De rol van sporenelementen als paleo-klimaatproxy's is onderzocht in door ANSTO geleid collaboratief milieuonderzoek.

Paleoklimaat is de reconstructie en studie van vroegere klimaattoestanden op aarde en andere planeten.

Sporen van metalen uit aerosolen in de atmosfeer die in de bodem worden afgezet, of van gesteente, en hun weg vinden naar grot-stalagmieten kunnen worden gebruikt als volmachten om klimatologische gebeurtenissen te bevestigen, volgens onderzoek gepubliceerd door Carol Tadros en medewerkers in Wetenschap van de totale omgeving .

Het onderzoek zal helpen bij het ontcijferen van de complexiteit van geochemische signalen in druppelwater van speleothems (grotstalagmieten) om op betrouwbare wijze een geschiedenis van het paleoklimaat in het zuidoosten van Australië te reconstrueren.

Tadros publiceerde het artikel als onderdeel van haar Ph.D. studies uitgevoerd aan de Universiteit van New South Wales onder toezicht van Prof Andy Baker, Directeur Onderzoek en Milieu en Dr. Pauline Treble van ANSTO. Stuart Hankin van ANSTO droeg ook bij aan het onderzoek.

Sporen van natrium, kalium en zink en andere elementen worden als fijnstof in aërosolen vervoerd voordat ze in grotten worden afgezet. Deze elementen kunnen de chemische samenstelling wijzigen van druppelwater dat wordt gebruikt in milieuonderzoek.

"Als we weten dat een spoorelement kan worden gebruikt als een proxy voor bijvoorbeeld, droogte en El Niño-gebeurtenissen, als we dan verder terugkijken in de tijd, we kunnen perioden van droogte bevestigen door de proxy, ' zei Tadros.

De studie werd uitgevoerd om de bronnen en processen die veranderingen in de chemische kenmerken van druppelwater beheersen, verder te onderzoeken.

Carol onderzocht druppelwatergegevens van Harrie Wood Cave in de Snowy Mountains, verzameld over een periode van tien jaar.

"We hebben ook grond verzameld om de samenstelling te bepalen, en experimenteerde de mobiliteit van elementen uit deze kleirijke bodems. We verzamelden gesteentemonsters en hadden toegang tot een aërosolmonsternemer die vier jaar op de locatie werkte, ' zei Tadros.

Het klimaat in deze zone en heel Oost-Australië wordt gekenmerkt door bosbranden, stof stormen, cyclonen en extreme neerslagvariabiliteit.

De interactie tussen de atmosfeer en de oceaan in de tropische Stille Oceaan, bekend als El Niño/Zuidelijke Oscillatie (ENSO), verhoogt de variabiliteit van de regenval en extreme weersomstandigheden in het zuidoosten van Australië.

"Speleothem-archieven op basis van sporenelementen in de regio zouden het instrumentele record naar het verleden kunnen uitbreiden, waardoor we inzicht kunnen krijgen in de basislijn natuurlijke variabiliteit in het klimaatsysteem, ' zei Tadros.

"Om deze archieven echter nauwkeurig te interpreteren, we moeten een volledig begrip hebben van de oorzaken van de variabiliteit van sporenelementen in het druppelwater van de grot."

Hoewel het bekend was dat de concentratie van sporenelementen en belangrijke elementen in druppelwater van grotten afhing van hun oorsprong, het onderzoek bevestigde dat locatiespecifieke hydrochemische processen tijdens contrasterende regenomstandigheden ook de samenstelling ervan beïnvloeden.

"Spoorelementen zijn zeer specifiek voor een site en je moet ook de hydrologische processen boven en in de grot onder een veranderend klimaat begrijpen, ' zei Tadros.

De onderzoekers bevestigden dat tijdens natte en droge perioden twee verschillende hydrochemische processen plaatsvinden in de grotzone.

"Nadat we hebben gekwantificeerd hoeveel van de atmosfeer en het gesteente bijdragen aan het druppelwater, vonden we dat er een verrijking was van sporenmetalen, natrium, kalium en zink in de kleirijke grond. Het fungeert als een gootsteen om deze elementen vast te houden. De verschuiving van droge naar natte omstandigheden vergemakkelijkt chemische processen in de bodemzone die vervolgens metalen naar het bodemwater mobiliseren en door het bodemprofiel sijpelen."

"Tijdens droogte, kaliumconcentraties zijn redelijk stabiel. De grond houdt al het kalium vast. Maar wanneer de waterbalans van de locatie toeneemt onder La Niña-omstandigheden, en het water begint er doorheen te stromen, langzame verwering van de kleistructuur maakt het kalium vrij dat gevangen zit tussen de lagen in het kleimineraal."

Andere processen die in de bodem plaatsvinden, zoals kationenuitwisseling en colloïdale mobilisatie, bleken natrium te modificeren, magnesium, strontium- en zinkconcentraties in het druppelwater. Tadros en collega's hebben vastgesteld dat magnesium- en strontium/calcium-verhoudingen kunnen worden gebruikt als proxy voor droogte in stalagmietarchieven.

“Dit is een nieuwe benadering, omdat we een veelzijdig begrip van het hele karstsysteem hebben ontwikkeld. Met behulp van massabalansvergelijkingen, we beperkten de bijdrage van site-specifieke bronnen en karst/bodem geochemische processen. We hebben nu nieuwe geochemische tools om speleothem-onderzoek aan te vragen, ' zei Tadros.

"Nu we weten welke sporenelementen bijzonder veelbelovend zijn als paleoklimaatproxy's, we gaan proberen het toe te passen op het moderne record van speleothemen, ' zei Tadros.