Измерение отдельных атомов аргона помогает понять вентиляцию океана
Возраст воды в мировом океане критически важен для понимания океанической циркуляции, особенно для переноса газов из атмосферы в глубины океана. Исследователи из Гейдельбергского университета использовали разработанный ими метод атомной физики для определения возраста глубинных океанских вод в диапазоне от 50 до 1000 лет. Этот новый метод датирования, измеряющий отдельные атомы аргона, был применен в пилотном исследовании в Северной Атлантике. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Циркуляция мирового океана имеет огромное значение как для жизни в океане, так и для глобальной климатической системы. Для будущих климатических прогнозов важно понимать не только то, как глубинные воды снабжаются кислородом, но и как быстро и в каких количествах океаны поглощают антропогенный парниковый газ CO₂ из воздуха. Для этого необходимо знать возраст глубинных вод. Для периодов до 50 лет существует несколько методов датирования, но для более старой воды — а значит, для большей части океана — до сих пор не было оптимального метода.
Для датирования используется редкий радиоактивный изотоп ³⁹Ar благородного газа аргона с периодом полураспада 269 лет, что идеально подходит для диапазона 50–1000 лет. Однако в атмосфере и поверхностной воде на тысячу миллиардов (10¹⁵) атомов аргона приходится всего один атом искомого изотопа ³⁹Ar. Гейдельбергские исследователи адаптировали для работы с ³⁹Ar принципиально новый метод измерения — Atom Trap Trace Analysis (ATTA).
Используя этот метод, группа под руководством профессора Маркуса Оберталера из Института физики Кирхгофа смогла сократить необходимый для датирования объем пробы воды с минимум 1000 литров до пяти. «В отличие от обычных методов, мы не ждем спонтанного распада изотопа, чтобы его зафиксировать; мы замедляем атомы с помощью современных лазерных технологий, захватываем их в атомные ловушки и избирательно подсчитываем отдельные атомы», — объясняет ведущий автор исследования доктор Свен Эбсер. Каждый изотоп реагирует на слегка различающийся лазерный свет, что и используется в этом процессе.
«Метод ³⁹Ar стал доступен для нашей работы только благодаря значительно уменьшенному объему пробы», — отмечает океанолог доктор Тосте Танхуа из GEOMAR. Как показало пилотное исследование у островов Кабо-Верде, метод позволяет гораздо точнее определить, когда проба воды последний раз контактировала с атмосферой, что дает новое понимание переноса следовых веществ в океане. Например, в исследуемом районе на глубинах 1000–2000 метров перемешивание оказалось значительно слабее, чем предполагалось. Расчеты указывают, что поглощение CO₂ из атмосферы происходит интенсивнее, чем считалось ранее. «Я уверен, что глобальный набор данных по ³⁹Ar приведет к совершенно новым открытиям об океанической циркуляции и «дыхании» мирового океана», — заявляет доктор Танхуа.
«Новый метод измерений принесет пользу не только океанологии, но и исследованиям подземных вод и льда», — добавляет профессор Вернер Ашбах из Института физики окружающей среды Гейдельбергского университета. По словам профессора Оберталера, этот проект — отличный пример того, как фундаментальные исследования в атомной физике могут привести к открытиям в изначально совершенно не связанных областях.