Erlenkeuser, Helmut

Müller-Lupp, Thomas

Simstich, Johannes

OceanRep

Mitteilungen zur Kieler Polarforschung Heft 17 - 2001 Johannes Simstich1, Thomas Müller-Lupp 1und Helmut Erlenkeuser21) GEOMAR Forschungszentrum für marine Geowissen­schaften der Universität Kiel2) Leibniz-Labor für Altersbestimmung und lsotopenfor­schung der Universität KielSchalen arktischer Bivalven als Daten­speicher jahreszeitlicher Schwankungen von Temperatur und Salzgehalt im Boden­wasser? Erste Ansätze aus Kara- und Lap­tev-See Einleitung Eine wesentliche Stütze unseres heutigen Klimasystems ist die atlantische thermohaline Zirkulation, auf die arkti­sche Wassermassen entscheidenden Einfluß haben. Durch ihren niedrigen Salzgehalt, der vor allem durch die sibi­rischen Flüsse verursacht wird, können sie die Zirkula­tion bremsen oder sogar unterdrücken und Nordeuropa somit von der Wärmezufuhr über den Nordatlantikstrom abschneiden. Wichtige Quellgebiete arktischen Oberflä­chen- und Zwischenwassers sind die riesigen Sehelf­bereiche von Kara- und Laptev-See. Die Veränderlich­keit der dort stattfindenden hydrographischen Prozesse ist eine der zentralen Fragen in den Projekten „SIRRO: Siberian River Runoff" und „System Laptev-See 2000". Im einzelnen bilden sich arktische Schelfwassermassen infolge extremer jahreszeitlicher Kontraste, wie Flußwas­sereintrag und Eisschmelze im Sommer, tiefreichende Turbulenzen im Herbst und extreme Abkühlung mit Eis­und Solebildung im Winter. Es ist daher zum Verständ­nis des arktischen Beitrags zum Klimageschehen ent­scheidend wichtig, diese Saisonalität und deren Verän­derlichkeit in der Vergangenheit zu rekonstruieren. Ein möglicher Träger solcher Informationen sind Muschel­schalen, da diese über einen längeren Zeitraum hinweg wachsen und dabei kontinuierlich Veränderungen der ozea­nographischen Schlüsselparameter Salzgehalt und Tempe­ratur des Umgebungswassers in der Isotopenzusam­mensetzung des Schalenkarbonats aufzeichnen (lngram et al. 1996; Hickson et al. 1999; Sato 1999; Watanabe und Oba 1999). Vor der Anwendung auf die Vergan­genheit bedarf es aber zunächst genauerer Untersu­chungen rezenter Tiere, um Möglichkeiten und Signi­fikanz der isotopischen Aussage unter vergleichsweise gut bekannten hydrographischen Gegebenheiten abzu­klären. Im folgenden werden solche ersten Schritte und 7 Ergebnisse für die sibirischen Schelfe an Hand von zwei Muscheln aus Kara- und Laptev-See vorgestellt. Methodik Lebend gefangene Exemplare von Serripes groenlandi­cus (Grnelin 1790) aus der Kara-See (Station BP00-28, vom 4.9.1999, 73.4°N, 78.8°E, 23m Wassertiefe) und von Astarte borealis (Schumacher 1817) aus der Lap­tev See (PS51/104, 5.8.1998, 76.0°N, 132.2°0, 32m) wurden detailliert beprobt. Je ca. 10 bis 30 µg Kalzi­umkarbonat wurden mit einer Mikrofräse in Schritten von 0.2-0.3 mm in Wachstumsrichtung sehr flach (0.1 - 0.2 mm) aus der Muscheloberfläche gefräst und nachdem Standardverfahren mit dem Kieler Karbonat-Isoto­pen-Analysesystem (,Kiel Anlage' zur C02-Präparationund MAT 251 Isotopen-Massenspektrometer) am Leib­niz-Labor der Universität Kiel gemessen. Die Messfeh­ler betragen 0.04 96o für o 13C und 0.07 96o für 0 180, dermethodische Fehler, der vor allem durch die Art der