De leeftijd van het water in de oceanen van de wereld is van cruciaal belang voor het begrijpen van de oceaancirculatie, vooral voor het transport van gassen uit de atmosfeer naar de diepe oceaan. Onderzoekers van de Universiteit van Heidelberg gebruikten onlangs een atoomfysica-techniek die ze ontwikkelden om de leeftijd van diep oceaanwater te bepalen, variërend van 50 tot 1, 000 jaar. Deze nieuwe dateringsmethode, die individuele argonatomen meet, werd gebruikt in een pilootstudie in de Noord-Atlantische Oceaan. De experimenten zijn onderdeel van een interdisciplinair project met oceanografen van het GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De circulatie van de wereldzeeën is van groot belang voor het leven in de oceaan en voor het mondiale klimaatsysteem. Voor toekomstige klimaatprognoses, het is belangrijk om niet alleen te begrijpen hoe diep water van verse zuurstof wordt voorzien, maar ook hoe snel en in welke hoeveelheden de oceanen door de mens gegenereerd CO2-broeikasgas uit de lucht opnemen. Om dat te doen, moet je de ouderdom van het diepe water kennen. Hoe lang duurt het voordat water van het oppervlak een specifieke locatie in het binnenste van de oceaan bereikt? Voor perioden tot ongeveer 50 jaar, er zijn meerdere dateringsmethoden. Maar voor ouder water - en dus het grootste deel van de oceaan - is er tot nu toe geen optimale dateringsmethode geweest, benadrukken de Heidelbergse onderzoekers.

Voor de datering wordt de zeldzame radioactieve isotoop 39Ar van het edelgas argon (Ar) gebruikt. Met een halfwaardetijd van 269 jaar, het is vooral geschikt voor de 50- tot 1, 000 jaar bereik. Deze periode is van cruciaal belang voor het begrijpen van de beweging van oppervlaktewater naar de diepe oceaan. Maar er is slechts één atoom van de gewilde 39Ar-isotoop in duizend miljard (1015) argonatomen in de atmosfeer en het oppervlaktewater. Hoeveel van deze isotopen zijn er nog te detecteren in diep water dat al een tijdje geen contact meer heeft met de atmosfeer? Tot nu, het beantwoorden van deze vraag vergde een aanzienlijke inspanning en een enorme steekproefomvang. De Heidelberg-onderzoekers hebben nu een fundamenteel nieuwe meetmethode aangepast, Atom Trap Trace-analyse (ATTA), speciaal voor 39Ar.

Met behulp van deze methode, de onderzoeksgroep onder leiding van prof. dr. Markus Oberthaler van het Kirchhoff Institute for Physics was in staat om de steekproefomvang die nodig is voor datering te verkleinen van het minimum van 1, 000 liter water tot vijf. "In tegenstelling tot conventionele methoden, we wachten niet tot de isotoop spontaan vervalt om hem te vangen; we vertragen de atomen met behulp van moderne lasertechnologie, vang ze in atoomvallen, en selectief individuele atomen tellen, " legt Dr. Sven Ebser uit, de hoofdauteur van het onderzoek. Elke isotoop reageert op minimaal ander laserlicht, die de natuurkundigen in dit proces in hun voordeel gebruiken. Dit kleine effect in de golflengte is voldoende om de gewenste 39Ar-atomen te "manipuleren" en te detecteren, terwijl alle andere atomen ongemerkt vrij door de atoomval kunnen gaan.

"De 39Ar-methode was alleen beschikbaar voor ons werk vanwege de sterk verminderde steekproefomvang, " legt oceanograaf Dr. Toste Tanhua van het GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research uit. Zoals de pilotstudie voor de Kaapverdische eilanden aantoonde, de methode stelt de onderzoekers in staat om veel nauwkeuriger vast te stellen wanneer een watermonster voor het laatst contact heeft gehad met de atmosfeer. Dit levert nieuwe inzichten op in de beweging van sporenstoffen in de oceaan. In het onderzochte gebied op een diepte tussen 1, 000 en 2, 000 meter, bijvoorbeeld, er was aanzienlijk minder vermenging dan aangenomen. De berekeningen geven aan dat er meer CO2 uit de atmosfeer wordt opgenomen dan eerder werd gedacht. "Ik ben er zeker van dat een wereldwijde 39Ar-dataset zal leiden tot geheel nieuwe ontdekkingen over de oceaancirculatie en de 'ademhaling' van de oceanen van de wereld, " zegt Dr. Tanhua.

"De nieuwe meetmethode zal niet alleen het oceaanonderzoek ten goede komen, maar ook het grondwater- en ijsonderzoek, " voegt Prof. Dr. Werner Aeschbach van het Instituut voor Milieufysica aan de Universiteit van Heidelberg toe. Volgens Prof. Oberthaler, het project is een uitstekend voorbeeld van hoe fundamenteel onderzoek in de atoomfysica kan leiden tot ontdekkingen in aanvankelijk totaal niet-gerelateerde gebieden.