Впервые стало возможным одновременно и с предельной точностью измерить четыре редких молекулярных варианта диоксида углерода (CO2) с помощью нового лазерного прибора. Таким образом, он может измерять температуру во время образования карбонатов, связывающих CO2, и углеродистых ископаемых полностью независимо от других параметров. Измерительный прибор на основе лазерной спектроскопии как геотермометр нового типа имеет важное значение для научных дисциплин, изучающих, например, климатические условия в истории Земли. Он был разработан немецко-французской исследовательской группой при существенном участии физиков-экологов из Гейдельбергского университета.
Наука изучает распределение атомных строительных блоков двуокиси углерода, чтобы лучше понять ключевые геохимические и биогеохимические циклы, а также климатические процессы на нашей планете. Знания о ледниковых холодных и межледниковых теплых фазах в истории Земли в значительной степени основаны на этой методологии. Анализ изотопного распределения диоксида углерода используется также для карбонатов, в которых минерализован СО2. Новый подход включает изучение изотопного распределения между различными вариантами одной и той же молекулы, особенно редкими молекулярными вариантами.
Только в последние годы стало возможным измерять атомный состав CO2 и карбоната с помощью высокоточной масс-спектроскопии, так что температура образования карбоната может быть непосредственно определена по относительному содержанию, при котором несколько вариантов происходит молекула. В термодинамическом равновесии распределение изотопов между различными вариантами зависит исключительно от температуры и не зависит от других параметров. «Таким образом, этот метод оказался особенно надежным и уникальным физическим термометром в геофизических и климатических исследованиях», - утверждает доктор Тобиас Клюге, изучающий физику изотопологов в Институте физики окружающей среды Гейдельбергского университета.
Для количественного определения редких вариантов CO2 с предельной точностью - более 1 из 20 000 - немецко-французская команда впервые использовала инфракрасный лазер, который доктор Клюге характеризует как фундаментальный технический прорыв. В экспериментальном исследовании различных гидротермальных систем Верхне-Рейнского желоба ученые использовали свой новый лазерный прибор для определения на основе CO2 температур, в целом соответствующих температурам местных подземных вод. «Измеренные температуры также согласовывались с результатами одновременных масс-спектрометрических анализов», - объясняет основной автор исследования Иван Прохоров, получивший докторскую степень в Гейдельбергской высшей школе фундаментальной физики им. Руперто Карола, а сейчас работающий в Национальном институте метрологии Германии (PTB) в Брауншвейге.
По словам доктора Кристофа Янссена из Французского национального центра научных исследований (CNRS) в Париже, этот технологический прогресс может вскоре превзойти точность масс-спектрометрии, а также значительно сократить время измерений. Он также должен поддерживать полевые измерения в будущем. Одним из особых преимуществ лазерного прибора является его прямой доступ к переменной температуры, объясняет д-р Клюге. Просто сравнивая, как часто встречаются исследуемые молекулярные варианты, можно однозначно определить температуру СО2, тогда как масс-спектрометрия всегда требует калибровок и регулярных стандартных измерений. «Мы уже смотрим в будущее и работаем над разработкой способов измерения еще более редких и пока недоступных вариантов изотопов, позволяющих количественно измерять еще более сложные биогеохимические процессы», - добавляет исследователь из Гейдельберга.