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Paläozeanographie

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Paläozeanographie (altgriechisch παλαιός palaiós „alt“, -ozean und γράφειν gráphein „(auf-)schreiben“) ist die wissenschaftliche Untersuchung der ozeanographischen Geschichte in Bezug auf deren Zirkulation, Chemie, Biologie, Geologie, Sedimentationsmuster und biologische Produktivität. Die Rekonstruktion des vergangenen Klimas ermöglicht es paläozeanographischen Studien, unter der Verwendung von Umweltmodellen und verschiedenen Proxies, die Rolle der ozeanischen Prozesse im globalen (aktuellen) Klima zu bewerten. Die paläozeanographische Forschung ist eng mit der Paläoklimatologie verbunden.

Methoden

Die Paläozeanographie nutzt sogenannte Proxy-Methoden, um Informationen über den vergangenen Zustand und die Entwicklung der Weltmeere zu gewinnen. Viele geochemische Proxy umfassen langkettige organische Moleküle (z. B. Alkenone), stabile und radioaktive Isotope und Spurenmetalle. Darüber hinaus werden häufig Sedimentkerne verwendet.

Meeresoberflächentemperatur

Aufzeichnungen über die Meeresoberflächentemperatur (engl. SST – sea surface temperature) können aus Tiefseesedimentkernen anhand von Sauerstoffisotopenverhältnissen und dem Verhältnis von Magnesium zu Calcium (Mg/Ca) gewonnen werden. Untersucht werden dafür Schalen von Plankton, langkettige organische Moleküle wie Alkenone, tropische Korallen und Molluskenschalen.

Sauerstoffisotopenverhältnisse (δ18O) sind für die Temperaturrekonstruktion nützlich, da deren Isotopenverhältnisse temperaturabhängig sind. Plankton nimmt beim Aufbau seiner Schalen Sauerstoff auf und wird so unter thermodynamischen Gleichgewicht in wärmeren Gewässern mit weniger δ18O angereichert. Nach dem Lebenszyklus des Planktons bleibt dieses δ18O-Verhältnis in den Ablagerungen erhalten und kann verwendet werden um vergangene SSTs abzuleiten. Sauerstoffisotopenverhältnisse sind jedoch keine perfekten Proxys. Vor allem kontinentale Eisschilde haben einen Einfluss auf das δ18O Verhältnis, da sich das in ihnen konservierte Süßwasser durch niedrigere Werte von δ18O auszeichnet. Das führt dazu, dass der δ18O-Wert während der Eiszeiten im Meerwasser und somit auch in den gebildeten Calcitschalen deutlich erhöht war.

Die Substitution von Magnesium mit Calcium in CaCO3-Schalen kann stellvertretend für den SST verwendet werden. Mg/Ca-Verhältnisse haben neben der Temperatur mehrere andere Einflussfaktoren, wie z. B. Vitaleffekte, Schalenreinigung und postmortale und post-depositionale Auflösungseffekte. Trotz der anderen Einflüsse konnte über Mg/Ca-Verhältnisse die tropische Abkühlung während der letzten Eiszeit quantifiziert werden.

Alkenone sind langkettige, komplexe organische Moleküle, die von photosynthetischen Algen produziert werden. Sie sind temperaturempfindlich und können aus Meeressedimenten gewonnen werden. Die Verwendung von Alkenonen stellt eine direktere Beziehung zwischen SST und Algen dar und beruht nicht auf der Kenntnis biotischer oder physikalisch-chemischer thermodynamischer Beziehungen, die in CaCO3-Studien benötigt werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Alkenonen besteht darin, dass sie ein Produkt der Photosynthese sind und somit eine Bildung in den oberflächennahen Wasserschichten mit Sonnenlicht erfordern. Als solches zeichnet es die Temperatur der Meeresoberfläche genauer auf.

Bodenwassertemperatur

Der am häufigsten verwendete Proxy zur Ableitung der Tiefseetemperaturgeschichte sind die Mg/Ca-Verhältnisse in benthischen Foraminiferen und Ostrakoden. Die aus den Mg/Ca-Verhältnissen abgeleiteten Temperaturen haben eine Abkühlung der Tiefsee um bis zu 3 °C während der spätpleistozänen Kaltzeiten bestätigt. In der Studie von Lear et al. [2002] wurde eine Gleichung zur Kalibrierung der Bodenwassertemperatur anhand von Mg/Ca-Verhältnissen aufgestellt:

Mg/Ca=0,867±0,049⋅exp⁡(0,109±0,007⋅BWT){\displaystyle \mathrm {Mg/Ca} =0{,}867\pm 0{,}049\cdot \exp(0{,}109\pm 0{,}007\cdot \mathrm {BWT} )}

wobei Mg/Ca das in den benthischen Foraminiferen gefundene Mg/Ca-Verhältnis und BWT die Bodenwassertemperatur ist.

