Quantenphysik zur präzisen Datierung von Gletschereis

Gletscherdatierung (c) ÖAW/IGF/Andrea Fischer

By Hildegard Suntinger

In den Ostalpen wurde eine neue Messmethode zur präzisen Datierung von Gletschereis getestet. Die Methode basiert auf quantenphysikalischen Techniken und ermöglicht die präzise Analyse von Gletschereis der vergangenen tausend Jahre. Diese war mit vorhandenen Methoden bisher nicht zugänglich.

Gletschereis gilt als riesiges Klima-Archiv. Dessen Erforschung liefert Informationen zu regionalen Umweltbedingungen und Klimaveränderungen in vergangenen Jahrhunderten und bietet gleichzeitig einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen. Zu bestimmende Faktoren sind die Beschaffenheit und das Alter von Proben. Zur präzisen Datierung von Gletschereis entwickelten Forschende der Österreichischen Akademie für Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Heidelberg eine neue Messmethode. Die sogenannte Atomfallen-Methode basiert auf quantenphysikalischen Techniken.

Atomfallen-Methode

Bisher wurde das Alter von Eis mit Hilfe von Radiokohlenstoff-Datierungen bestimmt. Diese erlaubten allerdings nur den indirekten Schluss auf das Alter – und zwar über im Eis eingeschlossene Teile von Organismen oder Mikroorganismen. Mit der Innovation der sogenannten Atomfallen-Methode kann das Alter des Eises anhand des darin enthaltenen Argon-39 bestimmt werden. Argon ist ein radioaktives Edelgas und Spurenelement in unserer Umgebungsluft. Dessen Isoptop Argon-39 zerfällt mit einer Halbwertszeit von zweihundertneunundsechzig Jahren. Das Edelgas kommt extrem selten vor. In einem Kilogramm Eis sind nur bis zu zehntausend Argon-39-Atome enthalten. Für eine Altersbestimmung mit bisherigen Methoden sind diese nicht zugänglich, weil mehrere Tonnen Eis notwendig wären.

Gletschereis

Jetzt wurde die Atomfallen-Methode in einer Pilotstudie in den Ostalpen getestet. Untersucht wurde das Gletschereis vom Schaufelferner in den Stubaier Alpen in Tirol. Es war nicht die erste Analyse mit der Atomfallen-Methode. Diese wurde schon zuvor eingesetzt. Bereits gemessen wurde die Datierung von

älterem Eis der Antarktis mittels Krypton-81-Isotopen;
Grundwasser mittels Argon-39;

Die Glaziologen Andrea Fischer und Pascal Bohleber vom Institut für Interdisziplinäre Gebirgsforschung der ÖAW forschten gemeinsam mit den Physikern Markus Oberthaler und Werner Aeschbach von der Universität Heidelberg. Die Proben wurden aus einer Eishöhle auf dreitausend Meter Seehöhe gesägt. Etwa fünf Kilogramm Gletschereis wurden im Tiefkühltransporter nach Heidelberg gebracht, wo das quantenphysikalische Messverfahren durchgeführt wurde.

Argon-39-Atome

Im Labor wurde das Eis verdampft, um die einzelnen Argon-39-Atome zählbar zu machen. Möglich wird dies durch ein optisches Resonanzverfahren (Laserlicht), das auf Methoden der Quantenmechanik basiert – und eine Art Falle darstellt. Während die anderen Isotope ungehindert an der Atomfalle vorbeifliegen, wird Argon-39 vom Licht abgebremst und detektiert.

Der Pilotversuch verlief erfolgreich und zeigte, dass die Atomfallen-Methode geeignet ist, die Beschaffenheit der Gletscher zu Beginn des zweiten Jahrtausends mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Die Ergebnisse aus den Eisproben vom Schaufelferner wurden von Vergleichswerten aus den ersten instrumentellen Klimamessungen sowie historischen Dokumentationen bestätigt. Das ist insofern ein Durchbruch, als dieser Zeitraum mit vorhandenen Methoden bisher nicht zugänglich war.

Kleine Eiszeit

Die Analyse der Kleinen Eiszeit – eine Periode relativ kühlen Klimas von Mitte dreizehntes bis Mitte neunzehntes Jahrhundert – ist besonders vielversprechend. Die Zeit war nicht durchgehend kalt, sondern von einem raschen Wechsel von warmen und kalten Perioden geprägt. Zu verstehen, wie das Klimasystem in den Alpen auf große Schwankungen reagiert, trägt auch zum Verständnis des Klimasystems insgesamt bei.

„Ein besseres Verständnis des Zusammenspiels von Klima, Geologie und Ökosystemen kann uns helfen, auch künftige Witterungs- und Klimaschwankungen besser einzuordnen.“ ÖAW-Gletscherforscherin Andrea Fischer.

Die Ergebnisse der Studie sind im US-Fachjournal PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) erschienen.

Zhongyi Feng, Pascal Bohleber, Sven Ebser, Lisa Ringena, Maximilian Schmidt, Arne Kersting, Philip Hopkins, Helene Hoffmann, Andrea Fischer, Werner Aeschbach, and Markus K. Oberthaler (2019): Dating glacier ice of the last millennium by quantum technology. In: PNAS.