Nauwkeurige datering van gletsjerijs met kwantumfysica

In de oostelijke Alpen is een nieuwe methode voor nauwkeurige datering van gletsjerijs getest. De methode is gebaseerd op kwantumfysische technieken en maakt nauwkeurige analyse van het ijs van de afgelopen duizend jaar mogelijk. Met bestaande methoden kon dit tot nu niet.

Gletsjerijs wordt beschouwd als een reusachtig klimaatarchief. Onderzoek hiernaar verschaft informatie over regionale milieuomstandigheden en klimaatveranderingen in de afgelopen eeuwen. Daarnaast biedt het de mogelijkheid toekomstige ontwikkelingen te voorspellen. Cruciale factoren zijn aard en leeftijd van de monsters. Bij hun nieuwe methode maken onderzoekers van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (ÖAW) en de Universiteit van Heidelberg gebruik van de zogenaamde atoomval methode uit de kwantummechanica.

Atoomvalmethode

Tot nu toe werd de leeftijd van het ijs bepaald met behulp van koolstof- of C14-datering. Hierdoor kon echter slechts indirect een conclusie worden getrokken over de leeftijd van het ijs – via delen van organismen of micro-organismen die in het ijs gevangen zitten. Met de innovatie van de zogenaamde atoomvalmethode kan de leeftijd worden bepaald met behulp van de in het ijs aanwezige argon-39. Argon is een radioactief edelgas en sporenelement in onze omgevingslucht. De isotoop argon-39 vergaat met een halfwaardetijd van tweehonderdnegenenzestig jaar. Het edelgas is uiterst zeldzaam. In één kilogram ijs zitten slechts tot tienduizend argon 39-atomen. Deze atomen zijn niet geschikt voor leeftijdsbepaling met eerdere methoden omdat er in dat geval meerdere tonnen ijs nodig zouden zijn.

Gletsjerijs

Inmiddels is de atoomvalmethode getest in een pilotstudie in de oostelijke Alpen. Het gletsjerijs van Schaufelferner in de Stubaier Alpen in Tirol werd onderzocht. Het was niet de eerste analyse met de atoomvalmethode: deze methode werd al eerder gebruikt. Reeds gemeten was de datering van:

• ouder Antarctisch ijs met behulp van krypton-81 isotopen;
• grondwater met behulp van argon-39;

Glaciologen Andrea Fischer en Pascal Bohleber van het Instituut voor Interdisciplinair Bergonderzoek van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (ÖAW), voerden het onderzoek uit in samenwerking met de natuurkundigen Markus Oberthaler en Werner Aeschbach van de Universiteit van Heidelberg. Uit een ijsgrot drieduizend meter boven de zeespiegel werden monsters gezaagd. In een diepvriestransporteur werd ongeveer vijf kilogram ijs naar Heidelberg getransporteerd, waar de kwantumfysische meetprocedure werd uitgevoerd.

Argon-39-atoom

In het laboratorium werd het ijs verdampt om de afzonderlijke argon-39-atomen telbaar te maken. Dit was mogelijk dankzij een optisch resonantieproces (laserlicht) op basis van kwantummechanica – en een soort val. Terwijl andere isotopen ongehinderd deze atoomval passeren, wordt argon-39 vertraagd en gedetecteerd door het licht.

De pilottest was succesvol en toonde aan dat de atoomvalmethode geschikt is om de samenstelling van gletsjers met grote nauwkeurigheid te bepalen tot aan het begin van het tweede millennium. De resultaten van de ijsmonsters van Schaufelferner werden bevestigd door vergelijkende waarden uit eerdere instrumentele klimaatmetingen en historische documentatie. Het onderzoek is een doorbraak omdat dit tijdvak niet toegankelijk was met de bestaande methoden.

Kleine IJstijd

Vooral de analyse van de Kleine IJstijd – een periode van relatief koele klimaten van het midden van de dertiende tot het midden van de negentiende eeuw – geeft interessante inzichten. Deze periode was niet constant koud, maar werd gekenmerkt door snelle veranderingen tussen warme en koude periodes. Inzicht in de manier waarop het klimaatsysteem in de Alpen reageert op grote schommelingen draagt ook bij aan een beter begrip van het klimaatsysteem als geheel.

Een beter begrip van de wisselwerking tussen klimaat, geologie en ecosystemen kan ons helpen om toekomstige weers- en klimaatschommelingen beter te classificeren,” aldus ÖAW-gletsjeronderzoeker Andrea Fischer.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het Amerikaanse tijdschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences):

Zhongyi Feng, Pascal Bohleber, Sven Ebser, Lisa Ringena, Maximilian Schmidt, Arne Kersting, Philip Hopkins, Helene Hoffmann, Andrea Fischer, Werner Aeschbach en Markus K. Oberthaler (2019): Datering van het gletsjerijs van het laatste millennium met behulp van kwantumtechnologie. In: PNAS.

Ook interessant:

Wat bevindt zich in het vacuüm? Onderzoeksgroep bestudeert het ‘niets’

Poolijs te dik: Klimaatexpeditie afgebroken

Nederland en Duitsland gaan samenwerken in klimaatonderzoek rond kust, zee en Polen