Måling af individuelle argonatomer hjælper med at forstå havventilation

Alderen på vandet i verdenshavene er afgørende for forståelsen af ​​oceanernes cirkulation, især til transport af gasser fra atmosfæren til det dybe hav. Forskere fra Heidelberg Universitet brugte for nylig en atomfysisk teknik, de udviklede til at bestemme alderen på dybhavsvand, der spænder fra 50 til 1, 000 år. Denne nye datingmetode, som måler individuelle argon atomer, blev brugt i et pilotstudie i Nordatlanten. Forsøgene er en del af et tværfagligt projekt med oceanografer fra GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Verdenshavenes cirkulation har stor betydning for livet i havet såvel som for det globale klimasystem. For fremtidige klimaprognoser, det er vigtigt at forstå ikke kun, hvor dybt vand tilføres frisk ilt, men også hvor hurtigt og i hvilke mængder havene absorberer menneskeskabt CO2-drivhusgas fra luften. For at gøre det kræver det at kende alderen på det dybe vand. Hvor lang tid tager det for vand fra overfladen at nå et bestemt sted i havets indre? I perioder på op til omkring 50 år, der er flere dating metoder. Men for ældre vand – og dermed det meste af havet – har der indtil nu ikke været nogen optimal dateringsmetode, understreger Heidelberg-forskerne.

Den sjældne radioaktive isotop 39Ar af ædelgassen argon (Ar) bruges til datering. Med en halveringstid på 269 år, den er især velegnet til 50- til 1, 000 års rækkevidde. Denne tidsperiode er afgørende for at forstå overfladevandets bevægelse ind i det dybe hav. Men der er kun et enkelt atom af den eftertragtede 39Ar-isotop i tusind milliarder (1015) argonatomer i atmosfæren og overfladevandet. Hvor mange af disse isotoper kan stadig påvises på dybt vand, der ikke har haft kontakt med atmosfæren i nogen tid? Indtil nu, at besvare dette spørgsmål krævede en betydelig indsats og en enorm stikprøvestørrelse. Heidelberg-forskerne har nu tilpasset en fundamentalt ny målemetode, Atom Trap Trace Analysis (ATTA), især for 39Ar.

Ved at bruge denne metode, forskergruppen ledet af prof. Dr. Markus Oberthaler ved Kirchhoff Institute for Physics var i stand til at reducere den stikprøvestørrelse, der var nødvendig for at datere, fra minimum 1, 000 liter vand til fem. "I modsætning til konventionelle metoder, vi venter ikke på, at isotopen spontant henfalder for at fange den; vi bremser atomerne ved hjælp af moderne laserteknologi, fange dem i atomfælder, og selektivt tælle individuelle atomer, " forklarer Dr. Sven Ebser, undersøgelsens primære forfatter. Hver isotop reagerer på minimalt forskelligt laserlys, som fysikerne bruger til deres fordel i denne proces. Denne lille effekt i bølgelængden er nok til at "manipulere" og detektere de ønskede 39Ar-atomer, mens alle de andre atomer frit kan passere gennem atomfælden uobserveret.

"39Ar-metoden var kun tilgængelig for vores arbejde på grund af den stærkt reducerede stikprøvestørrelse, " forklarer oceanograf Dr. Toste Tanhua fra GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research. Som pilotundersøgelsen ud for Kap Verde-øerne viste, metoden gør det muligt for forskerne at identificere meget mere præcist, hvornår en vandprøve sidst har været i kontakt med atmosfæren. Dette giver ny indsigt i sporstoffers bevægelse i havet. I området undersøgt på dybder mellem 1, 000 og 2, 000 meter, for eksempel, der var betydelig mindre blanding end antaget. Beregningerne peger på, at der optages mere CO2 fra atmosfæren end hidtil antaget. "Jeg er sikker på, at et globalt 39Ar-datasæt vil føre til helt nye opdagelser om havcirkulation og 'respirationen' af verdenshavene, " fastslår Dr. Tanhua.

"Den nye målemetode vil gavne ikke kun havforskning, men også grundvands- og isforskning, " tilføjer Prof. Dr. Werner Aeschbach fra Institut for Miljøfysik ved Heidelberg Universitet. Ifølge Prof. Oberthaler, projektet er et glimrende eksempel på, hvordan grundforskning i atomfysik kan føre til opdagelser på i første omgang totalt uafhængige områder.