δ¹⁸O

In der Geochemie, Paläoklimatologie und Paläozeanographie ist δ¹⁸O bzw. Delta-O-18 ein Maß für das Verhältnis der stabilen Sauerstoff-Isotope ¹⁸O/¹⁶O. Die Bestimmung des Verhältnisses wird als Isotopenuntersuchung bezeichnet. δ¹⁸O eignet sich für die Rekonstruktion der Temperatur von Niederschlag, dient aber auch als Maß der Interaktion zwischen Grundwasser und Mineralien; es wird auch als Indikator von Prozessen der Isotopenfraktionierung wie Methanogenese benutzt. ¹⁸O/¹⁶O-Daten von Korallen, Foraminiferen, Eisbohrkernen und Sedimenten von Süßwasserseen<ref>Melanie J Leng, Jom D Marshall: Palaeoclimate interpretation of stable isotope data from lake sediment archives. In: Quaternary Science Reviews. 23, Nr. 7-8, April 2004, S. 811–831. doi:10.1016/j.quascirev.2003.06.012..</ref> werden in den Paläowissenschaften als Temperaturproxy verwendet. Er ist definiert als:

<math>\delta ^{18}\mathrm{O} = \Biggl( \frac{\bigl( \frac{^{18}\mathrm{O}}{^{16}\mathrm{O}} \bigr)_\text{Probe}}{\bigl( \frac{^{18}\mathrm{O}}{^{16}\mathrm{O}} \bigr)_\text{Standard}} -1 \Biggr) \cdot 1000\ ^{o}\!/\!_{oo}</math>

Die Einheit ist Promille (‰, Teile pro Tausend). Der Standard hat eine bekannte Isotopenzusammensetzung wie z. B. der Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW).<ref name="usgs_isotope_tracers">USGS -- Isotope Tracers -- Resources -- Isotope Geochemistry. Abgerufen am 18. Januar 2009.</ref>

Eine Fraktionierung kann durch eine kinetische Fraktionierung, Gleichgewichtsfraktionierung oder massenunabhängige Fraktionierung geschehen.

Mechanismus und Anwendung

δ¹⁸O spiegelt auch die lokale Verdunstungsrate und den Frischwasserzustrom wider. Da aus Meerwasser bevorzugt ¹⁶O verdunstet, ist Regenwasser reich an ¹⁶O. Folglich enthält das Oberflächenwasser der Ozeane in den Subtropen größere Mengen an ¹⁸O, denn dort ist die Verdunstungsrate erhöht. Geringere Mengen an ¹⁸O gibt es im Ozeanwasser mittlerer Breitengrade, wo es mehr regnet.

Ähnliches ist bei der Kondensation zu beobachten: Wassermoleküle, die die schwereren ¹⁸O-Atome enthalten, neigen dazu, als erste zu kondensieren und auszuregnen. Der Gradient der Wasserfeuchte zeigt von den Tropen zu den Polen eine Abnahme des ¹⁸O-Gehalts. Schnee, der in Kanada fällt, enthält weniger H₂¹⁸O als Regen, der in Florida niedergeht; dementsprechend trägt Schnee, der im Zentrum einer Eisfläche fällt, eine leichtere δ¹⁸O-Signatur als an den Rändern der Eisfläche, da das schwerere ¹⁸O zuerst abregnet. Ein Klimawandel, der die globalen Muster von Verdunstung und Niederschlag verändert, verändert aus diesem Grund das grundlegende δ¹⁸O-Verhältnis.

Diese Zusammenhänge wurden von Harold C. Urey im Jahr 1947 entdeckt und publiziert.<ref name="DOI10.1039/JR9470000562"> Harold C. Urey: The thermodynamic properties of isotopic substances. In: Journal of the Chemical Society (Resumed). 1947, S. 562. ISSN 0368-1769. doi:10.1039/JR9470000562. </ref> Cesare Emiliani analysierte darauf aufbauend in den 1950er Jahren in großem Umfang Bohrkerne und untergliederte anhand der gefundenen δ¹⁸O-Signaturen die erdgeschichtlichen Epochen in sogenannte Sauerstoff-Isotopenstufen.

Geeignete Proxies

Am häufigsten wurden die Schalen von Foraminiferen untersucht. Sie bestehen aus Calciumcarbonat (CaCO₃), können in vielen geologischen Strukturen gefunden werden und enthalten Sauerstoff. Das Verhältnis ¹⁸O zu ¹⁶O wird dazu benutzt, die Temperatur des umgebenden Wassers zum Kristallisationszeitpunkt indirekt zu bestimmen. Das Verhältnis schwankt in Abhängigkeit von der Temperatur des umgebenden Wassers leicht; aber auch andere Faktoren beeinflussen das Verhältnis wie z.B. der Salzgehalt und die Menge des in Eisschilden eingeschlossenen Wassers. Rekonstruktionen sind jedoch auch bei Verwendung von Korallen, Seesedimenten und Stalagmiten möglich. Daneben kann das Eis von Eisbohrkernen und der Zucker fossiler Pflanzen untersucht werden.

