Argon-Atome: Atmen der Weltmeere verstehen

Das Alter des Wassers in den Welt­meeren ist entschei­dend für das Ver­ständ­nis der Ozeanzirku­la­tion, ins­beson­dere für den Trans­port von Gasen aus der Atmo­sphäre in den tiefen Ozean. Forsch­er der Uni­ver­sität Hei­del­berg haben jet­zt eine von ihnen entwick­elte Tech­nik aus der Atom­physik einge­set­zt, um das Alter von ozeanis­chem Tiefen­wass­er in der Zeitspanne von 50 bis 1.000 Jahren zu bes­tim­men. Diese neue Datierungsmeth­ode, bei der einzelne Argon-Atome gemessen wer­den, kam in ein­er Pilot­studie im Nor­dat­lantik zum Ein­satz. Die Unter­suchun­gen sind Teil eines inter­diszi­plinären Pro­jek­ts mit Ozeanographen des Geo­mar Helmholtz-Zen­trums für Ozean­forschung Kiel. Die Ergeb­nisse wur­den in „Nature Com­mu­ni­ca­tions“ veröffentlicht.

Die Durch­mis­chung der Welt­meere ist von großer Bedeu­tung für das Leben im Ozean eben­so wie für das glob­ale Kli­masys­tem. Neben der Frage, wie das Tiefen­wass­er mit frischem Sauer­stoff ver­sorgt wird, ist es für Prog­nosen des zukün­fti­gen Kli­mas wichtig zu wis­sen, wie rasch und in welchen Men­gen die Welt­meere das men­schengemachte Treib­haus­gas CO2 aus der Luft aufnehmen. Dazu muss die Wis­senschaft das Alter des Tiefen­wassers ken­nen. Wie lange dauert es, bis Wass­er von der Ober­fläche an einen bes­timmten Ort im Inneren der Ozeane vor­dringt? Für Aufen­thalt­szeit­en von bis zu etwa 50 Jahren gibt es mehrere Meth­o­d­en der Alters­bes­tim­mung. Für älteres Wass­er – und damit für den Großteil des Ozeans – stand bish­er jedoch keine opti­male Mess­meth­ode zur Ver­fü­gung, wie die Hei­del­berg­er Forsch­er betonen.

Für eine Alters­datierung wird das sel­tene radioak­tive Iso­top 39Ar des Edel­gas­es Argon (Ar) genutzt. Auf­grund sein­er Halb­w­ert­szeit von 269 Jahren ist es beson­ders geeignet für den Bere­ich von 50 bis 1.000 Jahren. Diese Zeitspanne ist entschei­dend, um das Vor­drin­gen von Ober­flächen­wass­er in die Tiefe des Ozeans zu ver­ste­hen. Allerd­ings ist ger­ade ein­mal ein Atom von ein­er Bil­liarde Argon-Atom­en in der Luft und im Ober­flächen­wass­er das gesuchte Radioiso­top 39Ar. Wieviele dieser Iso­tope sind noch nach­weis­bar in Tiefen­wass­er, das lange nicht mehr in Kon­takt mit der Luft stand? Diese Frage ließ sich bish­er nur mit enormem Aufwand und riesi­gen Proben­men­gen beant­worten. Die Hei­del­berg­er Forsch­er haben nun eine fun­da­men­tal neue Mess­meth­ode, die Atom Trap Trace Analy­sis (ATTA), speziell für 39Ar weiterentwickelt.

Der Forschungs­gruppe von Prof. Dr. Markus Oberthaler am Kirch­hoff-Insti­tut für Physik gelang es mith­il­fe von ATTA, die Proben­größe für eine Alters­bes­tim­mung von min­destens 1.000 auf fünf Liter Wass­er zu reduzieren. „Anders als bei herkömm­lichen Meth­o­d­en warten wir nicht auf den spon­ta­nen Zer­fall des Iso­tops, um dieses dann zu erfassen, son­dern brem­sen die Atome mit mod­ern­er Lasertech­nik ab, fan­gen sie in Atom­fall­en und zählen selek­tiv einzelne Atome“, erk­lärt Dr. Sven Ebser, der Erstau­tor der Studie. Dabei machen sich die Physik­er zunutze, dass jedes Iso­top auf min­i­mal unter­schiedlich­es Laser­licht reagiert. Dieser geringe Effekt in der Wellen­länge reicht aus, um die gewün­scht­en 39Ar-Atome zu „manip­ulieren“ und zu detek­tieren, während alle anderen Atome unge­hin­dert und unbeachtet die Atom­falle passieren können.

„Erst durch die grundle­gende Reduk­tion der Proben­größe wird die 39Ar-Meth­ode für unsere Unter­suchun­gen ver­füg­bar“, erläutert der Ozeano­graph Dr. Toste Tan­hua vom Geo­mar Helmholtz-Zen­trum für Ozean­forschung. Damit kön­nen die Forsch­er wesentlich genauer bes­tim­men, wann eine Wasser­probe das let­zte Mal im Aus­tausch mit der Atmo­sphäre stand, wie die Pilot­studie nahe der Kapverdis­chen Inseln gezeigt hat. Dies ermöglicht neue Ein­blicke in den Trans­port von Spuren­stof­fen im Ozean. So hat sich gezeigt, dass im Unter­suchungs­ge­bi­et in Wasser­tiefen zwis­chen 1.000 und 2.000 Metern deut­lich weniger Durch­mis­chung auftritt als angenom­men. Daraus lässt sich berech­nen, dass mehr CO2 als bis­lang gedacht aus der Atmo­sphäre aufgenom­men wird. „Ich bin mir sich­er, dass ein wel­tumspan­nen­der 39Ar-Daten­satz zu ganz neuen Erken­nt­nis­sen über die Ozeanzirku­la­tion und das ‚Atmen‘ der Welt­meere führen wird“, betont Dr. Tanhua.

„Nicht nur die Ozean­forschung, son­dern auch die Grund­wass­er- und Eis­forschung wird von der neuen Mess­meth­ode prof­i­tieren“, sagt Prof. Dr. Wern­er Aeschbach vom Insti­tut für Umwelt­physik der Uni­ver­sität Hei­del­berg. Nach den Worten von Prof. Oberthaler ist das Pro­jekt ein hevor­ra­gen­des Beispiel dafür, wie Grund­la­gen­forschung in der Atom­physik zu Erken­nt­nis­sen in Gebi­eten führen kann, die damit zunächst gar nicht in Verbindung gebracht wer­den. Die Deutsche Forschungs­ge­mein­schaft fördert die Entwick­lung der Atom­fall­en-Messtech­nik unter anderem im Rah­men des Pro­gramms „Neue Geräte für die Forschung“.