Utsläpp av koldioxid från gejsern Andernach. Kredit:I. Prokhorov.
För första gången, det är nu möjligt att mäta, samtidigt och med extrem precision, fyra sällsynta molekylära varianter av koldioxid (CO 2 ) med ett nytt laserinstrument. Den kan alltså mäta temperaturen under bildandet av CO 2 -bindande karbonater och kolhaltiga fossiler helt oberoende av andra parametrar. Som en ny typ av geotermometer, den laserspektroskopi-baserade mätanordningen är viktig för vetenskapliga discipliner som undersöker, till exempel, klimatförhållanden i jordens historia. Det utvecklades av ett tysk-franskt forskarlag, med betydande bidrag från miljöfysiker vid Heidelbergs universitet.
Vetenskapen studerar fördelningen av atomära byggstenar av koldioxid för att utveckla en bättre förståelse för viktiga geokemiska och biogeokemiska cykler samt klimatprocesser på vår planet. Kunskapen om glaciala kalla och interglaciala varma faser i jordens historia bygger till stor del på denna metodik. Analysen av isotopfördelningen av koldioxid används också för karbonater i vilka CO 2 är mineraliserat. Ett nytt tillvägagångssätt innebär att undersöka isotopfördelningen mellan olika varianter av samma molekyl, särskilt sällsynta molekylära varianter.
Först på senare år har det blivit möjligt att mäta atomsammansättningen av CO 2 och karbonat med masspektroskopi med hög precision, så att bildningstemperaturen för karbonatet direkt kan härledas från den relativa mängden vid vilken multipla varianter av en molekyl förekommer. I termodynamisk jämvikt, fördelningen av isotoper mellan de olika varianterna beror enbart på temperatur och påverkas inte av andra parametrar. "Denna metod har därför visat sig vara en särskilt robust och unik fysisk termometer inom geofysik och klimatforskning, " säger Dr. Tobias Kluge, som studerar isotopologernas fysik vid Heidelbergs universitets institut för miljöfysik.
För att kvantifiera den sällsynta CO 2 varianter med största precision - större än 1 av 20, 000—det tysk-franska laget använde en infraröd laser för första gången, som Dr Kluge karakteriserar som ett grundläggande tekniskt genombrott. I en pilotstudie av olika hydrotermiska system i övre Rhengraven, forskarna använde sitt nya laserinstrument för att fastställa, på grundval av CO 2 , temperaturer som i allmänhet motsvarar det lokala grundvattnets. "De uppmätta temperaturerna överensstämde också med resultaten av samtidiga masspektrometriska analyser, " förklarar studiens primära författare Ivan Prokhorov, som tog sin doktorsexamen vid Heidelberg Graduate School of Fundamental Physics vid Ruperto Carola och är nu vid National Metrology Institute of Germany (PTB) i Braunschweig.
Enligt Dr. Christof Janssen från det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS) i Paris, detta tekniska framsteg kan snart överträffa precisionen i masspektrometri samt drastiskt förkorta mättiden. Det bör också stödja fältmätningar i framtiden. En speciell fördel med laserinstrumentet är dess direkta tillgång till temperaturvariabeln, förklarar Dr Kluge. Bara genom att jämföra hur ofta de undersökta molekylära varianterna förekommer, temperaturen på CO 2 kan entydigt bestämmas, medan masspektrometri alltid kräver kalibreringar och regelbundna standardmätningar. "Vi ser redan mot framtiden och arbetar på att utveckla sätt att mäta ännu sällsynta och hittills otillgängliga isotopvarianter, möjliggör kvantitativ mätning av ännu mer komplexa biogeokemiska processer, ", tillägger Heidelberg-forskaren.
