Wissenschaftler entschlüsseln die komplexe Komplexität von Radiokohlenstoff in Eisbohrkernen

ANSTO-Wissenschaftler Dr „) und das flache Eis darunter an einer Eisansammlungsstelle in Grönland.

Der Erkenntnisse die von einem großen internationalen Team unter der Leitung der University of Rochester (USA) veröffentlicht wurden Die Kryosphäre haben Auswirkungen auf alle Messungen mit 14C in Eisschilden.

„Atomjäger“ Dr. Smith arbeitet seit langem mit A/Prof. Vasilii Petrenko und dem Team an der Universität Rochester zusammen und extrahiert atmosphärische Spurengase aus arktischen und antarktischen Eiskernen, hauptsächlich um unser Verständnis des vergangenen globalen atmosphärischen Methanhaushalts zu verbessern.

Diese Forschung hat Auswirkungen auf die Interpretation von Isotopenmessungen kohlenstoffhaltiger Gase wie CO (Kohlenmonoxid), Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4), die aus früherer Luft gewonnen werden, die in der Firnschicht oder tiefer in Eiskernblasen eingeschlossen ist.

„Die Radiokohlenstoffkomponente dieser Gase, 14CO, 14CO2 und 14CH4, liefert unschätzbare Einblicke in die Bewegung von Kohlenstoff im Kohlenstoffkreislauf. Dies ist besonders wichtig für Methan, da dieses Gas derzeit etwa 23 % zur globalen Erwärmung beiträgt, die wir erleben.“ “ erklärte Dr. Smith.

„Da Methan eine relativ kurze Lebensdauer von etwa neun Jahren in der Atmosphäre hat, wird die Reduzierung unserer Methanemissionen einen viel schnelleren Einfluss auf den Klimawandel haben als bei Kohlendioxid. Methan wird größtenteils durch eine sehr reaktive Verbindung, das Hydroxyl, aus der Atmosphäre entfernt radikal,‘ OH“, fügte er hinzu.

Durch die Messung von 14CO können wir verstehen, wie sich dieses sehr kurzlebige „Reinigungsmittel der Atmosphäre“ in der Vergangenheit auf globaler Ebene verändert hat. Das Team führt derzeit ähnliche Arbeiten in zeitgenössischer Atmosphäre unter dem Dach des FETCH4-Projekts durch.

Die Menge an Kohlenstoff, die aus diesen Gasen, die wiederum aus der Luft im Firn oder in Eiskernblasen gewonnen werden, extrahiert werden kann, ist winzig. Selbst bei den relativ umfangreichen Proben, die das Team vor Ort entnimmt, liegen die Probengrößen in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrogramm Kohlenstoff oder weniger.

„Die Mikro-14C-Fähigkeit des Center for Accelerator Science ist für den Erfolg dieser sehr anspruchsvollen und wichtigen Arbeit von entscheidender Bedeutung. Die Techniken und das Vertrauen, die das Forschungsteam über Jahrzehnte entwickelt hat, sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung“, sagte Dr. Smith

Bereits Ende der 90er Jahre begann er im Rahmen eines Projekts des National Greenhouse Advisory Committee mit der Messung von 14 °C CO2 in Firn- und Eisluft. Beim Verdichten von Firn wird Luft als Blasen im Eis eingeschlossen. Bis dahin steht die Luft immer noch mit der Atmosphäre in Kontakt, und zwar über immer gewundenere Wege mit zunehmender Tiefe.

Die Schließung erfolgt schrittweise in der Übergangsregion. Aus diesem Grund ist die Luft immer jünger als das Eis, das die Blasen enthält, und es gibt eine Altersspanne, die aufgrund unterschiedlicher Diffusionskoeffizienten für jedes Gas unterschiedlich ist. Dieser Prozess muss verstanden und mit Modellen „rückwärts ausgeführt“ werden, um die in den Blasen eingeschlossenen Luftaufzeichnungen zu interpretieren.

