Höhlenformationen enthüllen die Geschichte des Klimas
Stalagmiten können Zehntausende Jahre alt sein. Die schnellsten von ihnen wachsen vom Höhlenboden ein paar Zehntel Millimeter pro Jahr nach oben. Da sie nach und nach durch einzelne sich ablagernde Wassertropfen aufgebaut werden, kann man an Stalagmiten und anderen Höhlenmineralen die Geschichte ihrer chemischen Zusammensetzung ablesen – ein fantastisches Archiv für das Klima und die Umwelt. Da man Klima und Umwelt der Vergangenheit nicht direkt messen kann, werden Ersatzindikatoren zur Messung der Kernprozesse genutzt. Doch die meisten Ersatzindikatoren sind qualitativ: Sie können beispielsweise Informationen über Feuchtigkeit liefern, also ob etwas eher trockener oder feuchter ist, aber sie können nicht anzeigen wie viel trockener oder wie viel feuchter. Doch ohne quantitative Werte können die Daten aus den Höhlenmineralen nicht in größerem Umfang für Klimamodellierung und Politik genutzt werden. Darum wurden im EU-finanzierten Projekt QUEST neue Methoden entwickelt, mit denen Forschende die Umweltveränderungen quantifizieren können, die in den Stalagmiten gespeichert sind.
Ein fächerübergreifender Ansatz
Das Team profitierte von der wissenschaftlichen Bandbreite seiner Mitglieder, die von Umweltchemie über Umweltmagnetismus bis hin zur numerischen Datenanalyse reichte. „Dank der Kombination aus fächerübergreifender Expertise, hochmoderner Ausrüstung und neuen Techniken sind wir ideal aufgestellt, um aus dem Höhlenmineral quantitative Klimaaufzeichnungen zu gewinnen“, so Projektkoordinator Sebastian Breitenbach. Das Konsortium hat neue Methoden gefunden, um quantitative Informationen aus dem Höhlenmineral zu extrahieren und um Feld- und Laborexperimente aus der Wasser- und Mineralchemie mit innovativen physikalischen und numerischen Analysen der Höhlenminerale zu verknüpfen. Breitenbach erklärt: „Durch die Kombination dieser Techniken, die auf physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie statistischen Methoden basieren, sind uns quantitative Rekonstruktionen von zwei Schlüsselparametern gelungen: Hydrologie und Temperatur.“ Zu den neuen Technologien gehörte auch ein Autosampler, der in entlegenen Gegenden eigenständig Wasserproben nimmt und zwischen sechs und zwölf Monaten im Feld eingesetzt werden kann. Über den Autosampler, der in jeder Forschungsrichtung genutzt werden kann, bei der Wasserüberwachung eine Rolle spielt, sagt Breitenbach: „Er liefert uns Erkenntnisse über Klimadynamik, Umweltverschmutzung und hydrologische Veränderungen sowie die jeweiligen Ursachen.“
Neue Instrumente
Das QUEST-Forschungsteam hat eine innovative Software mit statistischen „Werkzeugkästen“ entwickelt, die eine komplexe Datenanalyse ermöglichen, sowie ein Portfolio neuer Methoden für die nichtlineare Zeitreihenanalyse. „Diese Techniken können in einer großen Bandbreite von Forschungsrichtungen genutzt werden, wie Klimatologie, Physik, Wirtschaft, Spieltheorie oder Energiesicherheit, um nur einige zu nennen“, so Breitenbach. Zudem hat das Team Umweltüberwachung und Laborexperimente genutzt, um quantitative Ersatzwerte und innovative Analyseinstrumente herauszuarbeiten. „Getestet haben wir die Instrumente in einer der Höhlen der Waitomo Caves, weil diese Umgebung sensibel auf die Dynamik von El Niño und Southern Oscillation reagiert: Der Wechsel zwischen El Niño und La Niña ist dort lokal, aber auch global spürbar. Wenn wir also das Verhalten der Vergangenheit besser verstehen, könnten sich anstehende Veränderungen im Zusammenhang mit der Erderwärmung besser vorhersagen lassen“, erklärt Breitenbach. QUEST liefert ein klareres Bild von der Geochemie der Karbonatausfällung bei der Bildung von Stalagmiten und von den Zusammenhängen zwischen der Hydrologie über der Höhle, metallorganischen Verbindungen und der Einbindung von Metallen in Stalagmiten. Diese Triade wird aktuell in ein quantitatives Tool, den Autosampler, umgemünzt, der für die Paläoklimatologie mit Höhlenmineralen einen Durchbruch darstellen könnte.
Schlüsselbegriffe
QUEST, Umwelt, Klima, Speläothem, Höhlenmineral, Höhle, Stalagmit, Proxy, Ersatzindikator, Ersatzwert, Paläoklimatologie, Geochemie