Mario Wannier, een carrière-geoloog met expertise in het bestuderen van minuscuul zeeleven, was methodisch bezig met het sorteren van deeltjes in monsters van strandzand van het Japanse schiereiland Motoujina toen hij iets onverwachts ontdekte:een aantal kleine, glazige bollen en andere ongewone voorwerpen.

Wannier, die nu met pensioen is, had biologisch afval in strandzand uit verschillende gebieden vergeleken in een poging om de gezondheid van lokale en regionale mariene ecosystemen te meten. Het werk omvatte het onderzoeken van elk zanddeeltje in een monster onder een microscoop, en met een fijne borstel, het scheiden van interessante deeltjes van sedimentkorrels in een bak voor verder onderzoek.

Een verrassing in de zandkorrels:glazige deeltjes

"Ik had honderden strandmonsters uit Zuidoost-Azië gezien, en ik kan minerale korrels onmiddellijk onderscheiden van de deeltjes gemaakt door dieren of planten, dus dat is heel gemakkelijk, " zei hij. In het Motoujina-zand, verzameld door de collega van Wannier, Marc de Urreiztieta, vond hij bekende sporen van eencellige organismen die bekend staan ​​als foraminiferen, die in verschillende vormen voorkomen. Ze hebben meestal schelpen en verblijven in en rond zeebodemsediment.

"Maar er was nog iets anders... het is zo duidelijk als je naar de monsters kijkt, " zei hij. "Je zou deze vreemde deeltjes niet kunnen missen. Ze zijn over het algemeen aerodynamisch, glazig, afgerond - deze deeltjes deden me onmiddellijk denken aan enkele bolvormige (afgeronde) deeltjes die ik had gezien in sedimentmonsters van de Krijt-Tertiaire grens, " de zogenaamde K-T-grens waarnaar nu wordt verwezen als de Krijt-Paleogeen (K-Pg) grens die een planetaire massa-extinctie markeerde, inclusief het uitsterven van de dinosauriërs, ongeveer 66 miljoen jaar geleden.

1980, Luis Alvarez, een Nobelprijswinnaar die werkte bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en UC Berkeley, samen met zijn zoon, geoloog Walter Alvarez, stelde een theorie voor, gebaseerd op een hoge concentratie iridium in afzettingen aan de K-Pg-grens, dat een grote meteorietinslag deze massale afsterving veroorzaakte. In combinatie met recenter bewijs, wetenschappers geloven nu dat de impact plaatsvond in de regio van het schiereiland Yucatan. Bij meteorietinslagen, vloeibaar grondmateriaal wordt in de atmosfeer uitgestoten, vormen druppeltjes van glasachtig materiaal die terugvallen op de grond.

Sommige van de glasachtige bollen die Wannier onderzocht, leken samengesmolten met andere bollen, en anderen vertoonden staartachtige kenmerken. Hoewel sommige van de glasachtige deeltjes leken op die geassocieerd met meteorietinslagen, anderen die Wannier vond waren niet zo bekend - onder hen waren deeltjes met een rubberachtige samenstelling en deeltjes met een verscheidenheid aan materialen gecoat in een laag of meerdere lagen glas of silica. Veel van de deeltjes hadden een diameter van ongeveer 0,5 millimeter tot 1 millimeter.

Wannier had destijds geen idee dat deze glazige menagerie van deeltjes die hij tegenkwam, zou leiden tot een jarenlange onderzoeksinspanning waarbij wetenschappers en experimenten van Berkeley Lab en UC Berkeley betrokken zouden zijn. De inspanning zou uiteindelijk de diversiteit en uniciteit van de bestudeerde deeltjes onthullen, inclusief ongebruikelijke chemische en minerale mengsels; de exotische omgeving met hoge temperatuur en hoge druk waarin ze zich vormden; en het potentieel voor nieuwe ontdekkingen in verdere verkenningen.

Concentratie, hoeveelheid materiaal wijst op A-bomontploffing

Na deze eerste bevinding in 2015 Wannier reisde naar Japan om meer strandzandmonsters uit dezelfde regio te verzamelen, nabij de stad Hiroshima.

In al deze monsters er waren tussen de 12,6 tot 23,3 gram van deze sferoïden en andere ongebruikelijke deeltjes voor elke kilogram (2,2 pond) zand. Dit vreemde assortiment van glasachtige deeltjes was goed voor 0,6 tot 2,5 procent van alle onderzochte korrels. Wannier plukte er ongeveer 10, 000 van deze deeltjes uit het zand en sorteerde ze in zes verschillende groepen op basis van hun fysieke eigenschappen.

De constant hoge concentraties van deze vreemde verzameling deeltjes in strandzand verzameld op ongeveer 4 tot 7 mijl van de stad Hiroshima wekten zijn vermoedens dat ze verband kunnen houden met de atoombomexplosie die Hiroshima in de ochtend van 6 augustus verwoestte. 1945. Bij die bom waren op slag 70 doden gevallen, 000 of meer mensen, met een definitief dodental dat de bijbehorende stralingseffecten verklaart, mogelijk meer dan 145, 000. De bom en de daaruit voortvloeiende vuurstormen maakten meestal een gebied van meer dan 4 vierkante mijl met de grond gelijk, en vernietigde of beschadigde naar schatting 90% van de gebouwen in de stad.

