Gedächtnis der Erde – Seen als Landschaftsarchive
Im vorherigen Blogbeitrag haben wir die Gletscherkarseen in Schwarzwald und Vogesen und ihre Geschichte kennen gelernt. In diesem Blogpost lernen wir diese Orte als Landschaftsarchive kennen.
Landschaften bewahren in Form geologischer, biologischer und sedimentärer Spuren die Geschichte ihrer eigenen Entwicklung und lassen sich daher als erdgeschichtliche Archive lesen.
Pollendiagramme
Pflanzenpollen können als Botschafter aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit angesehen werden. Wenn man im Frühjahr fotografiert, kann die Kamera nach kurzer Zeit im Freien mit Pflanzenpollen bedeckt sein.
Durch ihr geringes Gewicht können Pflanzenpollen lange von der Luft getragen werden und dann auf die Erdoberfläche absinken, wo sie zusammen mit anderem Material abgelagert werden. Stehende Gewässer sind ideale Sammelbecken. Die winzigen Partikel fallen auf die Wasseroberfläche und sinken langsam zu Boden. In Seen und Mooren kann dieser Prozess langsam und ungestört ablaufen, sodass Jahr für Jahr eine neue Sedimentschicht auf dem Grund entstehen kann. Je tiefer die Schicht, desto älter ist das darin enthaltene Material. Das bedeutet, dass eine Sedimentschicht in einer bestimmten Tiefe Material enthält, das zu einer bestimmten Zeit in der Erdvergangenheit auf den Grund eines Sees gesunken ist
Bei der Pollenanalyse macht man sich die Tatsache zunutze, dass Pollen sehr widerstandsfähig sind und über sehr lange Zeiträume erhalten bleiben. Die Zusammensetzung der in einer Sedimentschicht gefundenen Pflanzenpollen erlaubt Rückschlüsse auf die Vegetation zur Zeit der Ablagerung. In diesem Sinne stellt diese Größe einen Proxy dar, der Informationen über Umweltbedingungen in der Vergangenheit liefert. (Mehr erfahren)
Eine Schwierigkeit besteht darin, dass Pollen über weite Entfernungen durch Winde transportiert werden können. Daher spiegelt die Verteilung der in einer Sedimentschicht gefundenen Pollen (das Pollenspektrum) nicht immer die lokale Vegetation wider. Es gilt jedoch die Faustregel: Je kleiner das stehende Gewässer, von dessen Grund man Pollenproben entnimmt, desto mehr entspricht das Pollenspektrum der lokalen Vegetation. (Mehr erfahren)
Die 8 noch existierenden Gletscherkarseen im Nordschwarzwald sind daher besonders wertvolle Landschaftsarchive, die präzise Pollenanalysen erlauben.
Der Altertumsforscher Manfred Rösch hat mit seinem Team pollenanalytische Untersuchungen am Herrenwieser See durchgeführt. In seiner Publikation finden Sie auch weitere Details zur Methode. (Mehr erfahren)
Datierungsmethoden
Es leuchtet ein: Je tiefer eine Sedimentschicht, desto älter ist sie. Wie kann man nun quantitativ bestimmen, wie alt eine Schicht ist? In den Erdwissenschaften gibt es verschiedene Datierungsmethoden für unterschiedliche Zeiträume.
Dendrochronologie
Die Dendrochronologie ermöglicht es uns, einige wenige Jahrtausende weit in die Vergangenheit vorzudringen. Diese Methode basiert auf der Analyse von Jahresringen von Bäumen. (Mehr erfahren)
Die Breite von Baumringen hängt von Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit und Temperatur im jeweiligen Wachstumsjahr ab – und kann daher als Klima-Proxy angesehen werden.
Baumringe können darüber hinaus zur Datierung eingesetzt werden.
Jeder Baum bildet eine Abfolge von Jahresringen aus, die von den jeweiligen klimatischen Bedingungen geprägt ist. Bäume, die im selben Gebiet wachsen, unterliegen ähnlichen Umweltbedingungen, sodass ihre Ringmuster charakteristische Übereinstimmungen aufweisen
Ein Baumringmuster – also die Abfolge unterschiedlich breiter Jahresringe – ist daher typisch für eine bestimmte Region und Zeitspanne. So unterscheidet sich etwa das Ringmuster eines Baumes, der in Süddeutschland von 1750 bis 1850 gewachsen ist, deutlich von dem eines Baumes aus der Zeit von 1900 bis 2000, da sich die klimatischen Bedingungen verändert haben.
