Inhalt

Physikalische Grundlagen der Klimaarchive Eis und Grundwasser

1) Stabile Isotope als Klimaproxy im Grundwasser •

Beispiele, Bedeutung

•

Probleme, Einfluss verschiedener Effekte

2) Gelöste Edelgase als Klimaproxy im Grundwasser

12. Befunde der Isotopen- und Edelgasthermometrie in Aquifersystemen

•

Geschichte des Edelgasthermometers

•

Beispiele zur Temperaturrekonstruktion

3) Vergleich von stabilen Isotopen und Edelgasen •

Eichung des Isotopenthermometers

W. Aeschbach-Hertig Institut für Umweltphysik

Universität Heidelberg

2

1. Stabile Isotope

Temperatur-Effekt

Stabile Isotope im Niederschlag zeigen Temperatureffekt durch Rayleigh-Fraktionierung des Luftwasserdampfes

Beziehungen zwischen Temperatur T (°C) und δ18O (‰): Dansgaard (1964): δ18O = 0.695·T - 13.6 Yurtsever (1975): δ18O = 0.521·T - 15.0

aus Clark & Fritz, 1997

aus Dansgaard, 1964, Tellus 16: 436-468 3

Die Globale Meteorische Wasser-Linie (GMWL)

4

Stabile Isotope in Paläo-Grundwässern

Craig, 1961:

δ H = 8 ⋅ δ 18 O + 10 2

aus Clark & Fritz, 1997 aus Clark & Fritz, 1997

5

6

1

Stabile Isotope in Paläo-Grundwässern

Potential und Probleme der stabilen Isotope Potential • Weit verbreitete Methode, sehr viele Daten • Guter qualitativer Klimaindikator (Holozän – Pleistozän) • Unterstützt Datierung, Indentifikation von Paläowässern Probleme • Gut datierte Klimarecords relativ selten (oft mit NGT) • Quantitative Interpretation als Paläotemperatur schwierig, z.B. wegen – Allgemein: Änderung der Wasserdampfherkunft – Küstenaquifere: Änderung der Distanz zum Ozean – Tropen: Amounteffekt

aus Clark & Fritz, 1997

7

Beispiele zu stabilen Isotopen

8

Beispiele zu stabilen Isotopen

∆T ~ 6-9°C ?

• Valreas Basin, Frankreich • 14C-datiert • klare Isotopensignale • Temperatursprung hängt ab von Kontinentalität…

• Nordchinesische Tiefebene • 14C-datiert • klare Isotopensignale Zongyu et al., 2003. Appl. Geochem. 18: 997–1009. 9

PALAEAUX: Stabile Isotope in europ. Aquiferen

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Kontinental-Effekt

• Überlagerung verschiedener Effekte: – Temperatureffekt – Kontinentaleffekt – Eisvolumeneffekt (angereichter Ozean im Pleistozän) • Eichung mit Edelgastemperaturen notwendig!

Loosli et al., 2001. Geol. Soc. Special Publ., Vol. 189, pp. 193-212.

Isolinien von δ2H im Niederschlag über Europa 11

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Auswirkung verschiedener Effekte

Auswirkung verschiedener Effekte

1. Temperatur- und Eisvolumeneffekt • Annahmen (Messungen) zu modernen Effekten: – Temperatureffekt: ∆δ/∆T ~ 0.6 ‰ / °C • Annahmen zu Unterschieden Eiszeit-Modern: – Temperatur: ∆T ~ -5 °C – Eisvolumeneffekt: ∆δOzean ~ 1.2 ‰ (mehr Eis) • Erwarteter Effekt auf eiszeitliches δ18O (rel. zu modern): – Temperatureffekt: ∆δ ~ -3 ‰ – Eisvolumeneffekt: ∆δ ~ 1.2 ‰ • Erwarteter scheinbarer Langzeit-Temperatureffekt: – ∆δ/∆T ~ 1.8 ‰ / 5 °C ~ 0.36 ‰ / °C • Scheinbarer Temperatureffekt ist geringer als modern!

