9

3/2- 80.1 0+ 98.90

1/2- 1.10 1+ 99.634

1/2- 0.366

0+ 99.762

5/2+ 0.038

0+ 0.200 1/2+ 100 0+ 90.48

3/2+ 0.27

0+ 9.25

0.000137

+

H He

O

1 2 Li Be

B C

N F

Ne 20 21 22

10 3 4 6 7

9 11

19 12 13 14 15

16 17 18

http://ie.lbl.gov/decay.html

(10)

+ + +

+ +

Stabile Isomere im Meerwasser

+ + +

+

+ +

+ + +

+ +

+

+ +

+

16 O

1 H

0,2 ‰

2 H/D

999,8 ‰

1 H

2,0 ‰

18 O

0,4 ‰

17 O

997,6 ‰

16 O

< 10 ^-7 ‰ D ¹⁸ O

< 10 ^-3 ‰ HD ¹⁸ O

2,0 ‰ H ₂ ¹⁸ O

< 10 ^-8 ‰ D ₂ ¹⁷ O

< 10 ^-4 ‰ HD ¹⁷ O

0,4 ‰ H ₂ ¹⁷ O

< 10 ^-4 ‰ D ₂ ¹⁶ O

0,2 ‰ HD ¹⁶ O

997,3 ‰ H ₂ ¹⁶ O

2 H / D

+

1 ² H H / D

17 O

18 O

Vienna Standard MeanOceanWater (VSMOW)

1000 ‰

(11)

Fraktionierung von Gasen –

Das Grahamsche Effusionsgesetz

Quelle: Wikipedia Thomas Graham

21.12.1805 – 11.09.1869 Johann Wolfgang Döbereiner

13. 12.1780 – 24.03.1849

Quelle: Wikipedia

There is a singular observation of Dœbereiner , which chemists seem to have neglected as wholly inexplicable, on the escape of hydrogen gas by a fissure or crack in glass-receivers, which belongs to this subject, and from which I set out in the inquiry. Having occasion, while engaged in his researches on spongy platinum, to collect large quantities, of hydrogen gas, he accidentally made use of a jar which had a slight crack or fissure in it. He was surprised to find that the water of the pneumatic trough rose into this jar one and a half inches in twelve hours, and that, after twenty-four hours, the height of the water was two inches two-thirds above the level of the water-trough. During the experiment neither the height of the barometer, nor the temperature of the place, had sensibly altered.

Graham, Thomas(1833) 'XXVII. On thelaw of thediffusion of gases‘,

Philosophical Magazine Series 3, 2: 9, 175 — 190

(12)

Fraktionierung durch Diffusion – Das Grahamsche Effusionsgesetz

Compared with the volume of air which has entered, the volume of gas which has passed simultaneously outwards is found to be in the inverse proportion of the square root of the specific gravity of the gas. The diffusive velocities therefore of different

gases are inversely as the square root of their densities; or the times of diffusion of equal volumes directly as the square root of the densities of the gases

Thomas Graham, On the Motion of Gases, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1846 136, 573-631, doi: 10.1098/rstl.1846.0029

M const.

v =

1 2 2

1 M M v

v =

oder

(13)

http://phet.colorado.edu/en/simulation/gas-properties

v 2

2 M E = 1

7 0.38 1

28 4 M

M v

v

2 2

N He He

N = = = =

(14)

1 0 0

8 0

6 0

4 0

2 0

0 A n z a h l H e l i u m A t o m e [ # H e ]

1 0 0 8 0

6 0 4 0

2 0 0

A n z a h l S t i c k s t o f f M o l e k ü l e [ # N ]

[ # H e ] ( [ # N ₂ ] ) 1 0 0 ⁽ ¹ ^- ⁽ ² ⁸ ^/ ⁴ ⁾

1 / 2

) [ # N ₂ ] ⁽ ² ⁸ ^/ ⁴ ⁾

1 / 2

2 )

1 0 0 + ( 2 8 / 4 ) ¹ ^/ ² ( [ # N ] - 1 0 0

(15)