Durch Zusammensetzung der Ringmuster von Hölzern aus verschiedenen, sich teilweise überschneidenden Wachstumsperioden können Chronologien erstellt werden, die viele Jahrtausende in die Vergangenheit zurückreichen. (Mehr erfahren)
Die Dendrochronologie ermöglicht durch den Vergleich von Jahresringserien eine präzise Altersbestimmung von Holz. Diese Methode ist besonders wertvoll in der Archäologie und Bauforschung, da sie eine absolute Datierung von Holzartefakten ermöglicht.
Radiokarbonmethode
Viele Datierungstechniken in den Erdwissenschaften beruhen auf dem radioaktiven Zerfall. (Mehr erfahren)
Eine gängige Methode, um das Alter von organischen Materialien zu bestimmen, das Zehntausende von Jahren zurückreicht, ist die Radiokarbonmethode. Sie beruht auf dem radioaktiven Zerfall einer bestimmten Variante von Kohlenstoff, ${}^{14}\mathrm{C}$.
Verschiedene Varianten desselben chemischen Elementes werden präziser als Isotope bezeichnet. Sie unterscheiden sich nur im Atomkern, nicht jedoch in ihren chemischen Eigenschaften. Der Atomkern besteht aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen (elektrisch neutral). Die Anzahl der Protonen bestimmt, um welches chemische Element es sich handelt (beispielsweise Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff).
Isotope desselben Elements haben gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Um Isotope zu kennzeichnen, schreibt man die Gesamtzahl der Kernbausteine (Protonen + Neutronen) als hochgestellte Zahl vor das Elementsymbol, beispielsweise ${}^{12}\mathrm{C}$ oder ${}^{14}\mathrm{C}$ für Kohlenstoff. (Mehr erfahren)
Die meisten Isotope sind stabil – ihre Atomkerne verändern sich nicht. Einige Isotope sind jedoch instabil (radioaktiv). Ihre Kerne zerfallen mit der Zeit und wandeln sich dabei in ein anderes Isotop um. (Mehr erfahren)
Das in der Natur am häufigsten vorkommende Kohlenstoffisotop ist ${}^{12}\mathrm{C}$ (6 Protonen + 6 Neutronen). Es ist stabil. Das Isotop ${}^{14}\mathrm{C}$ hingegen hat 6 Protonen + 8 Neutronen und ist instabil. In der Natur kommt es nur in winzigen Spuren vor: etwa $1.25 \cdot 10^{-10} %$ des gesamten Kohlenstoffs.
In der oberen Atmosphäre entsteht ${}^{14}\mathrm{C}$ fortwährend durch die Reaktion von Stickstoffatomen (${}^{14}\mathrm{N}$) mit Neutronen aus der kosmischen Strahlung. (Mehr erfahren)
Das neu gebildete ${}^{14}\mathrm{C}$ verbindet sich chemisch mit anderen Elementen, unter anderem mit Luftsauerstoff zum Gas Kohlendioxid ($\mathrm{CO_2}$) – auf dieselbe Weise wie das häufigere Isotop ${}^{12}\mathrm{C}$. ${}^{14}\mathrm{C}$ ist jedoch radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa 5700 Jahren, das bedeutet: Wenn man eine sehr große Menge dieser Atomkerne betrachtet, hat sich nach dieser Zeit ist die Hälfte der ursprünglichen ${}^{14}\mathrm{C}$-Atome in Stickstoff ${}^{14}\mathrm{N}$ zurückverwandelt. (Mehr erfahren)
Da durch kosmische Strahlung einerseits immer neue ${}^{14}\mathrm{C}$-Kerne nachgebildet werden, diese aber mit einer bestimmten Rate wieder zerfallen, stellt sich ein Fließgleichgewicht ein, bei dem sich die Konzentration von ${}^{14}\mathrm{C}$ in der Atmosphäre auf einen konstanten Wert einpendelt.