Sedimentaufzeichnungen

Die Forschung über die Rekonstruktion anhand von Sedimentaufzeichnungen reicht bis in die 1930er Jahre und früher zurück. Die moderne rekonstruktive Forschung hat durch Sedimentkernscanmethoden eine Auflösung erreicht die mit den Eisbohrkernaufzeichnungen in der Antarktis vergleichbar sind. Die Aufzeichnungen können mithilfe von Paläoproduktivitätsmethoden Auskunft über die relative Häufigkeit von Organismen zu bestimmten Zeitpunkten geben und historische Wettermuster und Ozeanzirkulation dokumentieren.

Salzgehalt

Der Salzgehalt ist eine schwieriger zu erfassende Größe in der Paläozeanographie. Die bevorzugten Methoden sind bisher die Dokumentation von Überschüssen an Deuterium in Kernaufzeichnungen, welche einen besseren Rückschluss auf den Salzgehalt der Meeresoberfläche liefern als Sauerstoffisotope, und die Auswertung bestimmter Spezies wie Kieselalgen, die aufgrund ihrer relativen Häufigkeiten in bestimmten Salzgehaltsbereichen, einen halbquantitativen Salzgehalt liefern können. Der globale Wasserkreislauf und der Salzgehalt der Ozeane hat sich mit der Zeit verändert, wobei der Nordatlantik immer salziger und der subtropische Indische und der Pazifische Ozean immer salzärmer wurden. Mit Veränderungen des Wasserkreislaufs entstanden auch Variationen bei der vertikalen Verteilung von Salz und Haloklinen. Große Süßwassereinbrüche und sich ändernde Salzgehalte können die Ausdehnung des Meereises reduzieren.

Ozeanzirkulation

Mehrere Proxy-Methoden wurden verwendet, um die vergangene Ozeanzirkulation und deren Veränderungen abzuleiten. Dazu gehören Kohlenstoffisotopenverhältnisse, Cadmium/Calcium (Cd/Ca)-Verhältnisse, Protactinium/Thorium-Isotope (231Pa und 230Th), Radiokohlenstoff-Aktivität (δ14C), Neodym-Isotope (143Nd und 144Nd) und sortierbarer Schluff (Fraktion von Tiefseesedimenten) zwischen 10 und 63 μm. Kohlenstoffisotopen- und Cadmium/Calcium-Verhältnis-Proxies werden verwendet, da die Variabilität in ihren Verhältnissen teilweise auf Veränderungen in der Grundwasserchemie zurückzuführen ist, die wiederum mit der Quelle der Tiefenwasserbildung in Verbindung steht. Diese Verhältnisse werden jedoch durch biologische, ökologische und geochemische Prozesse beeinflusst, die Zirkulationsschlussfolgerungen erschweren.

Alle genannten Proxies sind nützlich, um das Verhalten der thermohalinen Zirkulation abzuleiten. McManus et al. [2004] verwendeten Protactinium/Thorium-Isotope (231Pa und 230Th), um zu zeigen, dass die atlantische thermohaline Zirkulation während der letzten Kaltzeit fast (oder vollständig) zum Erliegen kam. Im heutigen Atlantik und der aktuellen thermohalinen Zirkulation ist der 230Th-Transport zum Südpolarmeer aufgrund seiner kurzen Verweilzeit minimal und der 231Pa-Transport hoch. Dies führt zu relativ niedrigen 231Pa/230Th-Verhältnissen. Des Weiteren wurde auch einen kleinen Anstieg des 231Pa / 230Th-Verhältnisses während der Jüngeren Dryaszeit festgestellt, einer anderen Periode in der Klimageschichte, von der angenommen wird, dass sie eine schwächere Zirkulation erlebt hat.

