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Einige Antworten liegen tief unter dem Eis und warten darauf, entdeckt zu werden.
Die Forschung im Bereich der Umweltchemie hat mich an die entlegensten Orte der Erde geführt. Während meines Promotionsstudiums hatte ich das Glück, mit Proben vom Südpol umzugehen und meine eigenen Forschungen in Grönland und später in der Antarktis durchzuführen, wo ich als Postdoktorand arbeitete. Wonach suchten wir, was uns mitten ins Nirgendwo führte?
Vulkanausbrüche sind ziemlich unberechenbar. Zu den aktiveren und ästhetischeren Vulkanen mit Lavaströmen gehören der Ätna in Catania (Italien), der Kilauea auf der großen Insel Hawaii (USA) und in jüngerer Zeit der Berg Fagradalsfjall in Island. Bei kleineren Ereignissen reisen die Menschen von überall her an, um dieses Naturwunder zu sehen. Doch nicht alle Eruptionen sind gleich...
Abhängig von verschiedenen Faktoren, u. a. die Höhe der Eruptionswolke und die Zusammensetzung der Emissionen, können vulkanische Ereignisse ganz erhebliche Auswirkungen auf das globale Klima haben. Der Vulkanexplosivitätsindex (VEI) ist eine logarithmische Skala, mit der der Explosivitätswert von Vulkanausbrüchen gemessen und in Kategorien von 0 (effusiv) bis 8 (mega-kolossal) eingeteilt wird. Das größte dieser Ereignisse im vergangenen Jahrhundert war die Eruption des Pinatubo 1991 auf den Philippinen (VEI 6, kolossal). Die Wolkensäule reichte bis hoch in die Stratosphäre und schleuderte riesige Mengen an Aerosolen und Gasen aus, darunter Schwefeldioxid (SO2), die das Sonnenlicht streuen und absorbieren. Dies führte zu einer gemessenen globalen Abkühlung für fast zwei Jahre nach dem Ende des Ausbruchs. Bilder von wolkenlosen Tagen zur Mittagszeit zeigten in dieser Zeit einen flachen, weißen, dunstigen Himmel, was auf die Streuwirkung der Schwefelaerosole in großer Höhe hindeutet.
Andere große Vulkanausbrüche haben zu Perioden der Hungersnot sowie der Erkenntnis geführt. Man sagt, dass der fantastische Himmel, den der Krakatoa im Jahr 1883 (VEI 6, kolossal) hinterließ, Edvard Munch zu seinem bekannten Meisterwerk Der Schrei inspirierte. Wenn Ihnen die Geschichte von Frankenstein bekannt ist, können Sie Mary Shelley dafür danken, dass sie es während des winterlichen "Jahres ohne Sommer" im Jahr 1816 geschrieben hat, das durch den Ausbruch des Mount Tambora (VEI 7, superkolossal) verursacht wurde.
Die Lösung eines Rätsels am Ende der Welt
Diese Kälteperiode wurde von mehreren Forschergruppen und mit verschiedenen Methoden eingehend untersucht. Tatsächlich wurde das vorangegangene Jahrzehnt als ungewöhnlich kühl eingestuft, aber es gab keine unmittelbaren Hinweise auf einen weiteren Vulkanausbruch. Schließlich war es das unberührte Eis, das den Schlüssel zur Lösung dieses und vieler anderer Rätsel lieferte.
Das bei Vulkanausbrüchen freigesetzte Schwefeldioxid wird in der Atmosphäre zu Schwefelsäure-Aerosolen oxidiert, die sich je nach Höhe tagelang oder sogar bis zu Jahren halten können. Durch die kontinuierliche Schneeschichtung in der Antarktis und in Grönland, lagerte sich vulkanisches Sulfat auf den polaren Eisschilden dieser Gebiete ab. Damit wurde eine Chronik der Eruptionen festgehalten. Die Analyse der Sulfatgehalte in den polaren Eiskernen ermöglicht Rückschlüsse auf die vulkanischen Aktivitäten. Eine optimale Methode zur Bestimmung von Sulfat und einer Reihe anderer wichtiger Anionen und Kationen in wässrigen Proben, selbst in Spuren, ist die Ionenchromatographie (IC).