Man kann sich ein Fließgleichgewicht durch die Analogie mit einer Badewanne veranschaulichen:
Wir stellen uns eine Badewanne vor, in die oben mit konstanter Rate Wasser eingefüllt wird und aus der unten durch ein Loch Wasser ausfließt. Die Ausflussgeschwindigkeit an der Stelle des Loches hängt vom Wasserdruck und damit von der Wasserhöhe ab. Das Wasser steigt so lange, bis der Druck groß genug ist, damit die Ausflussrate (Ausflussmenge pro Zeit) gleich der Einfüllrate ist. Dann befindet sich das System in einem Fließgleichgewicht. Analog dazu stellt sich in der Atmosphäre eine konstante Konzentration von ${}^{14}\mathrm{C}$ ein, bei der die Produktionsrate (durch kosmische Strahlung) gleich der Zerfallsrate ist.
Da sich das in der Atmosphäre gebildete ${}^{14}\mathrm{C}$ so wie das „normale“ ${}^{12}\mathrm{C}$ mit Sauerstoff zu Kohlendioxid verbindet, enthält das Kohlendioxid in der Luft (entsprechend dem Fließgleichgewicht) eine geringe Menge an Molekülen, die ${}^{14}\mathrm{C}$ statt ${}^{12}\mathrm{C}$ beinhalten. Pflanzen nehmen bei der Photosynthese Kohlenstoff aus der Luft auf – also auch das seltene ${}^{14}\mathrm{C}$.
Hierbei nutzen Pflanzen Lichtenergie der Sonne, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasser organische Glucose zu bilden und gleichzeitig Sauerstoff freizusetzen. Während der Lebenszeit einer Pflanze – solange sie Photosynthese betreibt und dadurch im chemischen Austausch mit dem Kohlenstoff-Reservoir der Atmosphäre steht – wird im organischen Material (Zucker und andere Moleküle) in ihrem Gewebe daher eine bestimmte ${}^{14}\mathrm{C}$-Konzentration aufrechterhalten, die der Konzentration von ${}^{14}\mathrm{C}$ in der Atmosphäre entspricht.
Wenn eine Pflanze abstirbt und der Prozess der Photosynthese zum Erliegen kommt, beginnt die „Uhr“ zu „ticken“: Das radioaktive ${}^{14}\mathrm{C}$ zerfällt und sein Anteil in der Pflanze nimmt kontinuierlich ab, ohne dass neues ${}^{14}\mathrm{C}$ nachkommt. Wenn man nun den Anteil von ${}^{14}\mathrm{C}$ beispielsweise in einem alten Stück Holz, das in einem historischen Gebäude verbaut ist, untersucht, kann man daher Rückschlüsse auf das Alter des Gebäudes ziehen. Genauer: Man kann die Zeit ermitteln, die vergangen ist, seitdem der Baum gefällt wurde und somit aufgehört hat, durch Photosynthese in Wechselwirkung mit der Atmosphäre zu stehen. (Mehr erfahren)
Man kann es auch so formulieren: Sobald das System Pflanze von seinem Austausch mit der Atmosphäre – dem Reservoir, in dem ständig neues ${}^{14}\mathrm{C}$ produziert wird – getrennt wird, verhalten sich die Radionuklide wie eine „Uhr“. Man kann die Analogie der Badewanne, bei dem der Zufluss in dem Moment gestoppt wird, in dem die Pflanze stirbt, leicht abändern in das Bild einer Sanduhr, deren oberes Fach aufgefüllt wurde und geschlossen wird. Von dem Moment an rinnt der Sand mit einer konstanten Rate durch die Öffnung, ohne dass im oberen Fach neuer Sand hinzukommt. (Mehr erfahren)
Die Radiokarbonmethode wurde beispielsweise angewandt, um das Alter der in den Ötztaler Alpen gefundenen Gletschermumie „Ötzi“ – ungefähr 5300 Jahre – zu bestimmen. (Mehr erfahren)
Es ist aber dennoch etwas komplizierter: Die ${}^{14}\mathrm{C}$-Konzentration in der Atmosphäre ist über längere Zeiträume betrachtet nicht stabil und nur annähernd konstant. Änderungen der Sonnenaktivität und in der kosmischen Strahlung können einen Einfluss auf die Rate haben, mit der ${}^{14}\mathrm{C}$ in der oberen Atmosphäre produziert wird. Eine reduzierte Sonnenaktivität führt zu einem erhöhten Fluss kosmischer Strahlung und damit zu einer höheren ${}^{14}\mathrm{C}$-Produktion. (Mehr erfahren)
Weitere Faktoren können die Konzentration dieses Isotops direkt beeinflussen. Dazu gehören Vulkanausbrüche und anthropogene Einträge von Kohlendioxid in die Atmosphäre. Entsprechend müssen Messungen der verbleibenden ${}^{14}\mathrm{C}$-Konzentration einer untersuchten Probe mithilfe anderer Datierungsmethoden kalibriert werden. (Mehr erfahren)
Pollendiagramme aus Sedimenten der Karseen im Nordschwarzwald
Nun schauen wir uns ein Pollendiagramm an, das aus den Sedimenten des Huzenbacher Sees gewonnen wurde. Mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Manfred Rösch von der Universität Heidelberg, Institut für Ur- und Frühgeschichte und Vorderasiatische Archäologie.
