Direkte Radioisotopen-Datierung von sehr altem Eis

Die polaren Eiskappen bilden ein wertvolles Archiv, das atmosphärische und klimatische Vorgänge der Vergangenheit widerspiegelt. Die intensive Untersuchung von Eisbohrkernen erlaubt insbesondere das Paleo-Klima der Erde bis zu etwa 800,000 Jahre zurückzuverfolgen. Indirekte Datierungen von Eis in den Dry Valleys der Antarktis deuten darauf hin, dass Eis im Bereich von Millionen von Jahren existiert. Bisher war es aber nicht möglich dieses Eis direkt zu datieren. Das gegenwärtige Proposal schlägt die Verwendung von zwei kosmogenen Radioisotopen, 10Be (t = 1.386 Ma) und 26Al (t = 0.717 Ma) vor, deren Atom-Verhältnis, 26Al/ 10Be, als Chronometer für altes Eis verwendet werden kann. In einem geschlossenen System, wie es Eis sein könnte, nimmt das anfängliche 26Al/ 10Be Verhältnis mit zunehmendem Alter mit einer effektiven Halbwertszeit von 1.49 Ma ab. Das Verhältnis von zwei Radioisotopen mit ähnlichen Eigenschaften, sowohl die Produktion durch kosmische Strahlung als auch den atmosphärischen Transport betreffend, scheint besser geeignet für eine zuverlässige Datierung als ein einzelnes Radioisotope. Damit die Methode funktioniert, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein: i) Das 26Al/ 10Be-Verhältnis im Niederschlag muss global sowohl örtlich als auch zeitlich konstant sein, ii) es darf außerdem nicht anfällig für Fraktionierung der beiden Radioisotope nach dem Einschluss ins Eis sein. Unser Ziel ist es, die Anwendbarkeit der Methode zur direkten Datierung von Eis im Bereich von 0.5 bis 5 Millionen Jahren experimentell zu beweisen. In einem vorhergegangenen FWF Projekt (P17442-N02, "Das Studium von kosmogenem 26Al in Atmosphären- und Klimaforschung") wurden detaillierte Studien über das bis dahin nur schlecht bekannte meteorische 26Al und erste Messungen des 26Al/ 10Be Verhältnisses in der Atmosphäre und in tiefem Eis mit vielversprechendem Erfolg durchgeführt (Auer et al., Earth Planet. Sci, Lett., in press). Unser Vorschlag hier ist nun i) eine deutliche Verbesserung der analytischen Aspekte der Datierungsmethode gegenüber dem vorhergehenden Projekt, insbesondere eine wesentliche Verringerung der erforderlichen Eismenge und eine Ausweitung der Methode für Eis, das starke mineralische Verunreinigungen enthält, ii) eine Klärung der Ursachen für beobachtete Abweichungen (Fraktionierung) des 26Al/ 10Be Verhältnisses in tiefen Eisproben, und iii) eine Anwendung der geeignet verbesserten Methode zur Datierung von basalem Eis von Bohrkernen und von Millionen Jahre altem Eis von "rock glaciers" in der Antarktis. Ein wichtiger Teil des Projekts ist die enge Zusammenarbeit mit der Eisgruppe des Instituts für Umweltphysik der Universität Heidelberg, welche uns in allen Aspekten die Eisproben betreffend zur Seite stehen wird. Für die Beschaffung von Eisproben aus den Dry Valleys in der Antarktis werden Zusammenarbeiten mit der Universität von Washington in Seattle, USA und dem Antarctic Research Centre der Victoria University von Wellington, Neuseeland stattfinden. Alle Tests zur Verbesserung der Probenqualität, inklusive der Anwendbarkeit für "schmutziges" Eis und die AMS-Messungen werden am VERA Labor der Universität Wien durch geführt, welches langjährige Erfahrung mit dieser Art von Messungen hat.

Das Forschungsprojekt P 22401-N21 "Direkte Radioisotopen-Datierung von sehr altem Eis" ist das Nachfolgeprojekt des vom FWF geförderten Projekts P17442-N02 "Kosmogenes Al-26 in Atmosphären- und Klimaforschung". Im Vorgängerprojekt wurde durch Messung an Aerosolproben gezeigt, dass das atmosphärische Verhältnis der beiden kosmogenen Radionuklide 26Al (t1/2= 0.72 ??106 a) und 10Be (t1/2= 1.386 ???106 a) nur geringe geographische Schwankungen aufweist. Das 26Al/10 Be Atom-Verhältnis von Oberflächeneis stimmte mit dem atmosphärischen Wert von (1.89 ???0.07) ? 10-3 gut überein. Um das 26 Al/10 Be-Verhältnis für die Datierung von Eis nützen zu können muss als Voraussetzung erfüllt sein, dass die Änderungen des 26Al/10Be Verhältnisses im Eis ausschließlich durch den unterschiedlich raschen radioaktiven Zerfall verursacht werden und keine durch andere Vorgänge im Eis verursachten Verschiebungen (Fraktionierungen) des Verhältnisses von 26Al zu 10Be auftreten. Das gegenwärtige Projekt hatte zum Ziel offene Fragen, die sich aus den Ergebnissen des Vorgängerprojektes ergeben hatten, zu klären und zu untersuchen, ob Änderungen des meteorischen 26Al/10Be Verhältnisses (effektive Halbwertszeit: 1.49 ??106 a) in Eisproben zur Altersbestimmung von 0.5 bis 5 Millionen Jahre altem Eis herangezogen werden können.In einer ersten Untersuchung von Auer et al. wurde das 26Al/10Be-Verhältnis von Bohrmehlproben des antarktischen EDML Eisbohrkerns, die aus einer Tiefe von etwa 2500 bis 2760 Metern stammten (M. Auer, Dissertation 2009) gemessen. Es konnte von einer tiefen EDML Eisprobe eine Altersabschätzung von ~0.6 x 106 a mit dieser Methode gemacht werden, allerdings hatte die Studie auch ergeben, dass in höher gelegenen Eisschichten des Bohrkerns das 26Al/10Be Verhältnis signifikant über dem atmosphärischen Wert lag. Die Ursache dafür war unklar.Im jetzt abgeschlossenen Projekt wurden daher mehrerer EDML Proben (Bohrmehl), die aus einer ähnlichen Tiefe stammen wie die früheren Proben, untersucht. Bei der Aufarbeitung der neuen Proben wurden zwei unterschiedliche Schmelzmethoden angewandt um zu überprüfen, ob die von Auer gefundenen Anomalien im 26Al/10Be Verhältnis auf eine Fraktionierung oder Kontamination während der chemischen Aufbereitung der Proben zurückzuführen sind. Beide Methoden ergaben erhöhte 26Al/10Be Verhältnisse. Daher ist es unwahrscheinlich, dass dieser Effekt durch die verwendete chemische Methode verursacht wird. Dieser Befund wird erhärtet durch die Tatsache, dass eine von zwei Testproben von oberflächennahem Grönlandeis (NEEM) ebenfalls ein erhöhtes 26Al/10Be Verhältnis aufwies. Diese Proben stammten direkt vom Bohrkern und waren im Gegensatz zu den EDML Bohrmehlproben wenig verunreinigt. Das legt den Schluss nahe, dass die erhöhten Werte auf Vorgänge zurückzuführen sind, die im Eis selbst auftreten.Als Fazit kann gesagt werden, dass eine 26Al/10Be Datierung von altem Eis nach dem jetzigen Stand unserer Kenntnisse leider nicht sehr aussichtsreich scheint.