Mit neuer Mikrosonde die Spuren des Ozeans entschlüsseln

Mit der neuen Mikrosonde verfügt das GEOMAR Helmholtz‑Zentrum für Ozeanforschung Kiel über ein Analysesystem, das chemische Zusammensetzungen in bislang nicht erreichter Schärfe misst. Gegenüber der 2005 angeschafften Vorgängerin erlaubt die neue Technik nun Messungen im Nanobereich, mit wesentlich höherer Präzision als früher. Damit lassen sich z.B. 50 Mikrometer kleine Glasbruchstücke aus mehrere Millionen Jahre alter Vulkan-Asche zuverlässig charakterisieren. GEOMAR-Direktorin Prof. Dr. Katja Matthes: „Die neue Elektronen-Mikrosonde ist eine enorme Bereicherung für unser gesamtes Institut. Sie eröffnet vielen Fachbereichen neue Möglichkeiten, Materialien und Prozesse im Meer präziser und verlässlicher zu untersuchen als je zuvor.“ 

Archive des Meeres

Das Arbeitspferd der Abteilung „Magmatische und hydrothermale Systeme“ wurde nach 20 Jahren kontinuierlichem Betrieb unter der Leitung von PD Dr. Thor Hansteen Ende 2025 durch eine Elektronen-Mikrosonde der neuesten Generation ausgetauscht. Mit dem neuen Gerät wurde nun die Laborleitung an PD Dr. Steffen Kutterolf übergeben, unterstützt von Labortechniker Mario Thöner.

Kutterolf nimmt dort aktuell Vulkan-Asche von Santorini aus der Ägäischen See unter die Lupe. Es handelt sich dabei um zwei bis drei Millionen Jahre alte Ablagerungen auf dem Meeresboden. Solche Sedimente bewahren Glasfragmente und Metallverbindungen als Archive der Erd- und Meeresgeschichte. „Im Meer bleiben die Eruptionsprodukte besser erhalten als an Land, wo man sie nur ein paar hundert bis tausend Jahre zurückverfolgen kann. Wir wollen konkret wissen, seit wann Santorini überhaupt aktiv war“, sagt Kutterolf. Bislang ging man von 500.000 Jahren aus, doch nun rechnen die Forschenden mit einem Alter von mindestens einer Million Jahren.

Analysen wie diese können Aufschluss darüber bieten, wann ein Vulkan in der Vergangenheit ausgebrochen ist. Daraus können auch Prognosen über die Aktivität in der Zukunft abgeleitet werden.

Vielseitige Einsatzbereiche

Die Mikrosonde kommt in verschiedensten Fachbereichen zum Einsatz. Biolog:innen analysieren beispielsweise Muscheln, Korallen oder auch sogenannte Otolithen. Das sind Ohrsteinchen von Fischen, in denen sich im Laufe des Lebens schichtweise Material ablagert. So spiegeln die einzelnen „Wachstumsringe“ die jeweils herrschenden Umweltbedingungen wider. Anhand der chemischen Analyse lässt sich im Nachhinein nachvollziehen, welche Lebensräume ein Fisch durchwandert hat, etwa wenn er von den weniger salzigen Gewässern der Ostsee in die Nordsee, weiter in den Atlantik und später wieder zurück in die Ostsee gewandert ist.

Der chemische Fingerabdruck

Um einzelne chemische Elemente einer Probe bestimmen zu können, wird in der Mikrosonde ein feiner Elektronenstrahl erzeugt und auf die jeweilige Oberfläche fokussiert. Der Strahl schießt ein Elektron aus einer inneren Schale eines Atoms. Um das entstandene Loch aufzufüllen, springt ein Elektron aus der nächsthöheren Schale an seinen Platz. Bei diesem Nachrücken wird Röntgenstrahlung abgegeben. Dessen Energie beziehungsweise Wellenlänge ist für jedes Element spezifisch. Bei der neu angeschafften Elektronen-Mikrosonde werden die Mengen der entsprechenden Röntgenstrahlen in fünf Spektrometern erfasst. Durch Vergleichsmessungen von Standardmaterialien wird die Konzentration der chemischen Elemente in der Probe errechnet.

So kann die chemische Zusammensetzung der Probe eindeutig beschrieben und beispielsweise bei vulkanischen Partikeln wie ein chemischer Fingerabdruck verwendet werden. Bei marinen Proben unbekannter Herkunft kann über diesen „Fingerabdruck“ die Probe entsprechenden vulkanischen Eruptionen zugeordnet werden.