„Es stellt sich heraus, dass der ‚Radiokohlenstoffbombenimpuls‘, der in den 50er und 60er Jahren durch oberirdische Atomtests erzeugt wurde, einen scharfen und gut gemessenen Impuls von 14CO2 in der Atmosphäre erzeugte. Messungen in Firnluft- und Eiskernblasen bewiesen.“ nützlich bei der Optimierung der numerischen Modellierung, die den Lufteinschlussprozess beschreibt, und wir haben diese Technik seitdem an zahlreichen Standorten eingesetzt“, sagte Dr. Smith.

Allerdings wurde damals klar, dass die Produktion von 14C im Eis selbst durch die Wechselwirkung von Neutronen und Myonen mit den Sauerstoffatomen im H2O verstanden werden musste, um ein vollständiges Bild zu entwickeln.

„Dies ist den Forschern bisher entgangen, da die verschiedenen Luftabsaugtechniken, das Schmelzen, Reiben, Mahlen und Sublimieren des Eises zu unterschiedlichen Verhältnissen von atmosphärischem und in situ14C führten und die Wahl des Standorts, ob eine sich ansammelnde Eisdecke oder eine abschmelzende Eisdecke, brachte auch unterschiedliche Ergebnisse.

„Ein detailliertes Verständnis der in situ kosmogenen 14C-Produktion, -Retention und -Verlust im Eis ist erforderlich, um die eingeschlossenen atmosphärischen und in situ kosmogenen Komponenten zu entwirren“, erklärte Dr. Smith.

„Interessanterweise sind wir dabei, diese neuen Erkenntnisse zu nutzen, um ein sehr ehrgeiziges Projekt an einem abgelegenen Standort in der Antarktis zu starten, über 1000 km von der Küste entfernt und 3 km über dem Meeresspiegel auf dem antarktischen Plateau“, sagte er.

„Ein sechsköpfiges Team ist im Begriff, zum Dome Concordia zu reisen, wo sie zwischen November 2024 und Februar 2025 an diesem speziell ausgewählten Standort Eiskerne bohren und das Eis schmelzen, um die darin enthaltene Luft freizusetzen. Aufgrund der sehr geringen Schneeansammlungsrate zu diesem Zeitpunkt Am Standort wird das In-situ-14C-Signal das atmosphärische Signal dominieren.

„Messungen des 14CO am Zentrum später im Jahr 2025 werden es uns ermöglichen, den Fluss hochenergetischer kosmischer Strahlung in den letzten 7000 Jahren zu rekonstruieren, Erkenntnisse, die bisher aus Meteoritenstudien abgeleitet wurden. Wir gehen davon aus, dass unsere Arbeit hier deutlich besser wird.“ „Das Team muss die Arbeiten vor dem Winter abschließen, da die Temperaturen auf -70 °C oder darunter sinken.“

Gasdiffusion im Firn und in situ14C-Produktion

Der sich verdichtende Schnee (Firn) ist porös und wird nach und nach zu Eis komprimiert, wodurch die Luft in Blasen eingeschlossen wird, die sich dann mit dem Eis nach unten bewegen. Die eingeschlossene Luft enthält 14C aus der kosmogenen Produktion in der Luft als 14CO2, 14CO und 14CH4. Allerdings wird 14C auch in situ durch Neutronen(n)-Spallation von O-Atomen im H2O (Eis), langsamen Myoneneinfang (𝜇-) und durch Wechselwirkungen mit schnellen Myonen (𝜇f, > 10GeV) erzeugt.

Die Neutronenproduktion findet nur in den obersten ~ 20 m Eisäquivalenttiefe statt, während die Myonenproduktion in viel größeren Tiefen erfolgt. „Heiße“ in situ14C-Atome erzeugen 14CO2, 14CO und 14CH4. Das meiste in situ14C tritt aus der Firnschicht aus, bleibt aber darunter zurück.