Åldern på vattnet i världshaven är avgörande för att förstå havscirkulationen, speciellt för transport av gaser från atmosfären till djuphavet. Forskare från Heidelberg University använde nyligen en atomfysikteknik som de utvecklade för att bestämma åldern på djuphavsvatten från 50 till 1, 000 år. Denna nya dejtingmetod, som mäter individuella argonatomer, användes i en pilotstudie i Nordatlanten. Experimenten är en del av ett tvärvetenskapligt projekt med oceanografer från GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel. Resultaten publicerades i tidskriften Naturkommunikation .

Cirkulationen av världshaven har stor betydelse för livet i havet såväl som för det globala klimatsystemet. För framtida klimatprognoser, det är viktigt att förstå inte bara hur djupt vatten tillförs färskt syre utan också hur snabbt och i vilka mängder haven absorberar mänskligt genererad CO2-växthusgas från luften. För att göra det krävs att man känner till djupvattnets ålder. Hur lång tid tar det för vatten från ytan att nå en specifik plats i havets inre? För perioder på upp till cirka 50 år, det finns flera datingmetoder. Men för äldre vatten – och därmed större delen av havet – har det inte funnits någon optimal dateringsmetod förrän nu, framhåller Heidelberg-forskarna.

Den sällsynta radioaktiva isotopen 39Ar av ädelgasen argon (Ar) används för datering. Med en halveringstid på 269 år, den är särskilt lämplig för 50- till 1, 000-års räckvidd. Denna tidsperiod är avgörande för att förstå rörelsen av ytvatten i djuphavet. Men det finns bara en enda atom av den eftertraktade 39Ar-isotopen i tusen miljarder (1015) argonatomer i atmosfären och ytvattnet. Hur många av dessa isotoper kan fortfarande detekteras i djupt vatten som inte har haft kontakt med atmosfären på en tid? Tills nu, att besvara denna fråga krävde stor ansträngning och en enorm urvalsstorlek. Heidelbergforskarna har nu anpassat en fundamentalt ny mätmetod, Atom Trap Trace Analysis (ATTA), speciellt för 39Ar.

Med denna metod, forskargruppen ledd av prof. Dr. Markus Oberthaler vid Kirchhoff Institute for Physics kunde minska den provstorlek som behövs för att datera från minst 1, 000 liter vatten till fem. "Till skillnad från konventionella metoder, vi väntar inte på att isotopen spontant ska sönderfalla för att fånga den; vi bromsar atomerna med modern laserteknik, fånga dem i atomfällor, och selektivt räkna enskilda atomer, " förklarar Dr Sven Ebser, studiens främsta författare. Varje isotop svarar på minimalt olika laserljus, som fysikerna använder till sin fördel i denna process. Denna lilla effekt i våglängden är tillräckligt för att "manipulera" och detektera de önskade 39Ar-atomerna medan alla andra atomer fritt kan passera genom atomfällan obemärkt.

"39Ar-metoden var tillgänglig för vårt arbete endast på grund av den kraftigt minskade urvalsstorleken, " förklarar oceanografen Dr. Toste Tanhua från GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research. Som pilotstudien utanför Kap Verdeöarna visade, metoden gör det möjligt för forskarna att mycket mer exakt identifiera när ett vattenprov senast hade kontakt med atmosfären. Detta ger nya insikter om spårämnens rörelse i havet. I området som studeras på djup mellan 1, 000 och 2, 000 meter, till exempel, det var betydligt mindre blandning än vad som antagits. Beräkningarna tyder på att mer CO2 tas upp från atmosfären än vad man tidigare trott. "Jag är säker på att en global 39Ar-datauppsättning kommer att leda till helt nya upptäckter om havscirkulation och 'andningen' av världshaven, " konstaterar Dr Tanhua.

"Den nya mätmetoden kommer inte bara att gynna havsforskning utan även grundvatten- och isforskning, ", tillägger prof. dr. Werner Aeschbach vid Institutet för miljöfysik vid Heidelbergs universitet. Enligt prof. Oberthaler, projektet är ett utmärkt exempel på hur grundforskning inom atomfysik kan leda till upptäckter inom till en början helt orelaterade områden.