Während die Eignung von δ¹⁸O aus Eisbohrkernproben zur Rekonstruktion von Temperaturen vergangener Zeiten vielfach belegt ist,<ref>J. Jouzel, Richard B. Alley, K. M. Cuffey, Willi Dansgaard, P. Grootes, G. Hoffmann, S. J. Johnsen, R. D. Koster, D. Peel, C. A. Shuman, M. Stievenard, M. Stuiver, J. White: Validity of the temperature reconstruction from water isotopes in ice cores. In: Journal of Geophysical Research: Oceans. 102, Nr. 26471 - 26487, September 2012. doi:10.1029/97JC01283..</ref> kann es bei einer Temperaturrekonstruktion, bei der biogenes Phosphatmaterial wie z.B. Knochen- und Zahnmaterial verwendet wird, zu Verfälschungen durch Diagenese kommen.<ref>Z. D. Sharp, V. Atudorei and H. Furrer: The effect of diagenesis on oxygen isotope ratios of biogenic phosphates. In: American Journal of Science. 300, Nr. 3, März 2000, S. 222–237. doi:10.2475/ajs.300.3.222..</ref>

Analyse von Zucker

In den Zuckern (Arabinose, Xylose und Fucose) von in Seesedimenten abgelagerten Pflanzen ist mit Hilfe eines neuen Verfahrens ebenfalls eine klare δ¹⁸O-Signatur erkennbar, die wahrscheinlich die lokale Temperatur bzw. Niederschlagssituation widerspiegelt. In der Himalaya-Region kann diese Signatur beispielsweise als Proxy für Intensität und Variabilität des Sommermonsuns genutzt werden.<ref>Michael Zech, Mario Tuthorn, Roland Zech, and Frank Schlütz, Wolfgang Zech, Bruno Glaser: A 16-ka δ18O record of lacustrine sugar biomarkers from the High Himalaya reflects Indian Summer Monsoon variability. In: Journal of Paleolimnology. 50, Nr. 2, August 2013, S. 1–11. doi:10.1007/s10933-013-9744-4..</ref>

Überprüfung von Lebensmitteln

Eine weitere Anwendung ist die Überprüfung der Echtheit von Lebensmitteln. Da aufgenommenes Wasser von Pflanzen in Wasser eingelagert wird, trägt jedes pflanzliche Lebensmittel in dem in ihm enthaltenen Wasser die Signatur seines Wachstumsortes. Wird beispielsweise Wein mit Leitungswasser verdünnt oder Saft, der zuvor für einen kostengünstigen Transport in ein Konzentrat verwandelt wurde, mit Leitungswasser rückverdünnt, so ist dies über die Bestimmung von δ¹⁸O nachweisbar. Liegen ausreichend genaue Daten über ein Anbaugebiet vor, so ist es mit dem Verfahren möglich, auch Angaben zum Anbauort zu überprüfen. Es ist beispielsweise überprüfbar, ob ein Bordeaux-Wein auch tatsächlich von Trauben stammt, die im Bordeaux wuchsen. <ref>Redaktion LGL: Stabilisotopenanalytik. In: Lebensmittelkennzeichnung, Täuschungsschutz. Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit. 22. März 2012. Abgerufen am 6. Juli 2013.</ref>

Berechnungen

Wenn der Einfluss wechselnder Salinität und Eisvolumens außer Acht gelassen werden und das Signal folglich ausschließlich auf Temperaturveränderungen zurückgeführt wird, entspricht ein Anstieg des δ¹⁸O um 0,22 ‰ einer Abkühlung um 1 °C.<ref>

Visser, K., Robert Thunell, Lowell Stott: Magnitude and timing of temperature change in the Indo-Pacific warm pool during deglaciation. In: Nature. 421, Nr. 6919, 2003, S. 152. doi:10.1038/nature01297.</ref>

Ebenso kann die Temperatur mit Hilfe dieser Gleichung berechnet werden:

<math>T( \text{Grad C}) = 16{,}9 - 4{,}0 \cdot \delta^{18}\mathrm{O}_\text{Calcit} - \delta^{18}\mathrm{O}_\text{Seewasser}</math>

Während des Pleistozän korrelierte eine δ ¹⁸O Signatur von 0,11 ‰ mit einer Meeresspiegeländerung um 10 m, die aus der Veränderung des Eisvolumens resultierte.

Siehe auch

• Isotopenverhältnis
• δ¹⁵N
• δ¹³C

Literatur

•  Clark, I.D. and Fritz, P: Environmental Isotopes in Hydrogeology. CRC Press, 1997, ISBN 1-56670-249-6.

• Schmidt, G.A.: Forward Modeling of Carbonate Proxy Data from Planktonic Foraminifera Using Oxygen Isotope Tracers in a Global Ocean Model. In: Paleoceanography. 14, Nr. 4, 1999, S. 482–497. Bibcode: 1999PalOc..14..482S. doi:10.1029/1999PA900025.

Einzelnachweise

<references/>