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I. Prokhorov, T. Kluge, C. Janssen: Optical clumped isotope thermometry of carbon dioxide. Scientific Reports 9:4765 (2019), https://doi.org/10.1038/s41598-019-40750-z

 
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(direkt abrufbar bis 17. Juni 2019)

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Neues Messinstrument: Kohlenstoffdioxid als Geothermometer

Pressemitteilung Nr. 52/2019
20. Mai 2019
Forscher quantifizieren mithilfe der Laserspektroskopie seltene CO2-Varianten
Geysir Andernach

Foto: I. Prokhorov

Temperaturabh?ngige ?nderung der CO2-Isotopologenverteilung: Bei niedrigen Temperaturen tritt deutlich h?ufiger ein Molekül mit seltenen Isotopen auf. Das Foto zeigt den Austritt von CO2 aus einem hydrothermalen System, dem Geysir Andernach.

Mit einem neuartigen Laserinstrument ist es erstmals m?glich, vier seltene Molekülvarianten des Kohlendioxids (CO2) gleichzeitig und mit h?chster Genauigkeit zu messen. Auf diese Weise kann die Temperatur bei der Bildung von CO2-bindenden Karbonaten und karbonatischen Fossilien v?llig unabh?ngig von anderen Parametern bestimmt werden. Als eine neue Art von Geothermometer ist das auf Laserspektroskopie basierende Messinstrument von Bedeutung für Wissenschaftsdisziplinen, die sich zum Beispiel mit klimatischen Verh?ltnissen in der erdgeschichtlichen Vergangenheit besch?ftigen. Entwickelt wurde es von einem deutsch-franz?sischen Forscherteam. Ma?geblich daran beteiligt waren Umweltphysiker der Universit?t Heidelberg.

Die Wissenschaft untersucht die Verteilung der atomaren Bausteine von Kohlendioxid, um wichtige geochemische und biogeochemische Zyklen sowie klimatische Prozesse auf unserem Planeten zu ergründen. Das Wissen über Eis- und Warmzeitphasen der Erdgeschichte beruht zu einem wesentlichen Teil auf dieser Methodik. Genutzt wird die Analyse der isotopischen Verteilung des Kohlenstoffdioxids auch für Karbonate, in denen CO2 mineralisiert wird. Ein neuartiger Ansatz besch?ftigt sich mit der Isotopenverteilung zwischen verschiedenen Varianten desselben Moleküls, insbesondere seltenen Molekülvarianten.

Erst seit wenigen Jahren ist es m?glich, die atomare Zusammensetzung von CO2 und Karbonat mittels hochpr?ziser Massenspektrometrie zu bestimmen – und zwar so, dass aus der relativen H?ufigkeit, mit der mehrere Varianten eines Moleküls auftreten, direkt auf die Bildungstemperatur des Karbonats geschlossen werden kann. Im thermodynamischen Gleichgewicht h?ngt die Verteilung der Isotope zwischen den verschiedenen Varianten nur von der Temperatur ab und wird nicht von anderen Parametern beeinflusst. ?Damit hat sich diese Bestimmungsmethode als ein besonders robustes und einzigartiges physikalisches Thermometer in der Geophysik und der Klimaforschung erwiesen“, sagt Dr. Tobias Kluge, der am Institut für Umweltphysik der Universit?t Heidelberg zur Physik der Isotopologen forscht.

Um die seltenen CO2-Varianten mit h?chster Genauigkeit – genauer als 1 in 20.000 – zu quantifizieren, nutzt das deutsch-franz?sische Team nun erstmals Infrarotlaser, was nach den Worten von Dr. Kluge einen grundlegenden technischen Durchbruch darstellt. Im Rahmen einer Pilotstudie mit verschiedenen hydrothermalen Systemen des Oberrheingrabens ist es den Wissenschaftlern gelungen, anhand von CO2 mit ihrem neuen Laserinstrument Temperaturen zu bestimmen, die im Allgemeinen denen des lokalen Grundwassers entsprachen. ?Die Temperaturmessungen stimmten dabei auch mit den Ergebnissen der gleichzeitig durchgeführten massenspektrometrischen Analysen überein“, erkl?rt Ivan Prokhorov, der Erstautor der Studie, der an der Heidelberger Graduiertenschule für Fundamentale Physik der Ruperto promoviert wurde und nun an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig t?tig ist.

Nach Angaben von Dr. Christof Janssen vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Paris k?nnte die Weiterentwicklung der Technik schnell die Genauigkeit der Massenspektrometrie überschreiten und zus?tzlich eine drastische Verkürzung der Messzeiten erm?glichen. Damit sollen künftig auch Feldmessungen m?glich sein. Ein besonderer Vorteil des Laserinstruments ist sein direkter Zugriff auf die Messvariable Temperatur, wie Dr. Kluge erl?utert. Allein durch den Vergleich, wie h?ufig die untersuchten Molekülvarianten auftreten, l?sst sich die Temperatur von CO2 unzweideutig bestimmen, w?hrend bei der Massenspektrometrie immer Kalibrationen und regelm??ig Standardmessungen erforderlich sind. ?Wir blicken bereits in die Zukunft und arbeiten daran, die M?glichkeiten zur Messung von noch selteneren und bislang unerreichbaren Isotopenvarianten umzusetzen. Damit lassen sich dann auch noch komplexere biogeochemische Prozesse quantitativ auswerten“, sagt der Heidelberger Wissenschaftler.

Die Forschungsergebnisse wurden in ?Scientific Reports“ ver?ffentlicht. Gef?rdert wurden die Arbeiten von der Heidelberg Graduate School of Fundamental Physics (HGSFP).

Seitenbearbeiter: E-Mail
Letzte ?nderung: 21.05.2019
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