Glasagtig menageri af partikler i strandsand nær Hiroshima er nedfaldsrester:undersøgelse

Mario Wannier, en karrieregeolog med ekspertise i at studere lille havliv, sorterede metodisk gennem partikler i prøver af strandsand fra Japans Motoujina-halvø, da han opdagede noget uventet:en række små, glasagtige kugler og andre usædvanlige genstande.

Wannier, som nu er pensioneret, havde sammenlignet biologisk affald i strandsand fra forskellige områder i et forsøg på at måle sundheden for lokale og regionale marine økosystemer. Arbejdet involverede at undersøge hver sandpartikel i en prøve under et mikroskop, og med en fin børste, adskille partikler af interesse fra sedimentkorn i en bakke til yderligere undersøgelse.

En overraskelse i sandkornene:glasagtige partikler

"Jeg havde set hundredvis af strandprøver fra Sydøstasien, og jeg kan umiddelbart skelne mineralkorn fra partikler skabt af dyr eller planter, så det er meget nemt, " sagde han. I Motoujinas sand, indsamlet af Wanniers kollega, Marc de Urreiztieta, han fandt velkendte spor af encellede organismer kendt som foraminiferer, som kommer i forskellige former. De har typisk skaller og opholder sig i og omkring havbundens sediment.

"Men der var noget andet ... det er så tydeligt, når man ser på prøverne, " sagde han. "Du kunne ikke gå glip af disse fremmede partikler. De er generelt aerodynamiske, glasagtig, afrundede – disse partikler mindede mig straks om nogle sfæruler (afrundede) partikler, jeg havde set i sedimentprøver fra grænsen mellem Kridt og tertiær, "den såkaldte K-T-grænse, der nu omtales som Kridt-Paleogen-grænsen (K-Pg), der markerede en planetarisk masseudryddelse, inklusive dinosaurernes uddøen, omkring 66 millioner år siden.

I 1980, Luis Alvarez, en nobelprismodtager, der arbejdede på Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, sammen med sin søn, geolog Walter Alvarez, foreslået en teori, baseret på en høj koncentration af iridium i aflejringer ved K-Pg-grænsen, at et stort meteoritnedslag forårsagede denne massive uddøen. Sammen med nyere beviser, forskere mener nu, at påvirkningen skete i regionen Yucatan-halvøen. Ved meteoritnedslag, flydende jordmateriale kastes ud i atmosfæren, danner dråber af glasagtigt materiale, der falder tilbage til jorden.

Nogle af de glasagtige sfærer, som Wannier undersøgte, så ud til at være smeltet sammen med andre sfærer, og andre udstillede halelignende træk. Mens nogle af de glasagtige partikler lignede dem, der var forbundet med meteoritnedslag, andre, som Wannier fandt, var ikke så velkendte - blandt dem var partikler med en gummilignende sammensætning og partikler med en række forskellige materialer belagt i et lag eller flere lag af glas eller silica. Mange af partiklerne målte omkring 0,5 millimeter til 1 millimeter på tværs.

Wannier anede på det tidspunkt ikke, at dette glasagtige menageri af partikler, han stødte på, ville føre til en årelang forskningsindsats, der ville involvere videnskabsmænd og eksperimenter ved Berkeley Lab og UC Berkeley. Indsatsen ville i sidste ende afsløre mangfoldigheden og unikheden af ​​de undersøgte partikler, inklusive usædvanlige kemiske og mineralske blandinger; det eksotiske højtemperatur- og højtryksmiljø, hvori de er dannet; og potentialet for nye opdagelser i yderligere udforskninger.

Koncentration, volumen af ​​materiale peger på A-bombe

Efter dette første fund i 2015, Wannier rejste til Japan for at indsamle flere strandsandprøver fra samme region, nær byen Hiroshima.

I alle disse prøver, der var mellem 12,6 til 23,3 gram af disse sfæroider og andre usædvanlige partikler for hvert kilogram (2,2 pund) sand. Dette mærkelige udvalg af glasagtige partikler tegnede sig for mellem 0,6 procent til 2,5 procent af alle de korn, der blev undersøgt. Wannier plukkede omkring 10, 000 af disse partikler fra sandet og sorterede dem i seks forskellige grupper efter deres fysiske egenskaber.

De konsekvent høje koncentrationer af dette mærkelige udvalg af partikler i strandsand indsamlet omkring 4 til 7 miles fra byen Hiroshima rejste hans mistanke om, at de kan være relateret til atombombeeksplosionen, der ødelagde Hiroshima om morgenen den 6. august. 1945. Den bombe havde øjeblikkeligt dræbt 70, 000 eller flere mennesker, med et endeligt dødstal, der tegner sig for de tilhørende strålingseffekter, der muligvis overstiger 145, 000. Bomben og de resulterende ildstorme jævnede for det meste et område, der målte mere end 4 kvadratkilometer, og ødelagde eller beskadigede anslået 90 % af strukturerne i byen.

