Blick ins frostige Tagebuch: Zeilenkamera vereinfacht Forschern die Analyse von Eisbohrkernen
Veröffentlicht: 13.01.2010
Das Eis der Antarktis gilt als uraltes Tagebuch der Erde. Gaseinschlüsse in tiefen Eisschichten enthalten Informationen über Klima und Atmosphäre früherer Zeiten. Ein Zeilenkamerasystem vereinfacht Forschern vom Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven dabei die Analyse der Eiskristalle. Beim Arbeitskreis Bildverarbeitung in Kiel wurde das System jetzt vorgestellt.
Wer das Klima verstehen will, muss weit in die Vergangenheit zurückblicken. Immer wieder wechselten sich in der Erdgeschichte Warm- und Kaltzeiten ab. Wie aber hat die Atmosphäre vor 100.000 Jahren oder mehr ausgesehen? Und welche Rückschlüsse lassen frühere Klimaänderungen auf künftige Entwicklungen zu? Auf der Suche nach Antworten zieht es Wissenschaftler regelmäßig an die Gefrierpunkte der Erde. „Das Gletschereis der Pole ist ein einmaliges Klimaarchiv”, sagt Dr.Sepp Kipfstuhl vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven. „Gas- und Aerosoleinschlüsse enthalten über einen Zeitraum von mehreren hunderttausend Jahren detaillierte Informationen über die zu früheren Zeiten vorherrschenden Umweltbedingungen.”
Mit Hilfe von großen Bohrern holen Forscher Eis aus der Tiefe an die Oberfläche. Der bislang längste in der Antarktis gewonnene Eisbohrkern hat eine Länge von mehr als 3.200 Metern, seine tiefsten Eisschichten sind älter als 700.000 Jahre. Das Eis entsteht, in dem sich der an der Oberfläche gefallene Neuschnee über Jahre hinweg verdichtet - zunächst zu noch luftdurchlässigem so genannten Firn, dann schließlich zu Eis. „Die Eisbildung ist dabei ein hochkomplexer Vorgang, der zum Beispiel von der Niederschlagsmenge, der Temperatur, der Windstärke und dem Vorhandensein von Spurenstoffen abhängig ist”,sagt Kipfstuhl.
Aufgrund der Luftdurchlässigkeit der oberen Schichten müssen die Forscher eine Zeitverschiebung zwischen eingelagerten Schwebeteilchen und Gaseinschlüssen berücksichtigen. Ab 70 Meter Tiefe ist Schluss mit den Durchlässigkeiten. Dort beginnt die Uhr des Eises zu ticken. Scheibchenweise untersuchen die Forscher Abschnitte des Bohrkerns. Das geschieht klassischerweise mit dem Mikroskop. Dabei müssen die Einzelbilder nachträglich am PC mosaikartig zusammengesetzt werden.
Deutlich schneller lassen sich hoch aufgelöste Aufnahmen mit einer Zeilenkamera erstellen. Zeilenkameras besitzen nur eine lichtempfindliche Zeile. Durch Bewegung lassen sich jedoch zweidimensionale Bilder erzeugen, wie beim Scanner oder Faxgerät. Für optimale Ergebnisse müssten dabei Aufnahme- und Beleuchtungstechnik stets den Objekteigenschaften angepasst werden, sagt Systementwickler Dr.Ulrich Oechsner von der Firma Schäfter +Kirchhoff. Die Hamburger Firma hat den Wissenschaftlern ein Scan-Makroskop geliefert, das auch bei minus 30 Grad Celsius einsetzbar ist und eine Auflösung von fünf Mikrometern erreicht.
Das System arbeitet mit einer gerichteten Hellfeldbeleuchtung, bei der das Licht aus der Richtung der Kamera kommt. Parallel zum Sensor liegende Flächen reflektieren viel Licht und erscheinen dadurch hell. Von strukturierten Flächen oder Kanten wird das Licht gestreut, nur ein Teil wird auf den Sensor reflektiert. Solche Bereiche sind in der Aufnahme dunkler. „Eis ist kein homogenes Material, es ist ein Häufchen Struktur, dessen unterschiedliche Mikrostruktur uns interessiert”,sagt Kipfstuhl und zeigt die Scans aus verschiedenen Tiefen gewonnenen Eises mit unterschiedlichen Korngrößen und Gaseinschlüssen.
An den Eisbohrkernen konnten die Wissenschaftler bereits nachweisen, dass in Warmzeiten erheblich mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre enthalten ist als in Kaltzeiten. Die Kausalitäten müssten laut Kipfstuhl jedoch noch weiter untersucht werden. Die Konzentration der Treibhausgase sei aber nie so hoch gewesen wie heute.