Die vertikale Achse repräsentiert die Tiefe der Sedimentprobe, die der Zeit entspricht (ermittelt durch Radiokarbondatierung), wobei sich die tiefsten und ältesten Ablagerungen unten und die flachsten oder jüngsten Ablagerungen oben befinden. Die Jahre v. Chr. (before Christ, BC) und n. Chr. (after Christ, AC) sind dort bereits angegeben.
Auf der horizontalen Achse sind von links nach rechts einzelne Pollendiagramme für verschiedene Pflanzenarten dargestellt. Die horizontale Achse jedes dieser Diagramme zeigt den prozentualen Anteil eines bestimmten Pollentyps in der Probe an. Jede Pflanzenart wird durch eine eigene separate Kurve repräsentiert. Üblicherweise werden ähnliche Muster im Diagramm gruppiert, wobei zuerst die Gehölztypen (Bäume) gezeigt werden, gefolgt von Sträuchern und Kräutern. Ganz links sind die Pollentypen in zwei Gruppen zusammengefasst: Nicht-Baumpollen (NBP) und Baumpollen (BP). (Mehr erfahren)
Aus dem Diagramm ergibt sich – vereinfacht – folgendes Bild für die Entwicklung der Vegetation rund um den Huzenbacher See seit dem Ende der letzten Eiszeit:
- Im 9. Jahrtausend vor Christus war das Gebiet bereits vollständig bewaldet – vorwiegend mit Kiefern und Birken
- Ab dem 8. Jahrtausend wurden diese Gehölze allmählich von der Hasel zurückgedrängt. Allmählich wanderten in den folgenden Jahrhunderten Ulmen und Eichen ein.
- Im 6. Jahrtausend vor Christus war das Gebiet durch einen Eichenmischwald geprägt, in dem auch Linden und Eschen vertreten waren. In der Folge geht die Hasel kontinuierlich zurück.
- Erst ab dem 4. Jahrtausend vor Christus finden sich in den Pollendiagrammen stark ansteigende Signale von Weißtanne und Rotbuche. Diese Gehölze bestimmen in den folgenden Jahrtausenden das Landschaftsbild.
Der Schwarzwald hatte zu Beginn des Holozäns also keineswegs das Erscheinungsbild, das ihm in geschichtlicher Zeit den Namen Silva Nigra verlieh. (Mehr erfahren)
Erst allmählich begannen sich die Gebiete nördlich der Alpen nach und nach mit den unterschiedlichsten Waldgesellschaften zu bevölkern. Bis vor ungefähr 6000 Jahren war der Schwarzwald ein Laubwald mit Eichen, Linden, Ulmen, Eschen, Ahornen, Haselnuss und Birke – wie es die zuvor vorgestellten Pollenanalysen bereits nahelegen. Ab dann begannen sich Tannen und Buchen dort anzusiedeln und die bisher das Landschaftsbild prägenden Holzarten teilweise zu verdrängen. (Mehr erfahren)
Wir sehen also, dass Landschaften keineswegs so stabil sind, wie sie auf den ersten Blick erscheinen, sondern eine dynamische Entwicklungsgeschichte aufweisen. Wer heute durch den Nordschwarzwald wandert, findet eine Landschaft vor, die von ausgedehnten, dunklen Nadelwäldern geprägt ist.