Natürlich können auch Gase gemessen werden, die in den Zwischenräumen von Schneeflocken eingeschlossen sind, die sich dann zu Firn verdichten und anschließend im Eisschild eingeschlossen werden. Allerdings ist die zeitliche Auflösung dafür nicht fein genug für solche vulkanischen Messungen, und auch das Gasvolumen ist nicht groß genug, um eine genaue Schätzung des vulkanischen Ursprungs zu machen.
Das Bohren von Eiskernen zur Ionenanalyse ist kein einfaches Unterfangen. Die Logistik ist aufwändig - um sowohl die Feldausrüstung als auch das entsprechend ausgebildete Personal in die Mitte des Inlandeises zu bringen, ist ein ausgeklügeltes Transportnetz erforderlich, und es kann kein strenger Zeitplan eingehalten werden, da Mutter Natur nach ihren eigenen Regeln spielt.
Eine vollständige medizinische Untersuchung von Kopf bis Fuß ist unbedingt erforderlich, da die medizinischen Einrichtungen bestenfalls rudimentär sind. Dazu gehören Blutuntersuchungen, Herzüberwachung, vollständige Röntgenaufnahmen der Zähne und vieles mehr (je nach Alter und Geschlecht). Es kann mehrere Tage dauern, bis eine verletzte oder kranke Person in ein geeignetes Krankenhaus gebracht werden kann. Deshalb ist es wichtig für diese Art der Arbeit in abgelegenen Gebieten in guter körperlicher Verfassung zu sein und über aktuelle medizinische Unterlagen zu verfügen.
Die Ausrüstung muss Wochen oder Monate im Voraus zum Einsatzort transportiert werden und ist oft den Elementen ausgeliefert, bevor sie wieder zusammengebaut wird. Hoffentlich funktioniert alles. Wenn nicht, müssen Sie sehr einfallsreich sein, denn es gibt keine regelmäßigen Lieferungen und Ersatzteile sind schwer zu bekommen.
Eiskerne aus den Polargebieten und anderen abgelegenen Orten werden seit Jahrzehnten zur Analyse und Rekonstruktion vergangener Ereignisse verwendet. Es müssen viele Überlegungen darüber angestellt werden, wo gebohrt werden soll, wie tief die Bohrungen gehen sollen usw. Die geografische Lage ist aus mehreren Gründen von entscheidender Bedeutung, u. a. um eine Kontamination durch anthropogene Emissionen zu vermeiden, aber auch wegen der jährlichen Schneefallrate, der Nähe zu Vulkanen und sogar zu anderen Lebewesen (wie Pinguinkolonien in der Antarktis).
Eine fein aufgelöste Aufzeichnung von Sulfat aus Eisbohrkernen in Grönland und der Antarktis hat zur Entdeckung von bisher unbekannten vulkanischen Ereignissen geführt. Die Ionenchromatographie mit einem Zweikanalsystem ermöglicht die gleichzeitige Messung von Kationen und Anionen aus derselben Probe. Bei solch kritischen Proben und kleinen Volumina ist dies ein enormer Vorteil für eine vollständige Aufzeichnung. Zusammen mit einer automatischen Probenvorbereitung wie der Metrohm Inline-Ultrafiltration oder die Inline-Verdünnung werden menschliche Fehler durch eine robuste, zeitsparende Analysemethode ausgeschlossen.
Erfahren Sie hier mehr über Metrohm Inline Sample Preparation (MISP).
Metrohm Inline Sample Preparation (MISP)
In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die zeitliche Auflösung der Daten aus Eiskernanalysen erheblich verbessert. Die Leitfähigkeit war früher die Messtechnik der Wahl, um große vulkanische Ereignisse in Eiskernen zu bestimmen, da die Ablagerungen von Tephra vieler Eruptionen, anders als Sie vielleicht denken, nur schwer (ohne Hilfe) zu erkennen sind. Die Leitfähigkeit von Schwefelsäure ist höher als die von Wasser, aber die Leitfähigkeit ist ein Summenparameter und sagt nichts darüber aus, welche Bestandteile genau in der Probe enthalten sind.
Selbst als die IC begann sich in diesem Bereich zu etablieren, konnten die Forscher aufgrund der Stichprobengröße keine monatlichen Schwankungen, sondern nur jährliche Näherungswerte ermitteln. Dies bedeutete, dass kleinere Sulfatpeaks möglicherweise übersehen wurden. Die Forscher versuchten, dieses Problem zu lösen, indem sie Aufzeichnungen aus Eisbohrkernen rund um den Globus verglichen, um die Größe, den Ursprung und die klimatischen Auswirkungen vergangener Vulkane abzuschätzen. Wenn sich die Bohrstelle jedoch in der Nähe von aktivem Vulkanismus befindet (wie im Fall von Grönland, das im Windschatten von Island liegt), können selbst kleinere Ausbrüche eine übergroße Wirkung haben.
