Mario Wannier, en karriärgeolog med expertis i att studera små marina liv, sorterade metodiskt genom partiklar i prover av strandsand från Japans Motoujina -halvö när han upptäckte något oväntat:ett antal små, glaskulor och andra ovanliga föremål.

Wannier, som nu är pensionär, hade jämfört biologiskt skräp i strandsand från olika områden i ett försök att mäta hälsan hos lokala och regionala marina ekosystem. Arbetet innebar att undersöka varje sandpartikel i ett prov under ett mikroskop, och med en fin borste, separera intressanta partiklar från sedimentkorn till en bricka för vidare studier.

En överraskning i sandkornen:glasartade partiklar

"Jag hade sett hundratals strandprover från Sydostasien, och jag kan genast skilja mineralkorn från partiklar som skapas av djur eller växter, så det är väldigt enkelt, sa han. I Motoujina -sanden, samlad av Wanniers kollega, Marc de Urreiztieta, han hittade välkända spår av encelliga organismer som kallas foraminifera, som finns i en mängd olika former. De har vanligtvis skal och bor i och runt havsbotten sediment.

"Men det var något annat ... det är så uppenbart när man tittar på proverna, "sa han." Du kan inte missa dessa främmande partiklar. De är i allmänhet aerodynamiska, glasartad, rundade-dessa partiklar påminde mig omedelbart om några sfärula (rundade) partiklar som jag hade sett i sedimentprover från Krita-tertiärgränsen, "den så kallade K-T-gränsen som nu kallas Krita-Paleogen-gränsen (K-Pg) som markerade en planetmässig utrotningshändelse, inklusive dinosauriernas död, för ungefär 66 miljoner år sedan.

1980, Luis Alvarez, en nobelpristagare som arbetade på Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley, tillsammans med sin son, geologen Walter Alvarez, föreslog en teori, baserat på en hög koncentration av iridium i avlagringar vid K-Pg-gränsen, att en stor meteoritpåverkan orsakade denna massiva dö-off. Tillsammans med nyare bevis, forskare tror nu att påverkan inträffade i regionen på Yucatanhalvön. Vid meteoritpåverkan, flytande markmaterial matas ut i atmosfären, bildar droppar av glasartat material som faller tillbaka till marken.

Några av de glasartade sfärerna som Wannier undersökte verkade smälta ihop med andra sfärer, och andra uppvisade svansliknande funktioner. Medan några av de glasartade partiklarna liknade de som är förknippade med meteoritpåverkan, andra som Wannier hittade var inte så bekanta-bland dem fanns partiklar med en gummiliknande komposition och partiklar med olika material belagda i ett lager eller flera lager av glas eller kiseldioxid. Många av partiklarna mätte cirka 0,5 millimeter till 1 millimeter över.

Wannier hade då ingen aning om att detta glasartade menageri av partiklar som han stötte på skulle leda till en årelång forskningsinsats som skulle involvera forskare och experiment vid Berkeley Lab och UC Berkeley. Ansträngningen skulle i slutändan avslöja mångfalden och uniken hos de studerade partiklarna, inklusive ovanliga kemiska och mineraliska blandningar; den exotiska högtemperatur- och högtrycksmiljön där de bildades; och potentialen för nya upptäckter i ytterligare utforskningar.

Koncentration, materialvolym pekar på A-bombsprängning

Efter detta första fynd 2015, Wannier reste till Japan för att samla fler strandsandprover från samma region, nära staden Hiroshima.

I alla dessa prover, det fanns mellan 12,6 till 23,3 gram av dessa sfäroider och andra ovanliga partiklar för varje kilo sand. Detta udda sortiment av glasartade partiklar stod för mellan 0,6 procent till 2,5 procent av alla korn som undersöktes. Wannier plockade cirka 10, 000 av dessa partiklar från sanden och sorterade dem i sex olika grupper efter deras fysiska egenskaper.

De konsekvent höga koncentrationerna av detta konstiga sortiment av partiklar i strandsand som samlats cirka 4 till 7 miles från staden Hiroshima väckte hans misstankar om att de kan vara relaterade till atombombsprängningen som förstörde Hiroshima på morgonen den 6 augusti, 1945. Den bomben hade omedelbart dödat 70, 000 eller fler personer, med ett slutligt antal dödsfall som står för de associerade strålningseffekterna som möjligen överstiger 145, 000. Bomben och resulterande eldstormar utjämnade mestadels ett område som mäter mer än 4 kvadratkilometer, och förstörde eller skadade uppskattningsvis 90% av strukturerna i staden.