Folgende synoptische Darstellung zeigt Pollendiagramme von den 8 Gletscherkarseen im Nordschwarzwald (und zwei Hochmooren) im Vergleich. Hier werden die Pollenspektren nicht in einzelne Pflanzenarten aufgeschlüsselt, sondern es wird lediglich zwischen Nicht-Baumpollen (NBP) und Strauchpollen (StrP) (hierbei wird im Wesentlichen die Hasel berücksichtigt) unterschieden. Dieses „gröbere Raster“ wirkt wie ein Filter, mit dem bestimmte übergreifende Entwicklungen besser sichtbar gemacht werden können. Mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Manfred Rösch von der Universität Heidelberg, Institut für Ur- und Frühgeschichte und Vorderasiatische Archäologie.
In dieser Darstellung können wir Zeitspannen mit einem erhöhten NBP-Signal als Phasen der von Menschen verursachten Entwaldung interpretieren (durch rote Krese, sowie gelbe und rote Rechtecke hervorgehoben). Die Pollenspektren lassen sich somit dahingehend interpretieren, dass es einen menschlichen Einfluss in der Nähe der untersuchten Gewässer bereits in der Bronzezeit (zwischen 3800 und 3000 vor heute, rote Kreise), in der Eisenzeit (zwischen 2800 und 2000 vor heute, blaue Rechtecke) und dann, sehr deutlich ausgeprägt, beginnend mit dem frühen Mittelalter (gelbe Rechtecke) gab.
Der Botaniker und Geograph Burkhard Frenzel (1928 – 2010) weist darauf hin, dass der Schwarzwald sehr früh besiedelt war und dass auch an den entlegeneren Stellen auf den Bergen bereits früh Weidewirtschaft betrieben wurde, die mit Entwaldung einhergingen. (Mehr erfahren)
Die Waldrodungen hatten langfristig die Bildung von Hochmooren zur Folge, die noch heute an vielen Orten im Schwarzwald das Landschaftsbild prägen. Diese Moore werden auch Missenmoore genannt. (Mehr erfahren)
Die Zeitskala der vorgestellten Pollendiagramme von den Karseen im Nordschwarzwald reicht bis an das Anfang des Holozäns vor ungefähr 11.000 Jahren zurück. (Mehr erfahren)
Einfluss des Menschen
Wir haben gesehen, dass aus Pollendiagrammen Rückschlüsse auf menschliche Einflüsse gezogen werden können.
Ab jener Zeit spielte hierbei die Flößerei eine herausragende Rolle bei der Landschaftsentwicklung. In der am Ende des ersten Blogposts angesprochenen Mummelsee-Episode bemerkt Simplicissimus, dass im See „gleich etliche gezimmerte Höltzer darinn ligen / die ich und mein Knan for rudera deß Würtenbergischen Flosses hielten“.