Pro­bennahme bedingt ist, wurde an Hand von Mehrfachbe­probungen auf 0.21 96o für o 180 bestimmt.Generell gesehen führen höhere Wassertemperaturen bei der Kalkabscheidung wie auch ein höherer Flußwas­seranteil, d.h. ein verringerter Salzgehalt, zu erniedrig­ten 0 180-Werten. Umgekehrt lassen sich aus den 0 180-Werten allein die beiden Einflußgrößen nicht getrennt bestimmen, aber durch die ,Randwerte' (Temperatur bei konst. Sa!. oder Salinität bei konst. Temp.) beschreiben. Ergebnisse Die Sauerstoffisotopenverhältnisse (als 0 180 in 96o gegen den PDB Standard) schwanken bei Serripes groenlandi­cus aus der Kara-See mit einer mittleren Amplitude von 1.6 96o bei einem Mittelwert von 0. 7 o/oo (Abb.!). Ver­gleichbar liegt die Amplitude von Astarte borealis aus der Laptev-See bei 1.3 96o, der Mittelwert ist jedoch infolge des höheren Salzgehalts in der Tiefe mit 1.5 %o wesent­lich höher als in der Kara-See. Das Periostrakum - die Haut über der Kalzitschale - von Serripes groenlandicus zeigt in Wachstumsrichtung eine ausgeprägte Hell/dunkel -Wechselstreifung. Den hellen Ringen sind die geringe­ren (="leichtere") 0 180-Werte zugeordnet, den dunkle­ren die höheren (="schwerere") Werte. Es darf angenom­men werden, dass es sich bei dem Farbmuster um helleSommer und dunkle Winterlagen handelt (A. Gukov,Hydrometeorologisches Department Tiksi, Yakutien, pers.Mittig.), wodurch die 0 180-Variationen saisonal festgelegtwerden. Diese saisonale Rhythmik ist vielfach beobach­tet worden (z.B. Erlenkeuser und Wefer 1981, Wefer undBerger 1991 ). Der beprobte Teil von Serripes groenlan­dicus würde demnach bis 1991 zurückreichen. AufEi�-n.t...:1 a r Bibliothek GEOMAR 8 -1.5 ·1 m·o.5 � 0 l 0.5 0 1 �.., 1.5 2 2.5 Serripes groenlandicus, 23 m Wassertiefe, Kara-See 3-'--���������.;-������-:--� ·5 � -4 l ·3 <.) � -2 ·1 01-1-,.......-........ "T""T...,.....,-,-,....... ....... -rT...,.....,.......-l"""T".,.....,.....,....,.""T'""',-,-,..:.,..T'T� 45 15 20 25 30 35 40 Abstand vom Schloß [mm] Mitteilungen zur Kieler Polarforschung Heft 17 - 2001 Astarte borealis, 32 m Wassertiefe, Laptev-See·2'..!.-1,....,._._J_._. ........ ..i......_._._._J_._._._o...l-�.._._'-;-� .......... ............, -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 WachStUmsrichtung .31.!-����������-:--������-,-2 -1 0 2 5 10 15 20 25 Abstand vom Schloß [mm] 30 Abb. 1. 15110- (oben) und 613(-Werte (unten) von Serripes groenlandicus aus der Kara-See (links) und Astorte borealis aus der Laptev­See (rechts). Grau-weiße Balken markieren alternierend die Jahresfolge (s. Text). Die Y-Achsen sind umgedreht skaliert, d.h. niedrigere6110-Werte (niedrigere Salinität und/oder höhere Temperatur) weisen nach oben. Helle Dreiecke markieren nachträgliche Parallelpro-ben. der Schalenoberfläche von Astarte borealis aus der Lap­tev-See sind alJerdings keine Wachstwnsringe zu erkennen. Die Jahreseinteilung in Abb. 1 beruht hier allein auf den ö 180-Werten, wobei der jeweils schwerste Wert eines Zyklus als Winterwert angenommen wurde. Die Daten­reihe reicht somit zurück bis 1989. Das Verhältnis der stabilen Kohlenstoffisotope (als ö13C in %o gegen PDB Standard) verhält sich im allgemeinen gleichläufig zu den ö 180-Werten, d.h. leichte ö 13C Werte treten