Text: Dirk Eidemüller
Tropfsteinhöhlen sind für ihre bezaubernden Gesteinsformationen bekannt. Kaum jemand, der eine solche Höhle besichtigt, kann sich der Faszination dieser majestätischen Säulen aus glitzerndem Stein entziehen. Aber auch für die Wissenschaft sind die von unten nach oben wachsenden Stalagmiten und die von der Decke herabhängenden Stalaktiten hochinteressant. Denn das Gestein wächst oft über Jahrtausende und kann die Umweltbedingungen zu seiner Entstehungszeit konservieren.
Wissenschaftler aus Heidelberg und Karlsruhe haben nun ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich Klimadaten vergangener Millennien aus Tropfsteinhöhlen extrahieren lassen. „Uns hat vor allem das Verhältnis verschiedener Sauerstoff-Isotope interessiert,“ sagt Mario Trieloff. Er ist der Leiter des Heidelberger Ionensondenlabors, in dem die Untersuchungen stattfanden.
Als Isotop bezeichnet man die Varianten eines Atomkerns, die dieselbe Anzahl an Protonen enthalten – also zum selben Element gehören –, sich aber in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Verschiedene Isotope eines Elements haben gleiche chemische Eigenschaften, zeigen jedoch geringe physikalische Differenzen.
So besteht irdischer Sauerstoff zu über 99 Prozent aus Sauerstoff-16 mit jeweils acht Protonen und Neutronen. Es gibt aber auch einen Anteil von 0,2 Prozent an Sauerstoff-18 mit acht Protonen und zehn Neutronen. Dieses Isotop verdunstet in Abhängigkeit von der Temperatur wegen seiner höheren Masse etwas schlechter als Sauerstoff-16 und kondensiert etwas schneller. Aus einem exakten Vergleich der verschiedenen Sauerstoff-Isotope kann man deshalb etwas über Niederschlagsmuster und Temperaturverläufe erfahren.
Die Überlegung, mithilfe von Tropfstein etwas über das vergangene Klima zu lernen, ist schon älter. „Die Idee dahinter ist so ähnlich wie bei der Analyse von Baumringen“, erläutert Trieloff. „Bei diesen sehen wir jährliches Wachstum im Wechsel der Jahreszeiten. Auch Tropfstein wächst je nach Saison mit unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung.“
Versteinerte Klimazeugnisse
Wenn Regenwasser durch das Gestein fließt, wird darin Kalk gelöst. Dieser benetzt die Steine dann Atomschicht für Atomschicht. Jedes Jahr wird ein Stalagmit oder Stalaktit auf diese Weise nur rund eine Haaresbreite länger. „Dabei kann die Wachstumsrate stark variieren“, weiß der Forscher. „Manche wachsen in 1.000 Jahren nur ein paar Zentimeter, andere sogar mehrere Meter. Ein so hohes Wachstumstempo ist jedoch sehr selten.“
Für ihre neuen Experimente haben die Wissenschaftler nun einen langsam wachsenden Stalagmiten aus der Kleinen Teufelshöhle in der Fränkischen Schweiz untersucht. Solche Tropfsteine können die Klimabedingungen über mehrere Jahrtausende speichern. Doch an die detailierten Informationen kam man bisher nicht heran: „Die jährlichen Wachstumszonen dieses Stalagmiten sind rund hundertfach dünner als ein Baumring“, sagt Trieloff. Das stellte bisherige Analysen vor Schwierigkeiten: Man fräste mit einem feinen Bohrer Material heraus, löste dieses chemisch auf und schickte es dann – sozusagen atomisiert – als geladene Ionen durch ein Massenspektrometer. In einem solchen Gerät werden die unterschiedlichen Isotope nach ihrer Masse sortiert, sodass man die genaue prozentuale Isotopenverteilung eines Elements ermitteln kann. „Das Problem ist allerdings, dass man auf diese Weise nur über etliche Jahre gemittelte Werte erhält, denn die jährlichen Wachstumszonen sind wesentlich kleiner als die Probengröße“, sagt der Forscher Trieloff.