Baserat på volymen av det glasartade skräpet som finns i strandsanden, Wannier och hans kollegor uppskattade att en kvadratkilometer, eller ungefär 0,4 kvadratkilometer sand i området, uppsamlad från dess yta till ett djup av cirka 4 tum, skulle innehålla cirka 2, 200 till 3, 100 ton av partiklarna.

En studie som beskriver analyserna av materialet, publicerad i tidningen Antropocen , ger en uttömmande undersökning av de många möjliga källorna för de ovanliga partiklarna, och drar slutsatsen att de är A-bombnedfall från den förstörda staden Hiroshima.

"Detta var den värsta konstgjorda händelsen någonsin, överlägset, "Wannier sa." Förvånad över att hitta dessa partiklar, den stora frågan för mig var:Du har en stad, och en minut senare har du ingen stad. Det var frågan om:"Var är staden ¬¬- var är materialet?" Det är en trove att ha upptäckt dessa partiklar. Det är en otrolig historia. "

Ansluter till Berkeley Lab, UC Berkeley för detaljerade analyser

Wannier och de Urreiztieta ville lära sig mer om proverna, så de kontaktade Rudy Wenk, professor i mineralogi vid UC Berkeley och sedan länge Berkeley Lab -medlemsförbund - Wannier och Wenk hade båda studerat geologi vid universitetet i Basel, Schweiz, decennier tidigare.

Wenk studerade först proverna i Hiroshima-området med ett elektronmikroskop. Detta möjliggjorde en detaljerad undersökning av deras sammansättning och strukturer.

Han observerade en stor variation i den kemiska sammansättningen av proverna, inklusive koncentrationer av aluminium, kisel och kalcium; mikroskopiska kulor av kromrikt järn; och mikroskopisk förgrening av kristallina strukturer. Andra består mestadels av kol och syre.

"Några av dessa liknar det vi har från meteoritpåverkan, men kompositionen är ganska annorlunda, "Sa Wenk." Det var ganska ovanliga former. Det fanns lite rent järn och stål. Några av dessa hade sammansättningen av byggmaterial. "

För att samla ytterligare detaljer om proverna, Wenk vände sig till Berkeley Lab, där han och hans elever har genomfört många elektronmikroskopi och röntgenförsök genom åren. Han tog utvalda prover till Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) och utförde ett antal mätningar där.

Nobumichi "Nobu" Tamura, en personalvetare vid ALS som Wenk tidigare arbetat med, tillsammans med dåvarande ALS-kollegorna Camelia Stan och Binbin Yue (Stan och Yue har sedan lämnat Berkeley Lab), hjälpte till att analysera proverna i en skala mindre än 1 mikron, eller 1 miljonedel av en meter, med hjälp av en teknik som kallas röntgenmikrodiffraktion.

Båda Tamuras föräldrar föddes i Japan, och han sa att han personligen var intresserad av att delta i studien på grund av sin familj. "Min pappa var 12 år när bombningen inträffade, och bodde bara 200 mil norr om Hiroshima, så han bevittnade direkt nyheterna och resultaten av dessa fruktansvärda händelser, Sa Tamura.

Experimenten och relaterade analyser bestämde att partiklarna hade bildats under extrema förhållanden, med temperaturer som överstiger 3, 300 grader Fahrenheit (1, 800 Celsius), vilket framgår av sammansättningen av anortit- och mullitkristaller som forskarna identifierade.

Tamura noterade att den unika mikrostrukturen hos de studerade partiklarna och den stora mängden smältrester som finns närvarande också ger starka bevis för hur de bildades.

"Atomexplosionshypotesen är den enda logiska förklaringen till deras ursprung, " han sa.

Studien beskriver forskarnas resultat

Många av de sfärformade partiklarna och andra bitar bildas sannolikt vid en hög höjd runt sprängningens eldklot. Materialen som svepte upp från marken bubblade och blandades i denna turbulenta miljö innan de svalnade och kondenserades och sedan regnade ner.