im Sommer und schwere im Winter auf (Abb. l ). Diese Phasengleichheit ist bei Serripes groenlandicus aus der Kara-See eindeutiger ausgeprägt als bei Astarte borea­lis der Laptev-See. Letztere zeigt einen deutlich U-fönni­gen Verlauf der ö 13C-Kurve, wie er typischerweise durch Stoffwechselwnstellungen während der Ontogenese ent­steht (Wefer und Berger 1991 ). Bei S. groen-Diskussion Unter der Annahme, dass die Muscheln ihre Schalen im thermodynamischen Isotopengleichgewicht mit dem Bodenwasser entsprechend der jeweiligen Wassertem­peratur kalzifizieren, lassen sich nach der „Paläotempe­raturgleichung" von O'Neil et al. (1969; nach Shack­leton 1974) unter Zuhilfenahme der entsprechenden Salzgehalt--ö 180w,sse,-Beziehungen die maximal mögli­chen saisonalen Temperatur- bzw. Salzgehaltsschwan­kungen aus den ö 180-Amplituden der Muscheln berech­nen (Tab. 1 ). Umgekehrt können aus den vorhandenen T/S-Daten unterschiedlicher Jahreszeiten (Joint U .S. Russian Atlas of the Arctic Ocean 1998) auch diejenigen ö 180-Amplituden berechnet werden, die nach diesen Daten in den Muschelschalen möglich wären (Tab. 1 ). landicus ist hier nur der Anstieg im adulten Stadium erfasst. Die beobachteten saisonalen Rhythmen dürften u.a. auf die Rhythmik der Planktonproduktion und ihre isotopischen Folgen im Stoffhaushalt des einzelnen Tieres wie auch für den Kohlenstoffhaushalt des flachen Schelfineeres insgesamt zurückge­hen, z.T. aber auch mit saisonal wechselnden Bodenwasserkörpern und ihrer verschiedenen C-Isotopensignatur (Schelfmeerprovenienzbzw. pelagische Prägung) zusammenhängen. Tab. 1. Berechnete Temperatur- und Salzgehaltsamplituden fur die Kara- und LaptevSee Quelle �rrlpe, Jl'fJ('flÜJ11</IC!Lf (8crcchnc1 IUI miulcrcr Kll'I- 6110-Arnplnudc 1 6 'II'.) Sec l'rusakov und Shmclkov I tr'M!r1. Mirtlo \ A<tort• bort·all, (Bcrcch11c1 IUS mllllcrcr Lapu,v- 6110-Arnpl,111dc l.l 1'.) Sec Joint U.S Run1.an Atlu or ehe Arcu, Occan • 19981 Jalutwnpluudc Temperatur S.lqchah S.7 °C oder lS 042 °C und 0)8 4.6'C oder 2.4 0 47 "C und 1 2 T:'S�Bcrcchnun1 au, ö110 mu -0.28 ,-•K '(O'Ncol cc al 1%�). 0.46 "-P•u 1 (unpubl Daten K1t1-Scc) -0 28 ..... ._ '(O'r-.cil et 11 1969). 0.SS "-P>u' (unpubl. D11cn l.apccv-Scc) Mitteilungen zur Kieler Polarforschung Heft 17 - 2001 Die ö 180-Arnplituden von Serripes groenlandicus aus der Kara-See könnten demnach durch jahreszeitliche Schwankungen der Temperatur (T) um 5.7 °C oder des Salzgehalts (S) um 3.5 zustande kommen (Tab. l ). Leider sind keine hochwinterlichen T/S-Daten für die nähere Umgebung des Fangortes vorhanden. Die „winterlich­sten" Werte aus der Datenzentrale Obniensk, Russland sind von Oktober 1950 (B. Prusakov & B. Shrnelkov, Geokhi, Moskau, pers. Mittig.). Verglichen mit den August-Daten unterscheiden sie sich in der Temperatur nur um -0.42 °C und im Salzgehalt nur um 0.38 - viel zu wenig, um die ö 180-Amplitude der Muschelschalezu erklären (Tab. 1 ). Ähnlich müßte in der Laptev-See die gemessene 0 180-Arnplitude durch saisonale Wech­sel der Temperatur um 4.6 °C oder des Salzgehaltes um 2.4 hervorgerufen worden sein. T/S-Daten für diese Station aus dem Joint U.S. Russian Atlas of the Arctic Ocean ( 1998) genügen aber bei weitem nicht, um diese ö 180-Arnplituden