Säure, pH und Alkalinität

Borisotopenverhältnisse (δ11B) können verwendet werden, um sowohl rezente als auch tausendjährige Veränderungen des Säuregehalts, des pH-Werts und der Alkalinität des Ozeans abzuleiten. Die Veränderungen werden hauptsächlich durch die atmosphärischen CO2-Konzentrationen und die Konzentration von Bicarbonationen im Ozean erzwungen. Es wurde festgestellt, dass der δ11B-Gehalt in Korallen des südwestlichen Pazifiks mit dem pH-Wert des Ozeans variiert, was impliziert, dass Klimavariabilitäten wie die Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO) die Auswirkungen der Ozeanversauerung aufgrund steigender atmosphärischer CO2-Konzentrationen beeinflussen können. Eine weitere Anwendung von δ11B ist als indirekter Proxy in Planktonschalen für die atmosphärischen CO2-Konzentrationen der letzten mehreren Millionen Jahre.

Siehe auch

  • Ozeanographie
  • Paläoklimatologie

Einzelnachweise

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Autor: www.NiNa.Az

Veröffentlichungsdatum: 07 Jul 2025 / 06:58

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und radioaktive Isotope und Spurenmetalle Daruber hinaus werden haufig Sedimentkerne verwendet Meeresoberflachentemperatur Aufzeichnungen uber die Meeresoberflachentemperatur engl SST sea surface temperature konnen aus Tiefseesedimentkernen anhand von Sauerstoffisotopenverhaltnissen und dem Verhaltnis von Magnesium zu Calcium Mg Ca gewonnen werden Untersucht werden dafur Schalen von Plankton langkettige organische Molekule wie Alkenone tropische Korallen und Molluskenschalen Sauerstoffisotopenverhaltnisse d18O sind fur die Temperaturrekonstruktion nutzlich da deren Isotopenverhaltnisse temperaturabhangig sind Plankton nimmt beim Aufbau seiner Schalen Sauerstoff auf und wird so unter thermodynamischen Gleichgewicht in warmeren Gewassern mit weniger d18O angereichert Nach dem Lebenszyklus des Planktons bleibt dieses d18O Verhaltnis in den Ablagerungen erhalten und kann verwendet werden um vergangene SSTs abzuleiten Sauerstoffisotopenverhaltnisse sind jedoch keine perfekten Proxys Vor allem kontinentale Eisschilde haben einen Einfluss auf das d18O Verhaltnis da sich das in ihnen konservierte Susswasser durch niedrigere Werte von d18O auszeichnet Das fuhrt dazu dass der d18O Wert wahrend der Eiszeiten im Meerwasser und somit auch in den gebildeten Calcitschalen deutlich erhoht war Die Substitution von Magnesium mit Calcium in CaCO3 Schalen kann stellvertretend fur den SST verwendet werden Mg Ca Verhaltnisse haben neben der Temperatur mehrere andere Einflussfaktoren wie z B Vitaleffekte Schalenreinigung und postmortale und post depositionale Auflosungseffekte Trotz der anderen Einflusse konnte uber Mg Ca Verhaltnisse die tropische Abkuhlung wahrend der letzten Eiszeit quantifiziert werden Alkenone sind langkettige komplexe organische Molekule die von photosynthetischen Algen produziert werden Sie sind temperaturempfindlich und konnen aus Meeressedimenten gewonnen werden Die Verwendung von Alkenonen stellt eine direktere Beziehung zwischen SST und Algen dar und beruht nicht auf der Kenntnis biotischer oder physikalisch chemischer thermodynamischer Beziehungen die in CaCO3 Studien benotigt werden Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Alkenonen besteht darin dass sie ein Produkt der Photosynthese sind und somit eine Bildung in den oberflachennahen Wasserschichten mit Sonnenlicht erfordern Als solches zeichnet es die Temperatur der Meeresoberflache genauer auf Bodenwassertemperatur Der am haufigsten verwendete Proxy zur Ableitung der Tiefseetemperaturgeschichte sind die Mg Ca Verhaltnisse in benthischen Foraminiferen und Ostrakoden Die aus den Mg Ca Verhaltnissen abgeleiteten Temperaturen haben eine Abkuhlung der Tiefsee um bis zu 3 C wahrend der spatpleistozanen Kaltzeiten bestatigt In der Studie von Lear et al 2002 wurde eine Gleichung zur Kalibrierung der Bodenwassertemperatur anhand von Mg Ca Verhaltnissen aufgestellt Mg Ca 0 867 0 049 exp 0 109 0 007 BWT displaystyle mathrm Mg Ca 0 867 pm 0 049 cdot exp 0 109 pm 0 007 cdot mathrm