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Edelgas-Isotope zur Wasserdatierung

Hilfe bei der Suche nach der Nadel im Heuhaufen: Heidelberger Physiker machen Methode zum Nachweis extrem seltener Edelgas-Isotope zur Wasserdatierung nutzbar.




Abbildung: Aufbau der Apparatur im Labor. [Bildquelle: C. Kaup]
Argon-39 Nachweis

In den Erd- und Umweltwissenschaften spielen radioaktive Isotope, also über die Zeit zerfallende Varianten von Atomen, eine große Rolle für die Altersbestimmung.

So lässt sich zum Beispiel mit Hilfe eines radioaktiven Isotops des Edelgases Argon (39Ar) das Alter von Wasser oder Eis bestimmen. Allerdings sind solche Isotope extrem selten - unter einer Billiarde Argon-Atomen findet sich nur ein einziges 39Ar. Damit gleicht für Wissenschaftler der Versuch, diese Atome abzutrennen und nachzuweisen, der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Physikern der Universität Heidelberg ist es nun gelungen, eine im Rahmen von Grundlagenforschung entwickelte experimentelle Methode erstmals für die Grundwasserdatierung mittels 39Ar nutzbar zu machen. Diese Forschungsergebnisse, die im geowissenschaftlichen Journal "Geophysical Research Letters" veröffentlicht wurden [siehe Literatur-Hinweis unten], eröffnen nach Angaben der Wissenschaftler neue Perspektiven für Untersuchungen zu Gletschereis und zur Tiefenwasserzirkulation im Ozean.

Das bekannteste Beispiel für Altersbestimmung mit radioaktiven Isotopen ist der Radiokohlenstoff, ein Kohlenstoff-Isotop, das sich zur Datierung von organischem Material in der Umwelt, aber auch in archäologischen Fundstücken eignet. In ähnlicher Weise kann aus der Häufigkeit radioaktiver Isotope der Edelgase Argon und Krypton bestimmt werden, wann sich beispielsweise Grundwasser, Tiefenwasser im Ozean oder Gletschereis gebildet hat. Zum Abtrennen und Nachweisen der seltenen Atome aus dem Wasser kommen innovative experimentelle Methoden zum Einsatz, die im Rahmen der Grundlagenforschung zu quantenmechanischen Systemen entwickelt und perfektioniert wurden. Die Wissenschaftler des Kirchhoff-Instituts für Physik und des Instituts für Umweltphysik der Universität Heidelberg konnten nun die unter dem Begriff "Atom Trap Trace Analysis" oder kurz ATTA bekannte Methode erstmals für die Grundwasserdatierung mit Hilfe von Argon-39 anwenden.

Mitarbeiter der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Werner Aeschbach-Hertig in der Umweltphysik trennten dazu zunächst aus mehr als 1.000 Litern Grundwasser reines Argon ab. In einer eigens dafür entwickelten ATTA-Apparatur "fing" das Team von Prof. Dr. Markus Oberthaler am Kirchhoff-Institut die 39 Argon-Isotope ein und wies sie einzeln nach. Dieser Erfolg einer jahrelangen gemeinsamen Entwicklungsarbeit öffnet nun die Tür für eine Vielzahl neuer Anwendungen der 39Argon-Datierung, wie die Wissenschaftler betonen. "Das Projekt ist ein hervorragendes Beispiel dafür, dass Methoden, die in der Grundlagenforschung zu quantenmechanischen Eigenschaften entwickelt wurden, auch neue Möglichkeiten in der Anwendung bieten", erklärt Prof. Oberthaler. Der Erstautor der Studie, Dr. Florian Ritterbusch, ist davon überzeugt, dass weitere Verbesserungen der Messmethode möglich sind: "Im Prinzip sollte ein Liter Wasser für eine Messung genügen." Diese Fortschritte sollen bald die ersten Messungen von 39Ar an Gletschereis aus den Alpen ermöglichen. Das größte Potenzial bietet Argon-39 nach Angaben der Forscher aber für die Untersuchung der Tiefenwasserzirkulation im Ozean. "Dazu müssen wir in der Lage sein, Proben von weniger als zehn Liter Wasser mit ausreichender Genauigkeit messen zu können", meint Prof. Aeschbach-Hertig.

Die Pioniere der neuen Messmethode vom US-amerikanischen Argonne National Laboratory organisierten 2012 in Chicago einen speziellen ATTA-Workshop, um die möglichen Anwendungen von Krypton-Isotopen in den Erd- und Umweltwissenschaften zu diskutieren. Im März 2015 wird die Heidelberger ATTA-Kollaboration eine Neuauflage dieses Treffens organisieren. Durch die in Heidelberg erzielten Fortschritte bei der Arbeit mit 39Ar hat sich das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten nochmals deutlich vergrößert, wie die Wissenschaftler betonen. "Die neue Methode stellt damit auch eine innovative Erweiterung der in Heidelberg vorhandenen und im Heidelberg Center for the Environment gebündelten starken Kompetenz in Isotopen- und Datierungsmethoden dar", sagt Prof. Aeschbach-Hertig.

Markus Oberthaler leitet am Kirchhoff-Institut für Physik die Arbeitsgruppe Synthetische Quantensysteme. Werner Aeschbach-Hertig ist Leiter der Gruppe Aquatische Systeme am Institut für Umweltphysik und zugleich Direktor des Heidelberg Center for the Environment (HCE).


Zusatzinformationen:

F. Ritterbusch, S. Ebser, J. Welte, T. Reichel, A. Kersting, R. Purtschert, W. Aeschbach-Hertig und M. K. Oberthaler:
Groundwater dating with Atom Trap Trace Analysis of 39Ar.
In: Geophysical Research Letters; online veröffentlicht am 02. Oktober 2014, DOI 10.1002/2014GL061120

Quelle: Ruprecht-Karls-Universität, Heidelberg

 


Aktualisiert am 15.10.2014.



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