Wannier förklarade processerna som sannolikt bildade materialen i ett atommoln:"Grundmaterialet är volatiserat och flyttas in i molnet, där den höga temperaturen förändrar det fysiska tillståndet, "Wannier sa." Det finns många interaktioner mellan partiklar. Det finns många små sfärer som krockar, och du får denna tätort. "

Forskare fann också att sammansättningen av skräppartiklarna överensstämmer nära med material som var vanliga i Hiroshima vid bombningen, som betong, marmor, rostfritt stål, och gummi.

Andra studier har analyserat smältskräp från Trinity -testplatsen i New Mexico - där den första kärnkraftsexplosionen utlöstes - och från underjordiska kärnprovplatser i Nevada. Men dessa prover har en helt annan sammansättning som är associerad med deras lokala geologiska miljö.

Trinity -skräpet kallas trinitit, och forskare i den senaste studien har kallat smältpartiklarna som de studerat som Hiroshimaite för att lyfta fram deras distinkta egenskaper och deras troliga ursprung i Hiroshima A-bombexplosionen.

"Hiroshimaitpartiklar är mycket mer komplexa och olika än trinititer, "Sa Tamura, på grund av deras troliga uppkomst i Hiroshimas stadscentrum.

Även om det hade gjorts samordnade internationella insatser för att hjälpa överlevande som lider av strålningseffekter, för att mäta strålningsnivåerna, och för att bedöma den totala skadan orsakad av atombombningarna 1945 i Hiroshima och Nagasaki, studien noterade att smältresterna i samband med dessa bombningar tydligen inte hade studerats tidigare.

Den senaste studien uppmuntrar ytterligare tester för att ta reda på om några prover innehåller radioaktiva element, och att genomföra ytterligare studier i områdena Hiroshima och Nagasaki.

Planer för uppföljningsstudier

Wannier sa att han har tagit emot jordprov från ground zero i Hiroshima och kan leta efter skräpprov från djupare underjordiska där, och han har också fått ett jordprov som innehåller glasartat skräp från en bäck ungefär 30 mil nordväst om där Hiroshima A-bomben slog till-historiska rekord visar att området låg i atommolnets väg.

Han sa att han också hoppas kunna utforska om smältresterna uppvisar likheter med material i samband med vulkanutbrott.

Tamura och Wenk noterade att denna första studie fokuserade på bara ett litet antal smältresterpartiklar, och det kan vara värt att genomföra en större studie för att lära sig mer om de extrema förhållanden som orsakade skräpet och för att möjligen avslöja mer unik kemi eller mineralogi.

Wenk tillade, "Det var ganska fascinerande att titta på alla dessa material. Det vi hoppas är att få andra människor att intressera sig för att titta mer på det här, och letar efter exempel runt Nagasaki A-bombplats. "

Wenk skickade en kopia av den senaste studien till Jun-Ichi Ando, en professor vid Institutionen för jord- och planetsystemvetenskap vid Graduate School of Science vid Hiroshima University - de hade träffats medan Wenk tjänstgjorde som gästprofessor vid Hiroshima University 1998.

"Jag tror att denna typ av forskning är mycket viktig för Hiroshima University, som ett universitet som ligger på A-bombplatsen, "Ando sa, noterade att han delade studien med en kollega som är mineralog och studerar Yucatan-regionens meteoritpåverkan. Han delade det också med Rebun Kayo, en stipendiat vid universitetet som leder en uppsökande grupp som ökar medvetenheten om kärnvapen genom att dela bomb-ärrade Hiroshima takpannor och tegel med institutioner runt om i världen.

I en orelaterad insats, Ando har studerat en stor bit granit i samband med Atomic Bomb Dome -strukturen i Hiroshima - det var den enda byggnaden som förblev stående nära mark noll. Kayo hittade och återhämtade granitbiten från en lokal flodbädd nära den kupolformade byggnaden 2017. Det är också känt som Genbaku Dome eller Hiroshima Peace Memorial.

"Jag försökte hitta tecken på smältning och chockvågen registrerad på ytan av granitpelaren" med hjälp av elektronmikroskopi, Ando sa - hans egen forskning fokuserar vanligtvis på mikrostrukturer av bergarter i seismiska fel.

Wannier sa att skräpstudien har varit en upplysande resa för honom, och han hoppas kunna fortsätta med forskningen. "I 70 plus år har detta material funnits och har aldrig studerats i detalj. Vi hoppas att detta väcker uppmärksamhet bland det vetenskapliga samfundet, " han sa.

"Vi hoppas att människor utnyttjar denna möjlighet."