•  Fraktionierung durch molekulare Diffusion

•  neben Gleichgewichts- und kinetischer Fraktionierung

•  aufgrund höherer Bindungsenergie für die schwereren Isomere

Das Grahamsche Effusionsgesetz

03 , 18 1

19 M

M v

v

O H

O HD

O H

2 16 16

16 2 16

=

= 05

, 18 1

20 M

M v

v

O H

2 16 2 18

2 18 2 16

=

03 , 18 1

19 M

M v

v

O H

2 16 2 17

2 17 2 16

=

(16)

Massenspektrometer

Francis William Aston

Quelle: Wikipedia

(17)

B 

+

r

U r B

U 2 m

q

2 = 2

A n z a h l N

M a s s e m

A n z a h l N

M a s s e m

m q

Bestimmung relativer Isotopenverhältnisse mittels Massen- spektrometrie

Ionenquelle

Magnet

Schirm

Anzahl Anzahl

12 = 108 1

= 9 N =

( N )

P r .

Anzahl Anzahl

24 = 96 1

= 4 N =

( N )

Probe Ref. Referenz

(18)

Bestimmung relativer Isotopen-

verhältnisse mittels Massenspektrometrie

Anzahl Anzahl

12 = 108 1

= 9 N =

( N )

P r .

Anzahl Anzahl

24 = 96 1

= 4 N =

( N )

Probe Ref. Referenz

N

( N )

P r .

N

( N )

Ref.

N

( N )

Ref.

δ= ⁵

= 9

=

N

( N )

P r .

N

( N )

Ref.

Im Wasser untersucht man meist δ ¹⁸ O und δD

(19)

Probenvorbereitung

Quelle: Betsy Devine

Quelle: Josephine Köhler

(20)

Grundlegende Arbeiten zur Isotopenfraktionierung

Ändert sich die isotopische Zusammensetzung des Wassers wegen unterschiedlicher Kinetik und Dampfdruck für H ₂ ¹⁸ O und H ₂ ¹⁶ O bei Verdunstungs- bzw. Kondensationsvorgängen?

Ja !

Unter anderem in Abängigkeit von der Temperatur bei der Bildung des

Niederschlags

(21)

Fraktionierung im Wasserkreislauf

Dansgaard, W., 1964

δ = 0.695 ‰/°C * T – 13.6 ‰ T= 1.4 °C/‰ * δ + 19.6 °C

Isotopenthermometer

(22)

Eis ist Schnee von Gestern!

“In certain areas on the Greenland Ice Cap is a distinct layer formation caused by melting in the summer season. On the supposition that the

character of the circulatory processes, in all essentials, have not varied over a long period of time, the above, in the opinion of this author, offers the

possibility by measurements of the af (i.e. the amount of the heavy oxygen isotope) in these layers of ice to determine climatic changes over a period of time of several hundred years of the past. ... An investigation will be

undertaken as soon as the opportunity offers.”

(23)

The European Project for Ice Coring in Antarctica

Antarctic Digital Database, Ekholm, 1998, map by Steinhage with modifications

Dome C Vostok South Pole

Casey

Dumont d’Urville Mario Zucchelli

McMurdo

Syowa Halley

Neumayer

Kohnen

Dome Fuji

Davis Mirny Molodezhnaya

Zhongshan

Byrd

EDC EDML

DF

Byrd V

(24)

Das Isotopenthermometer für EDML

Graf, W., Oerter, H., Reinwarth, O., Stichler, W., Wilhelms, F., Miller, H., Mulvaney, R. Stable-

Antarktis (Dronning Maud Land)

T = 1.3°C /‰ * δ ¹⁸ O + 14.8°C

(25)

-48 -44 -40 -36

! 18 O / ‰

2.0 1.5

1.0 0.5

0.0 depth (firn) / m

Variationen im Jahresgang

Schneeschacht 0203 nahe bei EDML

Oerter et al., Annals of Glaciology, 2004.