Gebaseerd op het volume van het glasachtige puin gevonden in het strandzand, Wannier en zijn collega's schatten dat een vierkante kilometer, of ongeveer 0,4 vierkante mijl strandzand in het gebied, verzameld vanaf het oppervlak tot een diepte van ongeveer 4 inch, zou ongeveer 2 bevatten, 200 tot 3, 100 ton van de deeltjes.

Een studie waarin de analyses van het materiaal worden gedetailleerd, gepubliceerd in het tijdschrift antropoceen , biedt een uitputtende verkenning van de vele mogelijke bronnen voor de ongebruikelijke deeltjes, en concludeert dat het atoombommen zijn van de verwoeste stad Hiroshima.

"Dit was het slechtste door mensen gemaakte evenement ooit, verreweg, " zei Wannier. "In de verrassing van het vinden van deze deeltjes, de grote vraag voor mij was:je hebt een stad, en een minuut later heb je geen stad. Er was de vraag:'Waar is de stad ¬¬- waar is het materiaal?' Het is een schat om deze deeltjes te hebben ontdekt. Het is een ongelooflijk verhaal."

Verbinding maken met Berkeley Lab, UC Berkeley voor gedetailleerde analyses

Wannier en de Urreiztieta wilden meer weten over de monsters, dus namen ze contact op met Rudy Wenk, een professor in mineralogie aan UC Berkeley en een oud Berkeley Lab-filiaal - Wannier en Wenk hadden beiden geologie gestudeerd aan de Universiteit van Basel, Zwitserland, decennia eerder.

Wenk bestudeerde eerst de monsters uit het Hiroshima-gebied met een elektronenmicroscoop. Dit maakte een gedetailleerde verkenning van hun samenstelling en structuren mogelijk.

Hij observeerde een grote verscheidenheid in de chemische samenstelling van de monsters, inclusief concentraties van aluminium, silicium en calcium; microscopisch kleine bolletjes chroomrijk ijzer; en microscopische vertakking van kristallijne structuren. Anderen waren voornamelijk samengesteld uit koolstof en zuurstof.

"Sommige van deze lijken op wat we hebben van meteorietinslagen, maar de compositie is heel anders, "Zei Wenk. "Er waren nogal ongebruikelijke vormen. Er was wat puur ijzer en staal. Sommige daarvan hadden de samenstelling van bouwmaterialen."

Voor meer informatie over de monsters, Wenk wendde zich tot Berkeley Lab, waar hij en zijn studenten in de loop der jaren veel elektronenmicroscopie en röntgenexperimenten hebben uitgevoerd. Hij nam geselecteerde monsters mee naar Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) en voerde daar een aantal metingen uit.

Nobumichi "Nobu" Tamura, een stafwetenschapper bij de ALS met wie Wenk eerder had gewerkt, samen met de toenmalige ALS-collega's Camelia Stan en Binbin Yue (Stan en Yue hebben sindsdien Berkeley Lab verlaten), geholpen bij het analyseren van de monsters op een schaal van minder dan 1 micron, of 1 miljoenste van een meter, met behulp van een techniek die bekend staat als röntgenmicrodiffractie.

Beide ouders van Tamura zijn geboren in Japan, en hij zei dat hij persoonlijk geïnteresseerd was in deelname aan het onderzoek vanwege zijn familieafkomst. "Mijn vader was 12 jaar oud toen het bombardement plaatsvond, en woonde slechts 200 mijl ten noorden van Hiroshima, dus hij was direct getuige van het nieuws en de resultaten van deze verschrikkelijke gebeurtenissen, ' zei Tamura.

De experimenten en gerelateerde analyses stelden vast dat de deeltjes zich onder extreme omstandigheden hadden gevormd, met temperaturen boven de 3, 300 graden Fahrenheit (1, 800 Celsius), zoals blijkt uit de verzameling van anorthiet- en mullietkristallen die de onderzoekers identificeerden.

Tamura merkte op dat de unieke microstructuur van de bestudeerde deeltjes en het enorme volume aan aanwezige smeltresten ook sterk bewijs leveren voor hoe ze werden gevormd.

"De atoomexplosiehypothese is de enige logische verklaring voor hun oorsprong, " hij zei.

Studie details onderzoekers bevindingen

Veel van de bolvormige deeltjes en andere stukjes zijn waarschijnlijk gevormd op grote hoogte rond de stijgende vuurbal van de explosie. De materialen die uit de grond werden opgeveegd, borrelden en vermengden zich in deze turbulente omgeving voordat ze afkoelden en condenseerden en vervolgens naar beneden regenden.

Wannier legde de processen uit die waarschijnlijk de materialen in een atomaire wolk hebben gevormd:"Het grondmateriaal wordt vervluchtigd en verplaatst naar de wolk, waar de hoge temperatuur de fysieke conditie verandert, " zei Wannier. "Er zijn veel interacties tussen deeltjes. Er zijn veel kleine bolletjes die botsen, en je krijgt deze agglomeratie."

