Fangen Sie einzelne Atome in einer „Falle“, um das Alter von Eisbohrkernen zu bestimmen

Das wissenschaftliche Expeditionsteam bohrte Eiskerne aus dem Qiangtang-Gletscher auf dem Qinghai-Tibet-Plateau. Bild mit freundlicher Genehmigung von Polar Future

Welche Funken werden entstehen, wenn ein 109 Meter langer Eiskern, der in 5.900 Metern Höhe auf dem Qinghai-Tibet-Plateau gebohrt wurde, auf eine neue Datierungsmethode trifft, die auf quantenpräzisen Messungen basiert?

Kürzlich haben ein von den Professoren Lu Zhengtian und Jiang Wei von der University of Science and Technology of China (im Folgenden USTC genannt) geleitetes Team zur Einzelatomdetektion und ein von Forscher Tian Lide von der Yunnan University (im Folgenden YNU genannt) geleitetes Glaziologieteam zusammengearbeitet, um ihre Forschungsergebnisse in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States zu veröffentlichen. Das Team führte die weltweit erste Datierungsmessung mit dem Isotop Argon-39 an Eisbohrkernen durch und erstellte eine genaue Altersskala von Tausenden von Jahren für die Eisbohrkerne des Qiangtang-Gletschers auf dem Qinghai-Tibet-Plateau.

Ein „einzigartiges Archiv“ der atmosphärischen Bedingungen

Der sogenannte Eisbohrkern ist ein durch Bohrungen aus dem Inneren eines Gletschers gewonnener Kern. Generell gilt, dass der Eiskern von unten nach oben jünger wird.

„Diese Eisbohrkerne erfassen eine Vielzahl von Indikatoren für Klima- und Umweltveränderungen, die üblicherweise in drei Kategorien unterteilt werden: Die erste Kategorie ist das Eis selbst. Das Verhältnis von Wasserstoff- und Sauerstoffisotopen in Wassermolekülen kann Temperaturänderungen widerspiegeln; die zweite Kategorie ist die atmosphärische Zusammensetzung und der Gehalt in den Eisbohrkernen, beispielsweise an Treibhausgasen wie Kohlendioxid und Methan, die den Prozess der Veränderung der atmosphärischen Zusammensetzung aufzeigen können.“ Tian Lide führte aus, dass die dritte Kategorie verschiedene Verunreinigungen in den Eisbohrkernen seien, wie etwa mit bloßem Auge sichtbarer Staub, was darauf schließen lasse, dass es zu dieser Zeit mehr Sandsturmaktivitäten gab; Darüber hinaus werden durch Laborinstrumente verschiedene chemische Komponenten erkannt, die relevante Informationen zu natürlichen und menschlichen Aktivitäten liefern können.

Daher können Eisbohrkerne als „einzigartige Archive“ betrachtet werden, die die atmosphärische Umwelt bewahren. Die genaue Altersbestimmung der Eisbohrkerne ist der erste Schritt zur Entschlüsselung der „Archive“. Das Qinghai-Tibet-Plateau meines Landes gilt als dritter Pol der Welt und ist eine Fundgrube der Paläoklimaforschung in mittleren und niedrigen Breiten.

„Anders als in der Antarktis und der Arktis weist das Qinghai-Tibet-Plateau große Mengen angesammelten Schnees auf und die Auflösung der Eiskerne ist höher. In diesem Breitengrad leben Menschen und sind vielfältigen Aktivitäten nachgegangen. Die in den Eiskernen aufgezeichnete Geschichte ist eng mit der Lebensumgebung der Menschen verbunden.“ Tian Lide sagte, dass die Eiskernforschung auf dem Qinghai-Tibet-Plateau deshalb besonders wichtig sei. Genau aus diesem Grund hat das Qinghai-Tibet-Plateau Wissenschaftler aus aller Welt angezogen und ist zu einem „Schlachtfeld“ für die internationale Eiskernforschung geworden.

Im Mai 2014 arbeiteten Tian Lide und seine Kollegen mehr als zehn Nächte lang ununterbrochen auf dem Gipfel des Gletschers „Qiangtang Nr. 1“ auf dem Qinghai-Tibet-Plateau in einer Höhe von 5.900 Metern (tagsüber waren die Temperaturen hoch und die geschmolzenen Eissplitter konnten die Bohranlage leicht blockieren) und bohrten erfolgreich zwei 109 Meter lange Eiskerne durch den Boden, die das ganze Jahr über im Kühlhaus der Yunnan-Universität bei -17 °C gelagert werden.