Die verbesserte zeitliche Auflösung, die jetzt mit einer ausgefeilteren Probenvorbereitung (d. h. kontinuierliche Durchflusseinrichtungen für das Schmelzen der Proben ohne Kontamination) für die IC-Injektion kleiner Volumina möglich ist, ermöglicht eine genauere Datierung von Vulkanausbrüchen auch ohne andere offensichtliche historische Aufzeichnungen.
Je nach jährlichem Schneefall an der Bohrstelle und der Tiefe des gebohrten Kerns kann bestimmt werden, in welchem Monat eines bestimmten Jahres die Ablagerung von Sulfat aus einem Vulkanausbruch erfolgte.
In Verbindung mit anderen Daten (z. B. Länge der Ablagerung) hilft diese Information, die Zirkulation der Eruptionswolke zu bestimmen und die globalen Auswirkungen abzuschätzen. Darüber hinaus können weitere Daten durch die Messung der Isotopenzusammensetzung des abgelagerten Sulfats gewonnen werden, um die Höhe der Eruptionswolke zu bestimmen (eine genauere Methode zur Bestätigung von Eruptionen in der Stratosphäre), aber das würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.
Mit Hilfe der Ionenchromatographie ist es möglich, schon vor Ort genau zu bestimmen, in welcher Tiefe bestimmte vulkanische Ereignisse von Interesse im Eis liegen. Dann können mehrere Eiskerne an der gleichen Stelle gebohrt werden, um ein größeres Volumen an Eis für detailliertere Analysen zu erhalten.
Erfahren Sie hier mehr über die Robustheit der Metrohm-Ionenchromatographie!
Um dieses spezielle Rätsel zu lösen, war es die Kombination aus der Übereinstimmung desselben Sulfatpeaks, der mittels IC in Eiskernen aus beiden Polarregionen gemessen wurde, und der Bestätigung des stratosphärischen Charakters des Ausbruchs, die zur Entdeckung eines zuvor nicht aufgezeichneten vulkanischen Ereignisses in den Tropen um das Jahr 1809 n. Chr. führte.
Die Kälteperiode wurde durch einen zweiten Vulkanausbruch verlängert
Dem stratosphärischen Ausbruch des Tambora im Jahr 1815 war nämlich nur wenige Jahre zuvor ein anderes großes klimawirksames Ereignis in den Tropen vorausgegangen. Diese Kombination führte zu einer der kältesten Perioden der letzten 500 Jahre. Die Daten, die durch IC-Messungen von Eisbohrkernen gewonnen wurden, trugen zu dieser Entdeckung und zu vielen weiteren in den letzten Jahren bei.
Daten über große Auswirkung
Mit der Verbesserung der Analysetechnik wurden weitere neue Vulkanausbrüche in den Eiskernaufzeichnungen entdeckt. Ihre Ausbruchsdaten können ebenfalls genauer bestimmt werden. Damit lässt sich erklären, welche von ihnen klimatische Auswirkungen hatten und welche nicht. Diese Informationen tragen dazu bei, die Genauigkeit von Klimamodellen zu verbessern, da die hoch gelegenen Sulfataerosole, die bei großen Eruptionen entstehen, die Sonne reflektieren und lange Zeiträume der globalen Abkühlung verursachen. Aus diesem Grund haben einige Gruppen eine Form des Geoengineering vorgeschlagen, bei dem kontrollierte Mengen an Schwefelgasen hoch in die Atmosphäre eingeleitet werden, um die Auswirkungen eines Stratosphärenausbruchs zu imitieren.
Fazit
Ich hoffe, dass diese kurze Zusammenfassung einer Nische der Umweltforschung mit Ionenchromatographie Ihr Interesse geweckt hat! Vielleicht wird die Inspiration, dass es solche Aufgaben gibt, andere junge Wissenschaftler dazu bringen, einen ähnlichen Karriereweg einzuschlagen. Das Chemiestudium muss nicht immer in den eigenen vier Wänden stattfinden!