Onderzoekers ontdekten ook dat de samenstelling van de puindeeltjes nauw overeenkomt met materialen die gebruikelijk waren in Hiroshima ten tijde van het bombardement, zoals beton, marmer, roestvrij staal, en rubber.

Andere studies hebben smeltafval geanalyseerd van de Trinity-testlocatie in New Mexico - waar de eerste nucleaire explosie werd veroorzaakt - en van ondergrondse nucleaire testlocaties in Nevada. Maar die monsters hebben een duidelijk andere samenstelling die wordt geassocieerd met hun lokale geologische omgeving.

Het puin van de Drie-eenheid wordt trinitiet genoemd, en onderzoekers in de laatste studie hebben de smeltdeeltjes die ze bestudeerden Hiroshimaite genoemd om hun verschillende kenmerken en hun waarschijnlijke oorsprong in de Hiroshima A-bomexplosie te benadrukken.

"Hiroshimaite-deeltjes zijn veel complexer en diverser dan trinitieten, "Tamura zei, vanwege hun waarschijnlijke ontstaan ​​in het stedelijke centrum van Hiroshima.

Hoewel er internationale inspanningen waren geleverd om overlevenden te helpen die leden aan stralingseffecten, om de stralingsniveaus te meten, en om de totale schade te beoordelen die is veroorzaakt door de atoombommen van 1945 in Hiroshima en Nagasaki, de studie merkte op dat het smeltafval in verband met deze bombardementen blijkbaar niet eerder was bestudeerd.

De laatste studie moedigt aanvullende tests aan om erachter te komen of monsters radioactieve elementen bevatten, en om verdere studies uit te voeren in de gebieden van Hiroshima en Nagasaki.

Plannen voor vervolgonderzoek

Wannier zei dat hij grondmonsters van Ground Zero in Hiroshima heeft ontvangen en daar naar puinmonsters kan zoeken die dieper onder de grond liggen. en hij heeft ook een grondmonster ontvangen met glasachtig puin uit een stroombedding ongeveer 30 mijl ten noordwesten van waar de Hiroshima A-bom toesloeg - historische gegevens tonen aan dat dit gebied zich in het pad van de atoomwolk bevond.

Hij zei dat hij ook hoopt te onderzoeken of het smeltafval overeenkomsten vertoont met materialen die verband houden met vulkaanuitbarstingen.

Tamura en Wenk merkten op dat deze eerste studie zich concentreerde op slechts een klein aantal deeltjes van smeltresten, en het kan de moeite waard zijn om een ​​groter onderzoek te doen om meer te weten te komen over de extreme omstandigheden die het puin hebben voortgebracht en om mogelijk meer unieke chemie of mineralogie te onthullen.

Wenk heeft toegevoegd, "Het was heel fascinerend om naar al deze materialen te kijken. We hopen dat andere mensen geïnteresseerd raken om hier meer in detail naar te kijken, en bij het zoeken naar voorbeelden rond de plaats van de atoombom in Nagasaki."

Wenk stuurde een kopie van de laatste studie naar Jun-Ichi Ando, een professor in de afdeling Earth and Planetary Systems Science aan de Graduate School of Science aan de Universiteit van Hiroshima - ze hadden elkaar ontmoet toen Wenk in 1998 gasthoogleraar was aan de Universiteit van Hiroshima.

"Ik denk dat dit soort onderzoek erg belangrijk is voor de Universiteit van Hiroshima, als een universiteit op de plaats van de atoombom, "Ando zei, hij merkte op dat hij de studie deelde met een collega die mineraloog is en de meteorietinslag van de Yucatan-regio bestudeert. Hij deelde het ook met Rebun Kayo, een onderzoeksmedewerker aan de universiteit die een outreach-groep leidt die bewustzijn over kernwapens vergroot door met bommen gehavende dakpannen en bakstenen uit Hiroshima te delen met instellingen over de hele wereld.

In een niet-verwante poging, Ando heeft een groot stuk graniet bestudeerd dat verband houdt met de structuur van de Atomic Bomb Dome in Hiroshima - het was het enige gebouw dat in de buurt van Ground Zero bleef staan. Kayo vond en herstelde het stuk graniet uit een lokale rivierbedding in de buurt van het koepelvormige gebouw in 2017. Het staat ook bekend als de Genbaku-koepel of het vredesmonument van Hiroshima.

"Ik heb geprobeerd bewijs te vinden van smelten en de schokgolf die op het oppervlak van de granieten pilaar is vastgelegd" met behulp van elektronenmicroscopie, Ando zei - zijn eigen onderzoek richt zich meestal op microstructuren van rotsen in seismische fouten.

Wannier zei dat de puinstudie een verhelderende reis voor hem was. en hij hoopt door te gaan met het onderzoek. "Al meer dan 70 jaar is dit materiaal er en werd het nooit in detail bestudeerd. We hopen dat dit de aandacht trekt van de wetenschappelijke gemeenschap, " hij zei.

"We hopen dat mensen van deze kans profiteren."