2. Zusätzlich veränderter Kontinentaleffekt • Annahmen (Messungen) zu modernen Effekten: – Kontinentaleffekt: ∆δ/∆x ~ -0.6 ‰ / 100 km (x: Distanz von Küste, nur wichtig in Küstennähe) • Annahmen zu Unterschieden Eiszeit-Modern: – Kontinentalität: ∆x ~ 200 km (tieferer Meeresspiegel) • Erwarteter Effekt auf eiszeitliches δ18O (rel. zu modern): – Kontinentaleffekt: ∆δ ~ -1.2 ‰ • Kontinentaleffekt kann Eisvolumeneffekt kompensieren! – Sollte scheinbaren Temperatureffekt verstärken – Beobachtung: Oft sehr geringe (scheinbare) Temperatureffekte in küstennahen Aquiferen 13

Bunsen Löslichkeit β [cm3STP cm-3 atm-1]

2. Edelgase

Geschichte des Edelgasthermometers Edelgaslöslichkeiten sind temperaturabhängig

0.2

Xe

Kr

0.05

Ar

0

Ne He 0

5

• 1957: Oana, 1961 Sugisaki messen N2 and Ar in Grundwasser • 1972: Mazor schlägt die Verwendung der Edelgase als Paläothermometer vor

Ar, Kr, Xe-Konzentr. im Gleichgewicht spiegeln direkt die Temperatur wider

0.15

0.1

14

Luftüberschuss durch Einschluss von Blasen 10

15

20

25

30

Temperatur [°C] 15

16

Mazor, 1972: Schlussfolgerungen

Mazor, 1972: Edelgase in Thermalquellen

• Edelgase bleiben selbst in Thermalwasser erhalten (keine Entgasung bei Erwärmung bis ~ 60°C trotz Übersättigung) • Thermalquellen zeigen atmosphärische Edelgassignatur, d.h. meteorischer Ursprung • Edelgastemperaturen (19 +-4 °C) ähnlich wie aktuelle Temp, kein klares Klimasignal (14C Alter bis 30 ka) • Edelgase grundsätzlich zur Temperaturrekonstruktion geeignet

relativ zu Gleichgewicht bei Wassertemperatur Mazor, 1972, Geochim. Cosmochim. Acta 36: 1321-1336

17

18

3

Geschichte des Edelgasthermometers

Andrews, 1979: Bunter Sandstone, England

• 1957: Oana, 1961 Sugisaki messen N2 and Ar in Grundwasser • 1972: Mazor schlägt die Verwendung der Edelgase als Paläothermometer vor • 1979: Andrews und Lee produzieren ersten echten Edelgas-Paläotemperatur-Record

∆T ~ 6°C

recharge gap

19

Geschichte des Edelgasthermometers

Andrews and Lee, 1979. J. Hydrol. 41: 233-252.

20

Heaton and Vogel, 1981: Excess Air

• 1957: Oana, 1961 Sugisaki messen N2 and Ar in Grundwasser • 1972: Mazor schlägt die Verwendung der Edelgase als Paläothermometer vor • 1979: Andrews und Lee produzieren ersten echten Edelgas-Paläotemperatur-Record • 1981: Heaton und Vogel diskutieren "Excess Air" im Grundwasser (nur mit Ar und N2) • 1983-86: Weitere Arbeiten von Heaton et al. (Ar und N2)

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• 1957: Oana, 1961 Sugisaki messen N2 and Ar in Grundwasser • 1972: Mazor schlägt die Verwendung der Edelgase als Paläothermometer vor • 1979: Andrews und Lee produzieren ersten echten Edelgas-Paläotemperatur-Record • 1981: Heaton und Vogel diskutieren "Excess Air" im Grundwasser (nur mit Ar und N2) • 1983-86: Weitere Arbeiten von Heaton et al. (Ar und N2) • 1990er: Stute et al. publizieren Records von hoher Qualität, u.a. • 1995: Stute et al.: NGT-Record aus tropischem Brasilien

• Excess air • 14C-datierter Record • NGT: ∆T ~ 5 °C ~ 0.2 ‰ / °C (~ 0.4 ‰ / °C eiskorrigiert) 18O:

Heaton et al., 1986, Quat. Res. 25: 79-88.

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Geschichte des Edelgasthermometers

Heaton et al., 1986: Uitenhage, Südafrika

•

Heaton and Vogel, 1981. "Excess air" in groundwater. J. Hydrol. 50: 201-216.

23

24

4

Stute and Schlosser, 1993: Erste Review

Stute et al., 1992: Texas, USA Carrizo Aquifer, Texas, USA

NGT: • ∆T ~ 5 °C für LGM, ~ 18 ka BP • ∆T ~ 2.5 °C für "middle Wisconsin", ~ 30 ka BP Stute and Schlosser, 1993. AGU Geophysical Monograph Series 78: 89-100.

25

Stute et al., 1992, Science 256, 1000-1003.

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Stute et al., 1995: Piaui Provinz, Brasilien

Stute et al., 1995: New Mexico, USA

5 °C glaziale Abkühlung im tropischen Tiefland von Brasilien Excess Air Fraktionierung!