Grimmelshausen gibt uns hiermit möglicherweise, unmittelbar nach dem Ende des Dreißigjährigen Krieges, einen Hinweis auf das Gewerbe der Flößerei, und zwar an einem der zu seiner Zeit sehr abgelegen Orten. So stellt auch Fritz Fezer fest, dass sich an einigen der heute noch existenten Seen Spuren menschlicher Eingriffe finden: Stauanlagen, um das Wasser für die Flößerei zu schwellen und das Holz mit der Kraft des Wassers ins Tal zu transportieren. (Mehr erfahren)
Holz war wichtig für den Schiffbau, aber auch als Brennholz. Insbesondere im 18. Jahrhundert wurde dieser Rohstoff knapp, bedingt durch den Bevölkerungszuwachs und energieintensive Gewerbe wie die Glasherstellung. Daher artete die Flößerei zeitweise zu einem Raubbau an der Natur aus, der das Landschaftsbild signifikant verändert haben muss. Spätere Wiederaufforstungen führten dann zu einem Landschaftsbild, das in keiner Weise mehr mit einer ursprünglichen Naturlandschaft vergleichbar war. (Mehr erfahren)
Zur Veränderung dieser Landschaftsmerkmale durch den Menschen – und einem veränderten Verhältnis des Menschen zur Landschaft – schreibt Fritz Fezer im Jahre 1957: (Mehr erfahren)
Auch zu den Seen hat sich das Verhältnis der Menschen gewandelt. Noch im 17. Jahrhundert wurde der herrliche Ellbachsee zur Gewinnung von einigen Ar schlechter Wiese abgelassen und der Wildsee im 18. Jahrhundert als Schwellweiher für die Flößerei verwendet (...), ebenso der Buhlbachsee (...), wahrscheinlich stammen auch die Staumauern des Huzenbacher und Glaswaldsees aus dieser Zeit. Erst in diesem Jahrhundert sah man die Seen nicht nur vom wirtschaftlichen Standpunkt aus an; am Wildsee hat man ihn sogar ganz zurückgestellt. Auch der Buhlbachsee soll wieder aufgestaut werden, um Fremde anzuziehen. Bei langsamem Aufstauen könnte man auch den Ellbachsee wieder herstellen, ohne die Flora zu vernichten. Dieser Prototyp eines Kars mit seiner wuchtigen Schönheit verdient den Naturschutz unbedingt.
Auf atomarer Ebene lassen sich die chemischen Eigenschaften als Bindungseigenschaften verstehen. Atome können sich mit anderen Atomen, die demselben oder einem anderen Element angehören, zu größeren Gebilden – Molekülen – verbinden.
Moleküle können wiederum völlig andere Eigenschaften haben aus ihre Ausgangsprodukte. Daher gilt: Obwohl es in der Natur nur 94 Elemente gibt, kennen wir viel mehr „Stoffe“. Beispiel: Zwei Sauerstoffatome können sich mit einem Kohlenstoffatom zu einem Kohlendioxid-Molekül verbinden. Sauerstoff ist bei Zimmertemperatur ein durchsichtiges Gas, das wir zum Atmen benötigen, und Kohlenstoff ist bei Zimmertemperatur ein Feststoff. Kohlendioxid dahingegen ist bei Zimmertemperatur wiederum ein Gas. Die Erforschung der Bindungsfähigkeiten von Atomen ist das Feld der Chemie.
Atome bestehen aus einem kompakten Kern (der positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen enthält) und einer Hülle, die die (negativ geladenen) Elektronen enthält. Warum eine solche Struktur stabil ist, kann nur verstanden werden, wenn dieses System im Rahmen der Quantenmechanik behandelt wird (was außerhalb des Rahmens dieses Blogposts liegt).
Die Elektronenhülle bestimmt die chemischen Bindungseigenschaften des Atoms. Daher ist das chemische Element durch die Anzahl der Elektronen gegeben. Diese ist gleich der Anzahl der Protonen im Kern – nur so ist das Atom elektrisch neutral. Ein Atom des Elementes Kohlenstoff hat 6 Protonen und 6 Elektronen. Nun gibt es für ein Atom eines Elementes aber unterschiedliche Varianten, die sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden.
Diese Varianten werden Isotope genannt. Isotop leitet sich aus dem Griechischen ab: isos steht für gleich und topos steht für Ort, womit „am gleichen Ort“ im Periodensystem der Elemente gemeint ist. Unterschiedliche Isotope desselben chemischen Elementes unterscheiden sich im Atomkern (sie haben ein leicht unterschiedliches Kerngewicht wegen der unterschiedlichen Anzahl der Neutronen), verhalten sich chemisch aber weitgehend gleich.
Das am häufigsten vorkommende Kohlenstoffisotop besitzt 6 Protonen und 6 Neutronen, hat also insgesamt 12 Kernbestandteile (Nukleonen). Die Schreibweise dafür ist ${}^{12}\mathrm{C}$. In geringen Mengen gibt es in der Natur aber noch das Isotop ${}^{13}\mathrm{C}$, das 7 statt 6 Neutronen (also insgesamt 13 Kernbausteine) hat. Es verhält sich chemisch weitgehend identisch wie ${}^{12}\mathrm{C}$, verbindet sich also auf dieselbe Weise mit Sauerstoff zu Kohlendioxid.