zu erklären (Tab. 1).Die Datenerhebung im Arktischen Ozean ist im Winter außerordentlich schwierig, was vermutlich der Haupt­grund für die Spärlichkeit von Messwerten aus dem Win­terhalbjahr ist. Da zwischen den wenigen vorhandenen Daten üblicherweise räumlich und zeitlich interpoliert wird, können Atlanten gar nicht die volle Spannweite jah­reszeitlicher T/S-Variationen enthalten. Man kann daher mutmaßen, dass 0 180-Werte von Muschelschalen jah­reszeitliche hydrographische Variationen anders als die Atlanten vergleichsweise genau und en detail wider­spiegeln. Um dies zu belegen, sind jedoch ganzjährige Aufzeichnungen von Verankerungen am Meeresboden nötig. Derartige Daten wurden in der Laptev-See erho­ben, liegen jedoch derzeit noch nicht vor. Sollte sich an Hand der in situ-Messwerte die Vermutung präziser T/S­Aufzeichnungen durch die Muscheln bestätigen, so hätte man eine leistungsfühige und ausgesprochen kostengün­stige Möglichkeit zur Messung der jahreszeitlichen Varia­bilität im Bodenwasser arktischer Sehelfmeere zur Verfü­gung. Da sich in arktischen Sehelfmeeren die Temperatu­ren unterhalb l 5m Wassertiefe saisonal nur wenig ändern, wäre mit den Schalendaten hauptsächlich die Salinität angesprochen. Die variable Saisonalität des Scheltbodenwassers ist ver­mutlich das Abbild der wechselnden Einflussnahme ter­restrischer und mariner Prozesse, die wiederum gesteu­ert werden durch rythmische Veränderungen der Atmo­sphäre (Proshutinsky 1999, Thompson 2000a). Ein Ver­gleich der saisonalen 0 180-Amplituden zwischen Kara­und Laptev-See zeigt gegenläufige Trends in den beiden Sehelfgebieten (Abb.2). In der Kara-See nahm die Sai­sonalität während der ersten Hälfte der 90er Jahre ab 9 und stieg danach wieder an. In der Laptev-See ist das umgekehrte Bild zu beobachten: die Amplituden sind während der Mitte der 90er Jahre größer als davor und danach (Abb. 2). Es liegt nahe, diese Phasenverschiebun­gen der Arktischen Oszillation (z.B. Proshutinsky 1999) zuzuschreiben . Ein Vergleich der 0 180-Saisonalität mitdem Index der Arktischen Oszillation als Luftdruck­anomalie auf Meeresspiegelhöhe in der Arktis (Abb. 2; Thompson 2000b) zeigt jedoch keinen unmittelbaren Zusammenhang, wenn auch Phasenbeziehungen ange­deutet scheinen. Insgesamt läßt sich, ohne jetzt schon in genauere Modell­vorstellungen zu gehen, vorerst nur vermuten, dass die Ark­tische Oszillation nur indirekt als einer unter vielen Fakto­ren die Saisonalität auf den sibirischen Schelfen beeinflusst. 2.5 � 2 l1.5 0 � 1 <] 0.5 0-+-�--.�...--.---..�...---.----,-�,----�---4-1988 1990 1992 1994 1996 1998 _.__ Astarte borealis (Laptev-See) --&- Serripes groenlandicus (Kara-See) •9' • Arktischer Oszillations Index (AOI)2000 Abb. 2. Saisonale ö1'0-Amplituden als Differenz zwischen höch­stem und tiefstem Werte eines Jahreszyklus. Zum Vergleich ist der Arktische Oszillationsindex gezeigt (Thompson 2000b). Vermutlich spielen klimatische Vorgänge in den mittleren Breiten, den Einzugsgebieten der großen Flüsse Yenisei und Lena, eine wesentlich größere Rolle. Schlussfolgerung Die ersten Isotopen-Ergebnisse an Muschelschalen aus Kara- und Laptev-See zeigen das Potenzial dieser Methode. Muscheln der arktischen Schelfineere scheinen sich als ,,Rekorder" zu erweisen, die jahreszeitliche T/S­Schwankungen im Bodenwasser möglicherweise genauer aufzeichnen als derzeit vorhandene Atlasdaten. Sie bieten damit eine Möglichkeit, den klimageschichtlich wichtigen Aspekt der Saisonalität in den arktischen Sehelfmeeren auch für die Vergangenheit zu untersuchen. 