Baseret på volumenet af det glasagtige affald fundet i strandsandet, Wannier og hans kolleger vurderede, at en kvadratkilometer, eller omkring 0,4 kvadratkilometer strandsand i området, opsamlet fra overfladen til en dybde på omkring 4 tommer, ville indeholde omkring 2, 200 til 3, 100 tons af partiklerne.

En undersøgelse med detaljerede analyser af materialet, offentliggjort i tidsskriftet Antropocæn , giver en udtømmende udforskning af de mange mulige kilder til de usædvanlige partikler, og konkluderer, at de er nedfald af en bombe fra den ødelagte by Hiroshima.

"Dette var den værste menneskeskabte begivenhed nogensinde, langtfra, " sagde Wannier. "I overraskelsen over at finde disse partikler, det store spørgsmål for mig var:Du har en by, og et minut senere har du ingen by. Der var spørgsmålet:'Hvor er byen ¬¬- hvor er materialet?' Det er en ære at have opdaget disse partikler. Det er en utrolig historie."

Forbindelse med Berkeley Lab, UC Berkeley for detaljerede analyser

Wannier og de Urreiztieta ønskede at lære mere om prøverne, så de kontaktede Rudy Wenk, en professor i mineralogi ved UC Berkeley og et mangeårigt Berkeley Lab-tilknyttet selskab - Wannier og Wenk havde begge studeret geologi ved University of Basel, Schweiz, årtier tidligere.

Wenk studerede først prøverne i Hiroshima-området ved hjælp af et elektronmikroskop. Dette muliggjorde en detaljeret udforskning af deres sammensætning og strukturer.

Han observerede en bred variation i den kemiske sammensætning af prøverne, herunder koncentrationer af aluminium, silicium og calcium; mikroskopiske kugler af kromrigt jern; og mikroskopisk forgrening af krystallinske strukturer. Andre bestod hovedsageligt af kulstof og ilt.

"Nogle af disse ligner det, vi har fra meteoritnedslag, men sammensætningen er helt anderledes, " sagde Wenk. "Der var ret usædvanlige former. Der var noget rent jern og stål. Nogle af disse havde sammensætningen af ​​byggematerialer."

For at indsamle yderligere detaljer om prøverne, Wenk henvendte sig til Berkeley Lab, hvor han og hans elever har udført mange elektronmikroskopi og røntgenforsøg gennem årene. Han tog udvalgte prøver til Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) og udførte en række målinger der.

Nobumichi "Nobu" Tamura, en stabsforsker ved ALS, som Wenk havde arbejdet med før, sammen med daværende ALS-kolleger Camelia Stan og Binbin Yue (Stan og Yue har siden forladt Berkeley Lab), assisteret med at analysere prøverne i en skala på mindre end 1 mikron, eller 1 milliontedel af en meter, ved hjælp af en teknik kendt som røntgenmikrodiffraktion.

Begge Tamuras forældre er født i Japan, og han sagde, at han personligt var interesseret i at deltage i undersøgelsen på grund af hans familie herkomst. "Min far var 12 år gammel, da bombningen skete, og boede kun 200 miles nord for Hiroshima, så han var direkte vidne til nyhederne og resultaterne af disse forfærdelige begivenheder, " sagde Tamura.

Forsøgene og relaterede analyser viste, at partiklerne var dannet under ekstreme forhold, med temperaturer over 3, 300 grader Fahrenheit (1, 800 Celsius), som det fremgår af samlingen af ​​anortit- og mullitkrystaller, som forskerne identificerede.

Tamura bemærkede, at den unikke mikrostruktur af de undersøgte partikler og det store volumen af ​​tilstedeværende smelteaffald også giver stærke beviser for, hvordan de blev dannet.

"Atomeksplosionshypotesen er den eneste logiske forklaring på deres oprindelse, " han sagde.

Undersøgelsen beskriver forskernes resultater

Mange af de kugleformede partikler og andre stumper er sandsynligvis dannet i en høj højde omkring eksplosionens stigende ildkugle. Materialerne, der blev fejet op fra jorden, boblede og blandede sig i dette turbulente miljø, før de afkølede og kondenserede og derefter regnede ned.

Wannier forklarede de processer, der sandsynligvis dannede materialerne i en atomsky:"Grundmaterialet fordampes og flyttes ind i skyen, hvor den høje temperatur ændrer den fysiske tilstand, " sagde Wannier. "Der er en masse interaktioner mellem partikler. Der er masser af små kugler, der støder sammen, og du får denne agglomeration."