BWT wobei Mg Ca 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aufgrund ihrer relativen Haufigkeiten in bestimmten Salzgehaltsbereichen einen halbquantitativen Salzgehalt liefern konnen Der globale Wasserkreislauf und der Salzgehalt der Ozeane hat sich mit der Zeit verandert wobei der Nordatlantik immer salziger und der subtropische Indische und der Pazifische Ozean immer salzarmer wurden Mit Veranderungen des Wasserkreislaufs entstanden auch Variationen bei der vertikalen Verteilung von Salz und Haloklinen Grosse Susswassereinbruche und sich andernde Salzgehalte konnen die Ausdehnung des Meereises reduzieren Ozeanzirkulation Mehrere Proxy Methoden wurden verwendet um die vergangene Ozeanzirkulation und deren Veranderungen abzuleiten Dazu gehoren Kohlenstoffisotopenverhaltnisse Cadmium Calcium Cd Ca Verhaltnisse Protactinium Thorium Isotope 231Pa und 230Th Radiokohlenstoff Aktivitat d14C Neodym Isotope 143Nd und 144Nd und sortierbarer Schluff Fraktion von Tiefseesedimenten zwischen 10 und 63 mm Kohlenstoffisotopen und Cadmium Calcium Verhaltnis Proxies werden verwendet da die Variabilitat in ihren Verhaltnissen teilweise auf Veranderungen in der Grundwasserchemie zuruckzufuhren ist die wiederum mit der Quelle der Tiefenwasserbildung in Verbindung steht Diese Verhaltnisse werden jedoch durch biologische okologische und geochemische Prozesse beeinflusst die Zirkulationsschlussfolgerungen erschweren Alle genannten Proxies sind nutzlich um das Verhalten der thermohalinen Zirkulation abzuleiten McManus et al 2004 verwendeten Protactinium Thorium Isotope 231Pa und 230Th um zu zeigen dass die atlantische thermohaline Zirkulation wahrend der letzten Kaltzeit fast oder vollstandig zum Erliegen kam Im heutigen Atlantik und der aktuellen thermohalinen Zirkulation ist der 230Th Transport zum Sudpolarmeer aufgrund seiner kurzen Verweilzeit minimal und der 231Pa Transport hoch Dies fuhrt zu relativ niedrigen 231Pa 230Th Verhaltnissen Des Weiteren wurde auch einen kleinen Anstieg des 231Pa 230Th Verhaltnisses wahrend der Jungeren Dryaszeit festgestellt einer anderen Periode in der Klimageschichte von der angenommen wird dass sie eine schwachere Zirkulation erlebt hat Saure pH und Alkalinitat Borisotopenverhaltnisse d11B konnen verwendet werden um sowohl rezente als auch tausendjahrige Veranderungen des Sauregehalts des pH Werts und der Alkalinitat des Ozeans abzuleiten Die Veranderungen werden hauptsachlich durch die atmospharischen CO2 Konzentrationen und die Konzentration von Bicarbonationen im Ozean erzwungen Es wurde festgestellt dass der d11B Gehalt in Korallen des sudwestlichen Pazifiks mit dem pH Wert des Ozeans variiert was impliziert dass Klimavariabilitaten wie die Pazifische Dekaden Oszillation PDO die Auswirkungen der Ozeanversauerung aufgrund steigender atmospharischer CO2 Konzentrationen beeinflussen konnen Eine weitere Anwendung von d11B ist als indirekter Proxy in Planktonschalen fur die atmospharischen CO2 Konzentrationen der letzten mehreren Millionen Jahre Siehe auchOzeanographie PalaoklimatologieEinzelnachweiseBruce Peter Luyendyk paleoceanography In Britannica Abgerufen am 27 Oktober 2021 englisch Gideon M Henderson New oceanic proxies for paleoclimate In Earth and Planetary Science Letters Band 203 Nr 1 15 Oktober 2002 ISSN 0012 821X S 1 13 doi 10 1016 S0012 821X 02 00809 9 sciencedirect com abgerufen am 27 Oktober 2021 Thomas Cronin Paleoclimates Understanding Climate Change Past and Present Hrsg Columbia University Press ISBN 978 0 231 14494 0 Harold C Urey The thermodynamic properties of isotopic substances In Journal of the Chemical Society Resumed Nr 0 1 Januar 1947 ISSN 0368 1769 S 562 581 doi 10 1039 JR9470000562 rsc org abgerufen am 27 Oktober 2021 Cesare Emiliani Pleistocene Temperatures In The Journal of Geology Band 63 Nr 6 1 November 1955 ISSN 0022 1376 S 538 578 doi 10 1086 626295 Eric Olausson Evidence of climatic changes in North Atlantic deep sea cores with remarks on isotopic paleotemperature analysis In Progress in Oceanography Band 3 1 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