Zu den Fragen, mit denen das Team um Tian Lide konfrontiert ist, gehört das Alter dieser beiden Eisbohrkerne, welche Informationen sie enthalten und wie dieses hart erarbeitete „Archiv“ entschlüsselt werden kann. Und Lu Zhengtians Team am USTC verfügt zufällig über den „Schlüssel“, um dieses „Archiv“ zu öffnen.

Argon-39 in einer Atomfalle gefangen

In der Atmosphäre gibt es drei seltene radioaktive Gasisotope: Krypton-85, Argon-39 und Krypton-81. Bereits 1969 schlugen die Schweizer Geowissenschaftler Hans Oeschger und Hugo Loosli vor, dass sich Argon-39 und andere Isotope ideal zur Datierung von Gebirgsgletschern eigneten.

Es ist jedoch äußerst schwierig, sie zu erkennen. „Die Häufigkeit des Isotops Argon-39 ist extrem gering, sie beträgt nur ein Teil pro Milliarde. Und diese Atome sind mit Argonatomen vermischt, die 17 Größenordnungen zahlreicher sind als sie.“ Lu Zhengtian sagte, dass die Schwierigkeit dieser Erkennung mit der Suche nach einem besonderen Sandkorn am Strand vergleichbar sei. Daher ist die quantitative Analyse von Argon-39 in Eisbohrkernen seit fast einem halben Jahrhundert ein schwieriges Problem.

In dieser Studie verwendete das Team von Lu Zhengtian die Methode der „Atomfallenspurenanalyse (ATTA)“. Diese Methode wurde von Lu Zhengtian in seinen frühen Jahren erfunden, als er am Argonne National Laboratory in den Vereinigten Staaten arbeitete. Das Prinzip besteht darin, Argon-39-Atome mithilfe präzise gesteuerter Laser zu manipulieren und in einer „Atomfalle“ aus sechs Laserstrahlen einzufangen. Die Atome in der Falle fluoreszieren und die einzelnen Argon-39-Atome werden von einer empfindlichen EMCCD-Kamera erfasst und einzeln „gezählt“.

Argon-39 hat eine Halbwertszeit von 268 Jahren und kann zur Datierung von Umweltproben im Alter von 1.800 bis 50 Jahren verwendet werden.

Lu Zhengtian nahm 1 Kilogramm modernes Eis als Beispiel. Er enthält etwa 10.000 Argon-39-Atome. Nach einer Halbwertszeit hat sich die Zahl der Argon-39-Atome auf 5.000 halbiert. Nach einer weiteren Halbwertszeit halbiert sich die Zahl erneut auf 2.500. Mit der Zeit nimmt die Zahl der Argon-39-Atome ab. Daher kann uns die Häufigkeit von Argon-39 im Eiskern Aufschluss über das Entstehungsdatum des Eises geben, also über sein Alter.

Hier kommt also die Frage. Wie kann der 109 Meter lange und etwa 700 Kilogramm schwere Eiskern, der im Kühlhaus der Yunnan-Universität gelagert ist, zur Forschung in das Labor des USTC transportiert werden?

„Mein Kollege Dr. Florian Ritterbusch ging damals mit einem Gerät, das wie ein Schnellkochtopf aussah, in das Labor von Professor Tian Lide an der Yunnan-Universität, extrahierte das Gas aus dem Eiskern und brachte es zurück zum USTC.“ Jiang Wei sagte, dies sei der erste Schritt zur Datierung des Eiskerns.

Warum heißt es „Schnellkochtopf“? „Wegen der guten Versiegelungsleistung machen wir tatsächlich ein Feuer unter dem Topf, um das Eis zu schmelzen und das Gas herauszulassen.“ Jiang Wei sagte lächelnd: „Unterschätzen Sie diesen ‚Schnellkochtopf‘ nicht. Um Proben zu entnehmen, war er auf dem Qinghai-Tibet-Plateau, in Shanghai, Paris (Frankreich) und Seoul (Südkorea).“

Der zweite Schritt ist die Reinigung. Jiang Wei erklärte: „Da das gewonnene Gas verschiedene chemische Komponenten enthält, müssen wir es zunächst mit anderen Gasen reagieren lassen, sodass nur Argon übrig bleibt.“

Schließlich wird das abgetrennte Argongas in einen Atomfallen-Spurenanalysator gegeben, um die Häufigkeit des Argon-39-Isotops zu messen und das Alter der Probe zu berechnen.

