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Sauerstoffisotopenanalyse ist eine weit verbreitete Forschungsmethode in der Geowissenschaften wo ist das Verhältnis zwischen den stabilen Sauerstoffisotope¹⁶Ö und ¹⁸Ö im Sediment festgestellt wird. Dies führt zu dem sogenannten Delta-Wert:¹⁸O. Dieser Wert hängt von der Temperatur und Zusammensetzung des Meerwassers ab. Diese Eigenschaften ermöglichen die¹⁸O-Wert als Stellvertreter dienen in Rekonstruktionen von Temperatur und Eisvolumen aus dem geologische Vergangenheit. Die sogenannte Marine Isotope Praktika basieren auf Sauerstoffisotopenanalysen.

Theorie

Unterschied zwischen¹⁸O von Meerwasser (δ_w) in einer Eiszeit und einer Zwischeneiszeit.

Sauerstoff kommt in drei verschiedenen Isotope vor dem: ¹⁶Ö, ¹⁷Ö und ¹⁸O. Das Verhältnis, in dem sie in der Luft erscheinen, ist sehr ungleich: ¹⁶O ist mit 99,759% am häufigsten, die anderen beiden mit 0,0374% (¹⁷O) und 0,2039% (¹⁸O) vorhanden. Sauerstoff kommt mit allen drei Isotopen in gebundener Form im gesamten Wasser der Erde vor. Durch den Austausch von Wasser (Dampf) zwischen der Atmosphäre und dem Ozean ist das Verhältnis der Sauerstoffisotope im Wasser ein Spiegelbild des Verhältnisses in der Atmosphäre. Das Vorhandensein verschiedener Sauerstoffisotope im Wasser beeinflusst die Verdunstung. Aufgrund des unterschiedlichen Gewichts dieser Isotope findet eine Differenzierung während der Verdunstung statt. Das leichte Sauerstoffisotop ¹⁶O verdunstet früher als das 12% schwerere ¹⁸O mit dem Ergebnis, dass das Meerwasser mit diesem schweren Isotop leicht angereichert wird und die Atmosphäre mit dem leichteren ¹⁶O. In warmen Perioden regnet Wasser mit dem leichten Sauerstoffisotop aus, kehrt schließlich in den Ozean zurück und stellt das Gleichgewicht wieder her. In kalten Perioden besteht der Niederschlag jedoch mehr aus Schnee. Wenn der Schnee an Land fällt, bleibt er höher Breitengrade hinlegen, was schließlich Polkappen stammen. Das Wasserkreislauf wird dabei für längere Zeit teilweise unterbrochen, wodurch das leichte Sauerstoffisotop ¹⁶O wird während dieser Zeit aus dem Meer gezogen. In kalten Perioden enthält das Meerwasser daher relativ mehr Wasser mit dem schweren Sauerstoffisotop ¹⁸O als in warmen Perioden.^[1]

Methode und Material

Massenspektrometer-Setup

Benthische Foraminiferen (stark vergrößerte elektronenmikroskopische Aufnahme)

Das Verhältnis (und die Änderung darin) der Sauerstoffisotope im Meerwasser wird im Kalk (Kalziumkarbonat) aus denen viele Meeresorganismen ihre Skelett aufbauen. Die Isotopenzusammensetzung des Regens wird unter anderem in Polkappen und Tropfsteinformationen in Höhlen (sog. Speläotheme).

Das Isotopenverhältnis einer gegebenen Probe wird mit a Massenspektrometer, kann es genau, zuverlässig und schnell¹⁸O-Wert bestimmen. Moderne Massenspektrometer können sogar ein einzelnes Mikrofossil von der Größe eines Stecknadelkopfes messen¹⁸O-Wert messen.

Material zur Durchführung der Sauerstoffisotopenanalyse ist erhältlich bei Tiefseekerne, Eisbohrkerne und Speläotheme.

• In Tiefseekernen ist die δ¹⁸O des Kalkskeletts von Foraminiferen gemessen. Es wird unterschieden zwischen benthisch Foraminiferen, die auf dem Meeresboden leben und planktonisch Foraminiferen, die in den oberen Schichten des Ozeans schwimmen, deren Kalkskelett aber schließlich auch auf dem Meeresboden landet. das¹⁸O benthischer Foraminiferen spiegelt hauptsächlich Veränderungen des globalen Eisvolumens wider, da die Meerestemperaturen auch über lange Zeiträume in der Tiefsee ziemlich konstant sind. An der Oberfläche eines Ozeans sind Klimaveränderungen spürbar, weshalb zur Rekonstruktion der Meeresoberflächentemperatur planktonische Foraminiferen verwendet werden.
• In Eisbohrkernen ist die δ¹⁸O-Wert des Eises gemessen. Da die Isotopenzusammensetzung des Schnees, der auf eine Eisdecke fällt, eine direkte Folge der Temperatur ist, lassen sich anhand dieser Daten Klimaänderungen rekonstruieren. Insbesondere kurzfristige Änderungen wie z Dansgaard-Oeschger-Zyklen findet man oft sehr gut in Eisbohrkernen.
• Von Speläothemen, die .¹⁸O-Wert gemessen an den Kalkschichten, aus denen sie aufgebaut sind, diese Werte spiegeln die regionale Temperatur um den untersuchten Standort wider. Da es in den Höhlen, in denen diese Speläotheme zu finden sind, kaum jahreszeitliche Temperaturschwankungen gibt, sind die Daten äußerst nützlich, um Klimaänderungen über längere Zeiträume zu beobachten.

Anwendung

Die Sauerstoffisotopenanalyse hat eine breite Anwendbarkeit in den Geowissenschaften. So sind die¹⁸O-Werte benthischer Foraminiferen über einen Zeitraum von 5 Millionen Jahren verarbeitet zu Marine Isotope Praktika. Das ist ein Chronostratigraphie Das Gletscher/Zwischeneiszeit spiegelt Zyklen wider. Basierend auf diesen Daten ist die Beziehung zwischen Klimawandel in dem Pleistozän- und das astronomische Milankovi-Parameter gezeigt. Darüber hinaus durch das Studium von δ¹⁸O-Werte in Eis und Speläothemen haben viel über die genauen Temperaturänderungen während der jüngsten Vergletscherungen gelernt.