作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2022/9/29 22:13:14
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把单原子抓进“阱”里 千年冰芯有了准确年龄

海拔5900米青藏高原上钻取的109米冰芯,遇上一种基于量子精密测量的新兴定年方法,这会是一种怎样的碰撞?

9月26日,中国科学技术大学(以下简称中国科大)教授卢征天、蒋蔚带领的单原子探测团队与云南大学(以下简称云大)研究员田立德带领的冰川学团队合作,在美国《国家科学院院刊》发表研究成果。团队首次在国际上对冰芯进行了氩-39同位素定年测量,为青藏高原羌塘冰川冰芯建立了上千年的精准年代标尺。

一位审稿专家表示,“我确信这篇文章将成为一个重要的参考工作,为未来的相关研究指引方向。”

新提取出来的羌塘冰川冰芯。摄影:极地未来。.jpg

新提取出来的羌塘冰川冰芯 极地未来 摄

大气环境的“独特档案”

所谓冰芯,就是以打钻方式从冰川内部取得的芯。一般而言,冰芯从底部越向上年代越新。

“这些冰芯记录了多种气候环境变化指标,通常分为三大类:第一类是冰本身,也就是水分子中氢、氧同位素比例可以反映温度变化;第二类是冰芯中大气成分和含量,如二氧化碳、甲烷等温室气体可以揭示大气成分变化的过程。”田立德介绍说。

第三类是冰芯中含有的各类杂质。比如肉眼可见的尘土,可以推断出当时沙尘暴活动较多。还有实验室仪器检测出的各种化学成分,可以提供自然活动和人类活动的相关信息。

可以说,冰芯堪称保存大气环境的“独特档案”,而掌握冰芯准确的年代信息是解码档案的第一步。

2014年5月,田立德与同事们在海拔5900米青藏高原“羌塘一号”冰川顶部连续奋战十多个通宵(白天温度高,融化的冰屑容易将钻机卡住),成功钻取了两根长达109米的透底冰芯,并常年保存在-17℃的冷库里。

我国青藏高原被誉为世界第三极,是中低纬度古气候研究的宝库。

“不同于南极北极,青藏高原积累雪量大,冰芯分辨率更高。其次其所处纬度人类聚居,活动轨迹多,冰芯记录的历史、现实与人类生存环境更加息息相关。”田立德说,这使得青藏高原冰芯研究工作尤为重要,也正因为如此,青藏高原吸引了来自世界各地的科学家,成为国际冰芯研究的“角逐场”。

这两根冰芯是什么年代的?包含了哪些信息?如何解码这份来之不易的“档案”?是田立德团队接下来面对的课题。而中国科大卢征天团队正好拥有打开这份档案的“钥匙”。

科考队在青藏高原羌塘冰川钻取冰芯。摄影:极地未来。.jpg

科考队在青藏高原羌塘冰川钻取冰芯 极地未来 摄

半个世纪的难题

大气中有三种稀有的放射性气体同位素,分别是氪-85、氩-39、氪-81。

“这些同位素是自然界的天然时钟。”卢征天介绍说,一方面,它们均匀分布在大气中,其惰性使它们免受化学反应。并且它们在大气中的产生与其衰变处于平衡状态,使其同位素丰度(稀有气体同位素与稳定气体同位素的比值)比较稳定;另一方面,一旦它们与大气环境隔绝,比如被封闭在冰里,这时由于没有新产生的同位素补充,其同位素丰度会按照核衰变规律逐年减少。

因此可以通过分析样品里的放射性同位素丰度,反演出样品年龄。这就是放射性同位素定年的原理。

早在1969年,瑞士地球科学家Hans Oeschger和Hugo Loosli就提出了氩-39等是山地冰川的理想定年同位素。

然而,检测它们极为困难。“氩-39同位素丰度极低,可低至十亿亿分之一。并且这些原子混合在比它多17个数量级的氩原子里。”卢征天说,这种检测难度就好比在海滩上找到一粒特别的沙子。

因此,在过去半个世纪以来,冰芯中氩-39的定量分析一直是个难题。

用于39Ar分析的单原子灵敏探测装置。设计:杨国民。.jpg

用于氩-39分析的单原子灵敏探测装置 杨国民 设计

把氩-39抓进原子“阱”里

此次研究中,卢征天团队采用了一种称为“原子阱痕量分析(ATTA)”的方法。

这个方法是卢征天早年在美国阿贡国家实验室工作时发明。其原理是使用精确控制的激光来操纵氩-39原子,把它们捕捉到由六束激光构成的“原子阱”中。原子在阱中会发出荧光,用灵敏的EMCCD相机探测到单个的氩-39原子,并一个一个“数”出来。

