19. Jul. 2018
Die Muschel Acesta excavata in der toten Riffbasis.

Die Muschel Acesta excavata in der toten Riffbasis.

Um die Temperatur der Meere vor 30 Millionen Jahren zu ermitteln, muss sich die Forschung etwas einfallen lassen. Fahrtteilnehmer Nico Schleinkofer erklärt, wie die Muschel Acesta dabei helfen kann und beschreibt, was ein Proxy ist.

Eine Wassertemperatur zu bestimmen ist nicht schwer. Man muss nur ein Thermometer ins Wasser halten und die Temperatur ablesen. Die Wassertemperatur der Meere vor 30 Millionen Jahren zu bestimmen, ist wesentlich komplizierter, da Zeitreisen noch nicht für jeden erschwinglich sind. Allerdings können wir trotzdem die Temperatur der Ozeane in der Vergangenheit bestimmen. Wie, fragt ihr? Mit der Hilfe der Muschel Acesta excavata oder anderen marinen Organismen, die ihre Schalen und Skelette aus Kalziumkarbonat  - dem Zeug, das die Wasserleitungen verstopft - ausbilden. Aber fangen wir ganz vorne an. Um die Temperatur von Ozeanen in der Vergangenheit zu bestimmen, benötigen wir einen Proxy. Ein Proxy ist ein messbarer Parameter im Kalziumkarbonat, der sich in Relation zur Temperatur verändert. Wenn man einen solchen Proxy gefunden hat, muss man ihn kalibrieren, sodass er exakte Ergebnisse liefert. Dabei erstellen wir eine Transferfunktion, die den Zusammenhang zwischen Proxy und Wassertemperatur beschreibt. Das mag jetzt alles sehr kompliziert klingen, aber lasst es mich anhand eines Beispiels verdeutlichen.

Wenn es im Winter kalt wird, neigen die Leute dazu, mehr Klamotten zu tragen. Im Sommer dagegen werden weniger Klamotten getragen. Die Anzahl an Kleidungsstücken, die ein Mensch trägt, wird also durch die Temperatur bestimmt. Das ist ein Proxy. Jetzt muss dieser Proxy kalibriert werden, also messen wir die Anzahl an Kleidungsstücken, die Menschen bei verschiedenen Temperaturen tragen. Zum Beispiel messen wir, dass Menschen bei 30°C 1 Kleidungsstück tragen, 8 Kleidungsstücke bei 0°C und so weiter. Wenn wir diese Daten nun in einen Graphen einzeichnen, zeigt sich, dass sich die Anzahl der Kleidungsstücke, die ein Mensch trägt, mit steigender Temperatur reduziert.

Aus diesen Daten können wir eine mathematische Funktion konstruieren, die diesen Zusammenhang beschreibt. Das ist die Transferfunktion. In diesem Beispiel lautet diese: Anzahl der Kleidungsstücke = 7,83 – 0,23 * Temperatur. Diese sagt aus, dass mit jedem Grad Temperaturanstieg 0,23 Kleidungsstücke ausgezogen werden. Der nächste Schritt ist, die Funktion zu testen. Dazu kann man die Funktion an Daten von vor 60 Jahren nutzen. Falls sie auch an diesen Daten funktioniert, kann man davon ausgehen, dass sie auch an noch älteren Proben funktionieren würde.

Natürlich sind Muscheln und andere marine Organismen nicht dafür bekannt, besonders viele Klamotten zu tragen, weshalb wir andere Proxies nutzen müssen. Dabei steht uns eine unüberschaubare Vielfalt an Proxies für allerlei verschiedene Parameter wie Temperatur, Salzgehalt, Nährstoffkonzentration usw. zur Verfügung. Diese Proxies umfassen beispielsweise Elementverhältnisse, Isotopenverhältnisse und morphologische Parameter, jedoch funktioniert nicht jeder Proxy in jedem Organismus gleichermaßen gut. Auch zwischen verschiedenen Spezies kann es Unterschiede geben.

Einer der meist benutzten Proxies ist das Magnesium/Kalzium-Elementverhältnis (Mg/Ca). Im Gegensatz zu unserem Klamottenproxy steigt das Mg/Ca-Verhältnis mit steigender Temperatur. Das liegt daran, dass der Einbau von Magnesium in Kalziumkarbonat ein endothermer Prozess ist, d.h. der Prozess verbraucht Energie bzw. Wärme. Daher steigt die Magnesiumkonzentration im Kalziumkarbonat mit steigender Temperatur an. Wir können nun die Mg/Ca-Verhältnisse in alten Muschel-Schalen messen und daraus die Wassertemperatur berechnen, in der die Muschel gelebt hat.

Beispiel-Graph zur Erläuterung der Transferfunktion zur Errechnung von Proxys.

Beispiel-Graph zur Erläuterung der Transferfunktion zur Errechnung von Proxys.

Bild: Nico Schleinkofer
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Beispiel-Graph zur Erläuterung der Transferfunktion zur Errechnung von Proxys.

Bild: Nico Schleinkofer

Natürlich sind diese Rekonstruktionen niemals hundertprozentig korrekt und immer mit einem Fehler behaftet. Ein weiterer Umstand, der solche Rekonstruktionen kompliziert macht, ist, dass die meisten Proxies nicht nur durch einen Parameter kontrolliert werden. Mg/Ca-Verhältnisse werden zum Beispiel auch durch die Salinität und möglicherweise derzeit unbekannte Parameter beeinflusst. Und natürlich, wie schon gesagt, funktioniert nicht jeder Proxy an jedem Organismus gleich gut. An Muscheln und Foraminiferen angewendet, liefern Mg/Ca-Verhältnisse gute Ergebnisse. Bei Korallen jedoch nicht so gute.

Trotzdem lassen sich mit Proxies belastbare Ergebnisse erzielen, die für verschiedene wissenschaftliche Fragestellungen genutzt werden können. Wollt ihr vielleicht wissen, was passiert, wenn unsere atmosphärischen CO2-Konzentrationen weiter ansteigen? Schaut euch einfach die Kreidezeit vor 145 – 66 Millionen Jahren an. Damals waren die CO2-Konzentrationen mindestens viermal so hoch wie heute.

Natürlich gibt es nicht nur Proxies für marine Lebensräume, sondern auch für terrestrische. Baumpollen können beispielsweise auch für Temperaturrekonstruktionen genutzt werden. Tropfsteinhöhlen, die aus Kalziumkarbonat aufgebaut sind, können ähnlich genutzt werden wie Muschelschalen. Die Möglichkeiten sind unendlich.

Nico Schleinkofer