Hilfe bei der Suche nach der Nadel im Heuhaufen

In den Erd- und Umweltwissenschaften spielen radioaktive Isotope, also über die Zeit zerfallende Varianten von Atomen, eine große Rolle für die Altersbestimmung. So lässt sich zum Beispiel mit Hilfe eines radioaktiven Isotops des Edelgases Argon (³⁹Ar) das Alter von Wasser oder Eis bestimmen. Allerdings sind solche Isotope extrem selten ­– unter einer Billiarde Argon-Atomen findet sich nur ein einziges ³⁹Ar. Damit gleicht für Wissenschaftler der Versuch, diese Atome abzutrennen und nachzuweisen, der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Physikern der Universität Heidelberg ist es nun gelungen, eine im Rahmen von Grundlagenforschung entwickelte experimentelle Methode erstmals für die Grundwasserdatierung mittels ³⁹Ar nutzbar zu machen. Diese Forschungsergebnisse, die im geowissenschaftlichen Journal „Geophysical Research Letters“ veröffentlicht wurden, eröffnen nach Angaben der Wissenschaftler neue Perspektiven für Untersuchungen zu Gletschereis und zur Tiefenwasserzirkulation im Ozean.

Das bekannteste Beispiel für Altersbestimmung mit radioaktiven Isotopen ist der Radiokohlenstoff, der sich zur Datierung von organischem Material in der Umwelt, aber auch in archäologischen Fundstücken eignet. In ähnlicher Weise kann aus der Häufigkeit radioaktiver Isotope der Edelgase Argon und Krypton bestimmt werden, wann sich beispielsweise Grundwasser, Tiefenwasser im Ozean oder Gletschereis gebildet hat. Zum Abtrennen und Nachweisen der seltenen Atome aus dem Wasser kommen innovative experimentelle Methoden zum Einsatz, die im Rahmen der Grundlagenforschung zu quantenmechanischen Systemen entwickelt und perfektioniert wurden. Die Wissenschaftler des Kirchhoff-Instituts für Physik und des Instituts für Umweltphysik der Universität Heidelberg konnten nun die unter dem Begriff „Atom Trap Trace Analysis“ oder kurz ATTA bekannte Methode erstmals für die Grundwasserdatierung mit Hilfe von ³⁹Ar anwenden.

Mitarbeiter der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Werner Aeschbach-Hertig in der Umweltphysik trennten dazu zunächst aus mehr als 1.000 Litern Grundwasser reines Argon ab. In einer eigens dafür entwickelten ATTA-Apparatur „fing“ das Team von Prof. Dr. Markus Oberthaler am Kirchhoff-Institut die ³⁹Ar-Atome ein und wies sie einzeln nach. Dieser Erfolg einer jahrelangen gemeinsamen Entwicklungsarbeit öffnet nun die Tür für eine Vielzahl neuer Anwendungen der ³⁹Ar-Datierung, wie die Wissenschaftler betonen. „Das Projekt ist ein hervorragendes Beispiel dafür, dass Methoden, die in der Grundlagenforschung zu quantenmechanischen Eigenschaften entwickelt wurden, auch neue Möglichkeiten in der Anwendung bieten“, erklärt Prof. Oberthaler. Der Erstautor der Studie, Dr. Florian Ritterbusch, ist davon überzeugt, dass weitere Verbesserungen der Messmethode möglich sind: „Im Prinzip sollte ein Liter Wasser für eine Messung genügen.“ Diese Fortschritte sollen bald die ersten Messungen von ³⁹Ar an Gletschereis aus den Alpen ermöglichen. Das größte Potenzial bietet ³⁹Ar nach Angaben der Forscher aber für die Untersuchung der Tiefenwasserzirkulation im Ozean. „Dazu müssen wir in der Lage sein, Proben von weniger als zehn Liter Wasser mit ausreichender Genauigkeit messen zu können“, meint Prof. Aeschbach-Hertig.

Die Pioniere der neuen Messmethode vom US-amerikanischen Argonne National Laboratory organisierten 2012 in Chicago einen speziellen ATTA-Workshop, um die möglichen Anwendungen von Krypton-Isotopen in den Erd- und Umweltwissenschaften zu diskutieren. Im März 2015 wird die Heidelberger ATTA-Kollaboration eine Neuauflage dieses Treffens organisieren. Durch die in Heidelberg erzielten Fortschritte bei der Arbeit mit ³⁹Ar hat sich das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten nochmals deutlich vergrößert, wie die Wissenschaftler betonen. „Die neue Methode stellt damit auch eine innovative Erweiterung der in Heidelberg vorhandenen und im Heidelberg Center for the Environment gebündelten starken Kompetenz in Isotopen- und Datierungsmethoden dar“, sagt Prof. Aeschbach-Hertig.

Markus Oberthaler leitet am Kirchhoff-Institut für Physik die Arbeitsgruppe Synthetische Quantensysteme. Werner Aeschbach-Hertig ist Leiter der Gruppe Aquatische Systeme am Institut für Umweltphysik und zugleich Direktor des Heidelberg Center for the Environment (HCE).

Originalpublikation:
F. Ritterbusch, S. Ebser, J. Welte, T. Reichel, A. Kersting, R. Purtschert, W. Aeschbach-Hertig, M.K. Oberthaler (2014). Groundwater dating with Atom Trap Trace Analysis of ³⁹Ar. Geophysical Research Letters 41, doi: 10.1002/2014GL061120