Das Team entwickelt laserbasierte Eiskernproben zur Untersuchung des Klimawandels

Forscher unter der Leitung von Yuko Motizuki vom Astro-Glaziologie-Labor am RIKEN Nishina Center in Japan haben ein neues laserbasiertes Probenahmesystem zur Untersuchung der Zusammensetzung von Eiskernen aus Gletschern entwickelt. Das neue System verfügt über eine Tiefenauflösung von 3 mm – etwa dreimal kleiner als die derzeit verfügbare – und kann somit Temperaturschwankungen erkennen, die in der Vergangenheit über viel kürzere Zeiträume aufgetreten sind.

Der neue Laserschmelzprobenehmer (Laser Melting Sampler, LMS) soll dazu beitragen, kontinuierliche jährliche Temperaturänderungen zu rekonstruieren, die vor Tausenden bis Hunderttausenden von Jahren aufgetreten sind, was Wissenschaftlern helfen wird, den Klimawandel in Vergangenheit und Gegenwart zu verstehen. Die Studie wurde im veröffentlicht Zeitschrift für Glaziologie am 19. September.

Baumringe können uns sagen, wie alt ein Baum ist, und die Farbe und Breite der Ringe können uns etwas über das lokale Klima in diesen Jahren verraten. Das jährliche Wachstum der Gletscher kann uns eine ähnliche Geschichte erzählen, allerdings über einen viel längeren Zeitraum. Wissenschaftler untersuchen vergangene Klimaveränderungen, indem sie zylindrische Eiskerne analysieren, die aus Gletschern entnommen wurden.

Durch die Entnahme von Proben in regelmäßigen Abständen entlang der Bohrkerne können Forscher kontinuierliche Temperaturprofile rekonstruieren. Dies ist jedoch bei Proben aus tieferen Lagen nicht möglich, wo die jährliche Ansammlung oft auf Subzentimeter komprimiert ist.

Derzeit gibt es zwei Standardmethoden zur Probenahme von Eiskernen. Eines hat eine Tiefengenauigkeit von etwa 1 cm, was bedeutet, dass Daten aus Jahren mit einer Akkumulation von weniger als 1 cm verloren gehen und alle einmaligen Ereignisse, die zu einer akuten Klimaveränderung führten, übersehen würden. Die andere Methode hat eine gute Tiefengenauigkeit, zerstört aber den Teil der Probe, der für die Analyse des Wassergehalts benötigt wird – die wichtigste Methode, mit der Wissenschaftler vergangene Temperaturen berechnen.

Der neue Laserschmelzprobenehmer überwindet diese beiden Probleme. Es verfügt über eine hohe Tiefengenauigkeit und zerstört nicht die kritischen Sauerstoff- und Wasserstoffisotope im Wasser, die für die Rückführung auf vergangene Temperaturen erforderlich sind.

Das LMS-System sendet einen Laserstrahl durch eine optische Faser mit einer speziellen Silberdüse, pumpt die flüssige Probe schnell heraus und füllt sie schließlich in Edelstahlfläschchen ab. Nachdem die spezielle Hardware zusammengebaut war, experimentierten die Forscher, um drei kritische Teile des Prozesses zu optimieren: die Leistung des Lasers, die Geschwindigkeit, mit der die Düse in den Kern eingeführt wird, während der Laser das Eis schmilzt, und die Geschwindigkeit, mit der die Düse in den Kern eingeführt wird Die flüssige Probe wird abgesaugt.

Mit der Optimierung könnten die Forscher das Eis so schnell wie möglich schmelzen, eine Überhitzung des Lasers verhindern und verhindern, dass das Schmelzwasser zu heiß wird, was die kritischen Isotope destabilisieren und korrekte Temperaturmessungen verhindern würde.

Als Proof-of-Concept-Experiment beprobte das Team ein 15-cm-Segment eines 50-cm-Dome-Fuji-Flacheiskerns, der etwa ein Fußballfeld (ca. 92 m) unter der Eisoberfläche in der Ostantarktis entnommen wurde. In einem Test konnten sie 51 einzelne Proben in regelmäßigen Abständen von 3 mm entlang des Eiskernsegments entnehmen. Sie maßen die stabilen Sauerstoff- und Wasserstoffisotope, aus denen das aus den Proben extrahierte Schmelzwasser bestand, und stellten fest, dass sie gut mit denen übereinstimmten, die durch manuelle Segmentierung gewonnen wurden, ein Verfahren, das nur in diesem Forschungsumfeld praktikabel ist. Eine gute Übereinstimmung bedeutet, dass der Laserschmelzprozess die Probe nicht zerstört hat und die abgeleiteten Temperaturen korrekt wären.

Motizuki sagt: „Mit unserer Laserschmelzmethode ist es jetzt möglich, stabile Wasserisotope mit einer Tiefenauflösung von wenigen Millimetern zu analysieren. Dies wird es Forschern ermöglichen, kontinuierliche, langfristige, jährlich aufgelöste Temperaturprofile zu erhalten, selbst in tiefen Eiskernen.“ gesammelt an Standorten mit geringer Akkumulation in der Antarktis, sowie vorübergehende Ereignisse wie plötzliche Temperaturänderungen, die in ihnen aufgezeichnet werden.“

Als nächstes planen die Forscher, das LMS-System oder eine aktualisierte nächste Version zu verwenden, um den Klimawandel im Zusammenhang mit natürlichen Schwankungen der Sonnenaktivität zu untersuchen