Die einschränkende Bestimmung „weitgehend“ muss deshalb hinzugefügt werden, weil Isotope desselben Elementes aufgrund der unterschiedlichen Anzahl an Nukleonen sich geringfügig im Gewicht unterscheiden und dadurch gewisse chemische Prozesse mit einer Isotopen-Fraktionierung einhergehen. Das heißt: Der chemische Prozess ist derselbe, läuft aber für unterschiedliche Isotope mit einer unterschiedlichen Häufigkeit ab.
Isotopenfraktionierung kann auch bei physikalischen Prozessen auftreten. Beispielsweise hat das Sauerstoffisotop ${}^{18}\mathrm{O}$ ein leicht höheres Gewicht als das Isotop ${}^{16}\mathrm{O}$. Daher verdunsten Wassermoleküle, die ${}^{18}\mathrm{O}$ enthalten, langsamer als solche, die ${}^{16}\mathrm{O}$ enthalten. Dies ist ein wichtiger Punkt, wenn wir uns in einem späteren Blogbeitrag detaillierter mit dem Thema Klimaproxies befassen.
Vgl. Lunine, Jonathan I. (2013): Earth: Evolution of a Habitable World, 2nd edition, Cambridge University Press, ISBN: 978-0521615198, S. 55
Folgende Grafik zeigt einen Ausschnitt aus dem Periodensystem der Elemente mit den Elementen Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O).
In der Abbildung sind die natürlich vorkommenden Isotope der drei Elemente Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) eingezeichnet. Die Farben sollen verdeutlichen, welche der Isotope gleiche chemische Eigenschaften haben, mit anderen Worten, demselben Element angehören.
Zwei der Isotope auf dem Bild sind instabil und zerfallen nach einer gewissen Zeit in das Isotop eines anderen Elementes: ${}^{14}\mathrm{C}$ und ${}^{13}\mathrm{N}$.
Vulkanausbrüche können die ${}^{14}\mathrm{C}$-Konzentration in der Atmosphäre direkt beeinflussen. Das dabei freigesetzte Kohlendioxid stammt aus geologischen Reservoiren der Erdkruste oder des Erdmantels und ist daher meist praktisch ${}^{14}\mathrm{C}$-frei, da der Kohlenstoff über sehr lange Zeiträume vom Austausch mit der Atmosphäre getrennt war und sein ${}^{14}\mathrm{C}$ inzwischen zerfallen ist.
Ein ähnlicher Effekt tritt bei der Verbrennung fossiler Ressourcen auf. Der hier emittierte Kohlenstoff ist ebenfalls nahezu frei von ${}^{14}\mathrm{C}$, und das Kohlendioxid aus fossilen Brennstoffen verdünnt daher die atmosphärische ${}^{14}\mathrm{C}$-Konzentration.
Ein weiterer anthropogener, externer Faktor ist der Einfluss auf den Neutronenfluss durch atmosphärische Kernwaffentests. Diese Tests erhöhten die Produktionsrate und die atmosphärische Konzentration von ${}^{14}\mathrm{C}$ erheblich und erzeugten den sogenannten „Bomb Pulse“. Während die überwältigende Mehrheit der atmosphärischen Tests in den 1950er und frühen 1960er Jahren von den Vereinigten Staaten, der Sowjetunion und dem Vereinigten Königreich durchgeführt wurde – und für diese Nationen durch den Atomteststoppvertrag von 1963 verboten wurden – setzte Frankreich die atmosphärischen Tests bis 1974 fort, und China führte seinen letzten atmosphärischen Test am 16. Oktober 1980 durch.
Vgl. Graven, Heather and Keeling, Ralph F. and Rogelj, Joeri (2020): Changes to carbon isotopes in atmospheric CO2 over the industrial era and into the future, Global Biogeochemical Cycles, 34, e2019GB006170
https://doi.org/10.1029/2019GB006170 Wie wir wissen, nimmt die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre seit Jahrzehnten kontinuierlich zu.
Vgl. https://keelingcurve.ucsd.edu/
Die Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf der atmosphärischen ${}^{14}\mathrm{C}$-Konzentration seit 1850.