In dieser Studie verwendete das Team des USTC und der Yunnan-Universität die Argon-39-Datierungsmethode und ermittelte schließlich die Altersverteilung des gesamten Eiskerns, wobei das Alter der Unterseite 1.300 Jahre erreichte.

„Die jüngsten Ergebnisse einer Zusammenarbeit haben zum ersten Mal das enorme Potenzial von Argon-39 in der absoluten Datierungsforschung an Jahrtausend-Eisbohrkernen bestätigt.“ Tian Lide sagte, dass die Argon-39-Datierungstechnologie auch zur Datierung anderer Eisbohrkerne auf dem Qinghai-Tibet-Plateau verwendet werden könne. Damit werde das Problem der absoluten Datierung von Eisbohrkernen gelöst, an dem Geowissenschaftler seit vielen Jahren nicht zu arbeiten vermochten.

Pläne zur Einrichtung eines globalen Isotopen-Erkennungszentrums

Im Laser Trace Detection and Precision Measurement Laboratory des USTC ist die optische Plattform des Instruments zur Analyse von Atomfallenspuren mit einer beeindruckenden Reihe optischer Komponenten ausgestattet.

Jiang Wei erklärte: „Diese optischen Komponenten haben feste Positionen und sind nicht zufällig platziert. Die Studenten verbrachten mehrere Monate damit, sie zu installieren und zu debuggen, sodass der komplexe optische Pfad Laser einer bestimmten Frequenz zum Einfangen und Erkennen von Argon-39-Atomen erzeugen kann.“

Darüber hinaus sind die neuesten Instrumente viel effizienter. „Im Jahr 2010 haben wir in den USA ein Experiment mit natürlich vorkommendem Argongas durchgeführt. Damals konnte innerhalb von fünf Stunden nur ein einziges Argon-39-Atom beobachtet werden.“ Lu Zhengtian sagte, dass man am USTC jetzt mit den neuesten Instrumenten zur Messung von Argongas derselben Häufigkeit 10 Argon-39-Atome pro Stunde nachweisen könne und die Zählrate im Vergleich zu damals um etwa das 50-fache gestiegen sei.

In dieser Studie verglichen die Forscher außerdem die Ergebnisse der Argon-39-Datierung mit der Altersskala der Eiskerne, die auf der Grundlage der Mehrjahresschichtmethode erstellt wurde, korrigierten diese, schränkten das Gletscherflussmodell ein und erstellten schließlich eine neue Altersskala der Eiskerne auf Grundlage der Argon-39-Ergebnisse.

„Dieser Artikel wird bei Eiskernforschern, Paläoklimatologen und Experten für die Datierung mittels Radioisotopen auf großes Interesse stoßen“, sagte ein anderer Gutachter.

Das Team von Lu Zhengtian und Jiang Wei widmet sich seit langem der Entwicklung hochempfindlicher Detektionstechnologien für Edelgasisotope wie Krypton-81 und Argon-39, damit diese in der hochmodernen Geoforschung wirklich eingesetzt werden können. Dank modernster Messtechnologie konnten Wissenschaftler im In- und Ausland zusammenarbeiten und in Forschungsbereichen wie Grundwasser, Gletscher und Ozeane eine Reihe von Fortschritten erzielen. Dies verdeutlicht die Rolle neuer Technologien bei der Förderung innovativer Forschung.

Lu Zhengtian sagte: „Im nächsten Schritt wird das Team die Entwicklung von Instrumenten zur Spurenanalyse von Atomfallen fortsetzen und die Leistung verschiedener Indikatoren verbessern, um sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in den Geowissenschaften zu machen. Andererseits plant das Team die Einrichtung eines internationalen Zentrums zur Isotopenerkennung in Hefei, um mit Forschungsgruppen aus aller Welt zusammenzuarbeiten. Damit hoffen wir, chinesischen Geowissenschaftlern zu bedeutenden, originellen Ergebnissen zu verhelfen und eine führende Rolle in der internationalen Zusammenarbeit zu spielen.“