10 Literatur ERLENKEUSER. H., G. WEFER, 1981: Seasonal growth of bivalves from Bennuda recorded in their O 18 profiles. Proc. Intern. Reef Symposium, Manila, 2, p.643-048. HICKSON, J.A., JOHNSON, A.L.A., HEATON, T.H.E. & BALSON, P.S. 1999. The shell of the queen scallop Aequi­pecten opercularis (L.) as a promismg tool for paleoenv1-ronmental reconstruction: Evidence and reasons for equih­brium stable isotope incorporation. PaJeogeography, Paleo­chmatology, Paleoecology 154(4): 325-337. INGRAM, B.L., TNGLE, J.C. & CONRAD, M.E. 1996. Stable isotope record of late Holocene salinity and river d1scharge m San Francisco Bay, Califomia. Eartb and Pla­netary Science Letters 141: 237-247 . Joint U.S. Russian Atlas of the Arctic Ocean. 1998. Oceano­graphy Atlas for the Winter and Summer Period (GDEM). CD-ROM O'NEIL, J.R., CLAYTON, R.N. & MAYEDA, T.K. 1969. Oxygen isotope fractionation in divalent meta! carbonates. The Journal of Chemical Physics 51 ( 12): 554 7- 5558. PROSHUTTNSK Y, A.Y .. POLYAKOV, LV. & JOHNSON, M.A. 1999. Climate states and variability of Arctic ice and water dynamics during 1946-1997. Polar Research 18(2):135-142.SATO, S. 1999. Temporal change of life-history traits in fossil bivalves: An example of Phacosomajaponicum from the Pleistocene of Japan. Paleogeography, Paleoclimato­logy, Paleoecology 154(313-323). SHACKLETON, N.J. 1974. Attainment of isotopic equili­brium between ocean water and the benthonic forarninifera genus Uvigerina: Isotopic changes in the ocean during the last glac1al. Colloques lntemationaux du C.N.R.S. 219: 203-209.SIMSTICH, J. 1999. Die ozeanische Deckschicht des Europä­ischen Nordmeers im Abbild stabiler Isotope von Kalkgehäu­sen unterschiedlicher Planktonforarniniferenarten. Berichte Reports, Institut für Geowissenschaften 2: 96. THOMPSON D. 2000a. Schematic of the high and low index polarities of the NH annular mode. http:t/tao atmos.washington.edutdata/annularmodcs/ üi:ures schematic.html THOMPSON, D. 2000b. Updated time series of the northem hemisphere annular mode, Jan Mar 1959-2000. http://tao.atmos.washington.edu/data sets/ao/Figures/ mdex.htmL WATANABE. T .. OBA. T. 1999. Daily reconstruct1on ofwater temperature from oxygen isotopic ratios of a modern Tri­dacna shell using a freezing microtome sampling technique. Journal ofGeophysical Research 104(C9): 20667-20674. WEFER. G .• BERGER, W.H. 1991. Isotope paleontology: growth and composition of extant calceous species. Marine Geology 100: 207 24. *Mitteilungen zur Kieler Polarforschung Heft 17 - 2001 

Schalen arktischer Bivalven als Datenspeicher jahreszeitlicher Schwankungen von Temperatur und Salzgehalt im Bodenwasser? Erste Ansätze aus Kara- und Laptev-See

Schalen arktischer Bivalven als Datenspeicher jahreszeitlicher Schwankungen von Temperatur und Salzgehalt im Bodenwasser? Erste Ansätze aus Kara- und Laptev-See

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

OceanRep