Man kann den Höhepunkt, bekannt als der „Bomb Pulse“, deutlich erkennen, der durch oberirdische Atomtests verursacht wurde. Der dramatische Anstieg von ${}^{14}\mathrm{C}$ begann in den 1950er Jahren, als die Tests intensiviert wurden, und erreichte sein Maximum etwa in den Jahren 1963–1965.
Interessant ist aber nun auch, dass die Konzentration – abgesehen durch die „Störung“ in den 1950er und 1960er Jahren – seit mehr als einem Jahrhundert kontinuierlich abnimmt. Das hängt in der Tat damit zusammen, dass in jener Zeit stetig Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen in die Atmosphäre gelangt. Es handelt sich hierbei um „alten“ Kohlenstoff, der seit Jahrmillionen von der Atmosphäre abgeschnitten war (da es der Kohlenstoff aus abgestorbenen Pflanzen ist, die sich im Laufe der Zeit zu zu Erdöl oder Kohle umgewandelt haben) und daher keinen messbaren Anteil an ${}^{14}\mathrm{C}$ mehr enthalten kann. Man spricht hier vom ${}^{14}\mathrm{C}$-Suess-Effekt, benannt nach dem Chemiker Hans Suess (1909 – 1993). Da also immer mehr „fossiler“ Kohlenstoff in die Atmosphäre gelangt, wird die Konzentration von ${}^{14}\mathrm{C}$ stetig verdünnt, selbst wenn die absolute Menge an Kohlendioxid zunimmt.
Streng genommen stammt Kohlenstoff aus Vulkanausbrüchen auch aus Quellen, in denen das ${}^{14}\mathrm{C}$ bereits zerfallen ist. Bei Vulkanausbrüchen handelt es sich jedoch um sporadische, individuelle Ereignisse. Es wurde keine Zunahme von Vulkanausbrüchen in den letzten Jahrzehnten beobachtet. Daher ist die Abnahme der ${}^{14}\mathrm{C}$-Konzentration nur durch den zunehmenden anthropogenen Eintrag von Kohlendioxid erklärbar.
Wer einen noch strengeren Beweis für den anthropogenen Ursprung des Kohlendioxids haben möchte, kann sich auch die Entwicklung der Konzentration von ${}^{13}\mathrm{C}$, einem anderen, stabilen Kohlenstoffisotop anschauen (siehe die oben zitierte Arbeit). Dieser Anteil nimmt auch stetig ab. Das erklärt sich dadurch, dass Pflanzen bei der Photosynthese das Isotop ${}^{12}\mathrm{C}$ leicht bevorzugen. Daher enthält fossiles Kohlendioxid einen geringeren Anteil an ${}^{13}\mathrm{C}$ als in der Atmosphäre. Vulkanisches Kohlendioxid hat diese Isotopenfraktionierung nicht mitgemacht. Daher ist die Abnahme der Konzentration von ${}^{13}\mathrm{C}$ der strenge Beweis, dass das zusätzliche Kohlendioxid in der Atmosphäre anthropogen ist und von der Verbrennung fossiler Ressourcen stammt. Gruß geht raus an die Klimaskeptiker!
Zurück zur Radiokarbonmethode. Alle die genannten Faktoren müssen bei der Radiokarbonmethode berücksichtigt werden, und es gibt Methoden, diesen Fehler herauszurechnen. Beispielsweise kann man die Radiokarbondatierung anhand von Baumring-Chronologien – siehe oben – kalibrieren. Daher findet man in Arbeiten, bei denen die Radiokarbonmethode verwendet wird, unterschiedliche Angaben zur Datierung: Das sogenannte \textit{konventionelle} ${}^{14}\mathrm{C}$-Alter beruht auf der Annahme, dass ${}^{14}\mathrm{C}$ über den gesamten Betrachtungszeitraum mit einer konstanten Rate produziert wurde. Das kalibrierte Datum wird in der Regel mit cal BP bezeichnet. BP steht für before present – wobei für present das Jahr 1950 steht. Das hat einerseits historische Gründe – in jenem Jahr wurde die Radiokarbonmethode standardisiert. Andererseits liegt jenes Jahr vor der dem Beginn großflächiger oberirdischer nuklearer Tests, die den ${}^{14}\mathrm{C}$-Gehalt der Atmosphäre stark veränderten.