• NGT: ∆T ~ 5 °C • Vergleich mit Texas: Eiszeitliche Abkühlung unabhängig von Höhe Stute et al., 1995. Science 269: 379-383. 27

Geschichte des Edelgasthermometers

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Beyerle et al., 1998: Glattal, Schweiz

• 1957: Oana, 1961 Sugisaki messen N2 and Ar in Grundwasser • 1972: Mazor schlägt die Verwendung der Edelgase als Paläothermometer vor • 1979: Andrews und Lee produzieren ersten echten Edelgas-Paläotemperatur-Record • 1981: Heaton und Vogel diskutieren "Excess Air" im Grundwasser (nur mit Ar und N2) • 1983-86: Weitere Arbeiten von Heaton et al. (Ar und N2) • 1990er: Stute et al. publizieren Records von hoher Qualität, u.a. • 1995: Stute et al.: NGT-Record aus tropischem Brasilien • seit 1995: Weitere Datensätze, neue Excess Air Modelle …

∆T ~ 5°C

Stute et al., 1995, Quat. Res. 43, 209-220.

recharge gap

• ~ 5 °C eiszeitliche Abkühlung • keine Grundwasserneubildung im Eiszeitmaximum • Eichung des Isotopenthermometers: ~ 0.5 ‰ / °C (korrigiert für Eiseffekt)

Beyerle et al., 1998. Science 282, 731-734.

29

30

5

Stute and Talma, 1998: Stampriet Aquifer, Namibia

Weyhenmeyer et al., 2000: Al Khwad, Oman

• ~ 6-7 °C eiszeitliche Abkühlung im (sub)tropischen Oman

• 5 °C eiszeitl. Abkühlung, excess air peak, δ18O Inversion nach Stute and Talma, 1998, IAEA-SM 349/53.

Weyhenmeyer et al., 1998. Science 287, 842-845. 31

Aeschbach-Hertig et al., 2002: Aquia, MD, USA

32

Beyerle et al., 2003: Continental Terminal, Niger

∆T Holocene – LGM = 9°C He-datierter Record

∆T ~ 5.5°C

~ 3.5°C: moderne ∆T = Tsoil - Tair

Aeschbach-Hertig et al., 2002. Geochim. Cosmochim. Acta 66: 797-817. 33

Edelgaspaläotemperaturdaten weltweit

~ 2.0°C: Abkühlung der Luft

Beyerle et al., 2003, Geophys. Res. Lett. 30

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Edelgastemperaturen und Klimamodelle

Glazial-Interglazial ∆T aus Edelgastemperaturen

35

Crowley, Climate Dynamics 16 (2000): 241-255

36

6

Beispiel Valreas Basin, Frankreich

• Möglichkeit des direkten Vergleichs von Isotopendaten mit absoluten Edelgastemperaturen: Wichtige Stärke des Grundwasserarchivs • lokale Eichung des Isotopenthermometers: Bestimmung der Steigung δ18O/T für lange Zeitskala (Eiszeitzyklus) • Bis jetzt relativ selten durchgeführt • Verschiedene Lokalitäten ergeben stark unterschiedliche Resultate • Bisher keine systematische Analyse

∆T Holocene – LGM = 7.4 °C Noble Gas Temperature (°C)

3. Vergleich stabile Isotope - Edelgase

16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2

11.9±0.6 °C

7.4±0.7 °C

4.5±0.4 °C

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Corrected 14C age (yr) 37

38

Valreas Basin: Lokale Kalibration

Valreas Basin: Stabile Isotope

Steigung: 0.23 ‰ / °C 39

PALAEAUX: δ18O-NGT in europäischen Aquiferen

40

Zusätzlicher Effekt durch kälteren trop. Ozean?

• scheinbarer Temperatureffekt: – ~ 0.35 ‰/°C in kontinentalen Aquiferen – kann durch Eiseffekt erklärt werden – sehr gering in küstennahen Aquiferen

Loosli et al., 2001. Geol. Soc. Special Publ., Vol. 189, pp. 193-212.

41

Boyle, 1997, Geophys. Res. Lett. 24: 273-276.

42

7

Zusammenfassung • Stabile Isotope: – viele Daten, schwierig zu interpretieren, div. Effekte • Edelgastemperaturen: – ca. 5 °C eiszeitliche Abkühlung auch in den Tropen – stärkere Abkühlung (bis 9°C) in höheren Breiten – Unterbrechung der Neubildung durch Permafrost (?) • Kombination: – Eichung des Isotopenthermometers möglich – systematische Untersuchung noch ausstehend!

43

8