Forskere fandt også ud af, at sammensætningen af ​​affaldspartiklerne stemmer nøje overens med materialer, der var almindelige i Hiroshima på tidspunktet for bombningen, såsom beton, marmor, rustfrit stål, og gummi.

Andre undersøgelser har analyseret smelteaffald fra Trinity-teststedet i New Mexico - hvor den første atomeksplosion blev udløst - og fra underjordiske nukleare teststeder i Nevada. Men disse prøver har en tydeligt anderledes sammensætning, der er forbundet med deres lokale geologiske miljø.

Trinity-affaldet kaldes trinit, og forskere i den seneste undersøgelse har døbt de smeltepartikler, de undersøgte, som Hiroshimaite for at fremhæve deres særskilte egenskaber og deres sandsynlige oprindelse i Hiroshima A-bombeeksplosionen.

"Hiroshimait-partikler er meget mere komplekse og forskelligartede end trinitter, Tamura sagde, på grund af deres sandsynlige tilblivelse i Hiroshimas bycentrum.

Mens der havde været en fælles international indsats for at hjælpe overlevende, der lider af strålingseffekter, at måle strålingsniveauer, og for at vurdere den samlede skade forårsaget af atombomben i 1945 i Hiroshima og Nagasaki, undersøgelsen bemærkede, at smelteaffaldet i forbindelse med disse bombninger tilsyneladende ikke tidligere var blevet undersøgt.

Den seneste undersøgelse opfordrer til yderligere test for at finde ud af, om nogen prøver indeholder radioaktive elementer, og at gennemføre yderligere undersøgelser i Hiroshima- og Nagasaki-områderne.

Planer for opfølgende undersøgelser

Wannier sagde, at han har modtaget jordprøver fra ground zero i Hiroshima og måske kigger efter affaldsprøver fra dybere undergrund der, og han har også modtaget en jordprøve indeholdende glasagtigt affald fra et vandløb omkring 19 miles nordvest for det sted, hvor Hiroshima A-bomben ramte - historiske optegnelser viser, at området var i vejen for atomskyen.

Han sagde, at han også håber at undersøge, om smelteaffaldet udviser ligheder med materialer, der er forbundet med vulkanudbrud.

Tamura og Wenk bemærkede, at denne indledende undersøgelse fokuserede på kun et lille antal smelteaffaldspartikler, og det kan være umagen værd at forfølge en større undersøgelse for at lære mere om de ekstreme forhold, der producerede affaldet, og for muligvis at afsløre mere unik kemi eller mineralogi.

Wenk tilføjede, "Det var ret fascinerende at se på alle disse materialer. Hvad vi håber er at få andre mennesker interesseret i at se på dette mere detaljeret, og i at lede efter eksempler omkring Nagasaki A-bombestedet."

Wenk sendte en kopi af den seneste undersøgelse til Jun-Ichi Ando, en professor i Department of Earth and Planetary Systems Science i Graduate School of Science ved Hiroshima University – de havde mødt hinanden, mens Wenk tjente som gæsteprofessor ved Hiroshima University i 1998.

"Jeg tror, ​​at denne form for forskning er meget vigtig for Hiroshima University, som et universitet beliggende på A-bombestedet, "Ando sagde, bemærkede, at han delte undersøgelsen med en kollega, der er mineralog og studerer Yucatan-regionens meteoritnedslag. Han delte det også med Rebun Kayo, en forskningsstipendiat på universitetet, der leder en opsøgende gruppe, der øger bevidstheden om atomvåben ved at dele bombeforskrækkede Hiroshima-tagsten og mursten med institutioner rundt om i verden.

I en uafhængig indsats, Ando har studeret en stor del af granit i forbindelse med atombombekuppelstrukturen i Hiroshima - det var den eneste bygning, der forblev stående i nærheden af ​​nulpunktet. Kayo fandt og genfandt granitstykket fra en lokal flodleje nær den kuppelformede bygning i 2017. Den er også kendt som Genbaku Dome eller Hiroshima Peace Memorial.

"Jeg forsøgte at finde beviser for smeltning og chokbølgen registreret på overfladen af ​​granitsøjlen" ved hjælp af elektronmikroskopi, Ando sagde - hans egen forskning fokuserer typisk på mikrostrukturer af sten i seismiske forkastninger.

Wannier sagde, at affaldsstudiet har været en oplysende rejse for ham, og han håber at fortsætte med forskningen. "I mere end 70 år har dette materiale været der og blev aldrig studeret i detaljer. Vi håber, at dette vækker opmærksomhed blandt det videnskabelige samfund, " han sagde.

"Vi håber, at folk benytter sig af denne mulighed."