氩-39的半衰期为268年,它可以对50到1800年前的环境样品定年。

卢征天以一公斤的现代冰为例,“它里面大概有1万个氩-39原子。经过一个半衰期(268年)以后,氩-39原子数量就会减少一半,变成5000个;再过一个半衰期,就会再减少一半,变成2500个。随着时间的推移,氩-39原子数量会越来越少。因此冰芯里氩-39的丰度可以告诉我们冰形成的时间,也就是它的年龄。”

那么,问题来了。保存在云大冷库109米、约700公斤的冰芯,如何运到中国科大实验室做研究?

“当时,我的同事Florian Ritterbusch博士带着像‘高压锅’样的装置去云大田立德老师实验室,取出冰芯里面的气体并带回中国科大。”蒋蔚说,这是冰芯定年的第一步。

为什么要叫它“高压锅”呢?“因为它的密封性能好,其次我们真的在锅底下点火,将冰融化,取出气体。”蒋蔚笑着说,“你别小看这口‘高压锅’,为了取样,它去过青藏高原、上海、法国巴黎和韩国首尔。” 

第二步提纯。蒋蔚解释说,“因为取回的气体里有各种各样化学成分,需要先把其他气体反应掉,只留下氩气。”

最后把分离出的氩气放到原子阱痕量分析仪器里,测量氩-39同位素的丰度,算出样品年龄。

在这项研究中,中国科大和云大团队利用氩-39定年法,最终获得了整根冰芯的年龄分布,其底部的年龄达到了1300年。

“我们前期估算了这根冰芯的年龄范围在1400年左右,这一年龄段正好与理论上氩-39定年范围接近。最新合作成果首次证实了氩-39在千年冰芯绝对定年研究中的巨大潜力。”田立德说,氩-39定年技术还可用于青藏高原其它冰芯的定年,解决地球科学家多年无法攻克的冰芯绝对定年难题。

田立德表示,“新方法将提高中低纬山地冰川作为气候档案的价值。山地冰川不仅分布在青藏高原,还在欧洲的阿尔卑斯山脉、南美的安第斯山脉以及中亚等地区广泛存在。作为古气候记录,它们是南北两极冰川的重要补充。”

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在中国科大激光痕量探测与精密测量实验室,团队成员在做实验 蒋蔚 摄

计划建立面向全球的同位素检测中心

在中国科大激光痕量探测与精密测量实验室,原子阱痕量分析仪器的光学平台上摆满了各种各样的光学元件,看起来令人眼花缭乱。

蒋蔚介绍说,“这些光学元件都有固定位置,并非随便摆放。学生们花了几个月时间安装调试,使得复杂光路产生用来抓捕和探测氩-39原子的特定频率激光。” 

而且,最新仪器的效率也大大提高。“2010年,我们在美国用自然丰度的氩气做过一个实验,当时5个小时才能看到1个氩-39原子。” 卢征天说,“现在在中国科大,用最新的仪器测量同样丰度的氩气,每小时可以探测到10个氩-39原子,计数率比当时提高了50倍。”

这项研究中,科研人员还将氩-39定年结果与基于数年层法构建的冰芯年代标尺做了比对,对其进行了修正,约束了冰川流动模型,最终建立了基于氩-39结果的新冰芯年标。

“这篇文章将会引起冰芯科学家、古气候学家以及放射性同位素定年专家的广泛兴趣。”另一位审稿专家如是说。

卢征天、蒋蔚团队长期以来致力于发展氪-81、氩-39等稀有的气体同位素的超灵敏检测技术,使其真正应用于前沿地球科学研究。尖端的测量技术吸引了国内外科学家开展合作,在地下水、冰川和海洋等研究领域接连取得了一系列进展,显示了新技术对创新性研究的推动作用。

卢征天表示,“下一步,团队一方面将继续发展原子阱痕量分析仪器,提高各项指标性能,让它成为地球科学当中不可缺少的工具;另一方面,计划在合肥建立一个面向国际的同位素检测中心,与来自全球的研究小组开展合作研究。希望能助力我国地球科学家做出重大的原创性结果,在国际合作中起到主导作用。”

相关论文信息: https://doi.org/10.1073/pnas.2200835119

 
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