C. H. Reijmer et al., JGR, 2006: http://www.phys.uu.nl/~wwwimau/research/ice_climate/aws/

antarctica_stations.html#aws9

T = 1.3°C /‰ * δ18O + 14.8°C -52 °C

-32 °C

Hans Oerter

(26)

Längste Zeitreihe beobachteter Variationen

Jouzel et al., Science, 2007

Lisiecki & Raymo, Paleoceanography, 2005

800000 600000

400000 200000

0 Alter / Jahre vor 1950 EPI C A D o m e C Pr o xy te m p er atu r / ° C b ezo g en a u f h eu te

-10 0

Benthische Foraminiferen:

Elphidium macellum (Fichtel and Moll) einige 100 µm

5 4 3

δ 18 O / ‰ Pr o xy fü r Ei sv o lu m en

(27)

Milanković Theorie

Milutin Milanković

kyrill. Милутин Миланковић 28.5.1879 – 12.12.1958

aus Köppen, W., Wegener, A.: Die Klimate der geologischen Vorzeit. 256 S.- Berlin:

Borntraeger, 1924

(28)

Quelle: Wikipedia

0,0 0,5

Exzentrizität

Variation zwischen -0,03 bis 0,02

derzeit: 0,017

(29)

!!"#$

!%"&$

Erdachsenneigung - Oliquity

Quelle: Wikipedia

(30)

Präzession

(31)

Veränderliche Einstrahlung

Milankovic, 1941 Berger, 1976 Hays et al., 1976 Bassinot et al. 1994

Graphics by R. Tiedemann

•  Exzentrizität: Einfluß von anderen Planeten (Jupiter, Saturn),

kreis- / ellipsenförmige Gestalt Zyklus 413000 und 100000 Jahre

•  Obliquität: Erdachsenneigung variiert zwischen 22.2° and 24.5°

Zyklus 41000 Jahre

•  Präzession: Der Mond übt ein

Drehmoment auf die Erde aus

Zyklus 21000 Jahre

(32)

Der Lufteinschluss im Firn

10 m 40 m

70 m

100 m

1 cm

Röntgen- Computer- tomographie

Freitag, Wilhelms,

Kipfstuhl, JGlaciol, 2004

(33)

-10 0

EPI C A D o m e C Pr o xy te m p er atu r / ° C b ezo g en a u f h eu te

600 400 200

Me th an / ppbv

300 250 200

Kohlendioxid / ppmv

600000 500000

400000 300000

200000 100000

0 Alter / Jahre vor 1950

Die längsten verfügbaren atmosphärischen Treibhausgas Zeitreihen

Petit et al., Nature, 1999

Sphani et al., Science, 2005

Siegenthaler et al., Science, 2005

(34)

Das globale Transportband

Wallace Smith Broecker, 1991

(35)

Wikipedia Wikipedia Rahmstorf, Nature, 2002

Das globale Transportband

(36)

Die Beziehung zwischen Nord und Süd

N o r t h G R I P

D O 1

2 3 4 5 6 7 D O 8

9 1 0 1 1 D O 1 2

-45 -41 -37 -33

4 . 1 H 1

H 2 H 3 H 4 H 5

δ 18 O / ‰

-52 -48 -44

-52 -49 -46 -43

E D M L

A I M 8

A I M 1 2 A I M 1

A I M 2

A I M 4 5 6

7 3 9 1 0 1 1

4 . 1

δ 18 O / ‰ T O be rf l. / °C

10000 20000 30000 40000 50000 60000

NGRIP Alter / Jahre vor 1950

Johnsen et al., 2001

Stocker & Johnsen, Paleoceanography, 2003 Broecker, 1991

EDML NGRIP

EPICA community members, Nature 2006,

?

(37)

Moden des Transportbands in der Eiszeit

N o r t h G R I P

D O 1

2 3 4 5 6 7 D O 8

9 1 0 1 1 D O 1 2

-45 -41 -37 -33

4 . 1 H 1

H 2 H 3 H 4 H 5

δ 18 O / ‰

10000 20000 30000 40000 50000 60000

NGRIP Alter / Jahre vor 1950

Rahmstorf, Enc. of Quatern. Sci., Elsevier, 2006

EPICA community members, Nature 2006

(38)

Die bipolare Wippe in der Eiszeit

Stocker & Johnsen, 2003

Schnelle Schwankungen im

Norden erscheinen im Süden

bedämpft und über die Zeit

integriert!

(39)

Schnee von gestern? –