Neues Messinstrument: Kohlenstoffdioxid als Geothermometer

Mit einem neuartigen Laserinstrument ist es erstmals möglich, vier seltene Molekülvarianten des Kohlendioxids (CO2) gleichzeitig und mit höchster Genauigkeit zu messen. Auf diese Weise kann die Temperatur bei der Bildung von CO2-bindenden Karbonaten und karbonatischen Fossilien völlig unabhängig 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 Verhältnissen in der erdgeschichtlichen Vergangenheit beschäftigen.

Entwickelt wurde es von einem deutsch-französischen Forscherteam. Maßgeblich daran beteiligt waren Umweltphysiker der Universität 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 beschäftigt sich mit der Isotopenverteilung zwischen verschiedenen Varianten desselben Moleküls, insbesondere seltenen Molekülvarianten.

Erst seit wenigen Jahren ist es möglich, die atomare Zusammensetzung von CO2 und Karbonat mittels hochpräziser Massenspektrometrie zu bestimmen – und zwar so, dass aus der relativen Häufigkeit, mit der mehrere Varianten eines Moleküls auftreten, direkt auf die Bildungstemperatur des Karbonats geschlossen werden kann.

Im thermodynamischen Gleichgewicht hängt 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 Universität Heidelberg zur Physik der Isotopologen forscht.

Um die seltenen CO2-Varianten mit höchster Genauigkeit – genauer als 1 in 20.000 – zu quantifizieren, nutzt das deutsch-französische 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“, erklärt 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 tätig ist.

Nach Angaben von Dr. Christof Janssen vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Paris könnte die Weiterentwicklung der Technik schnell die Genauigkeit der Massenspektrometrie überschreiten und zusätzlich eine drastische Verkürzung der Messzeiten ermöglichen. Damit sollen künftig auch Feldmessungen möglich sein.

Ein besonderer Vorteil des Laserinstruments ist sein direkter Zugriff auf die Messvariable Temperatur, wie Dr. Kluge erläutert. Allein durch den Vergleich, wie häufig die untersuchten Molekülvarianten auftreten, lässt sich die Temperatur von CO2 unzweideutig bestimmen, während bei der Massenspektrometrie immer Kalibrationen und regelmäßig Standardmessungen erforderlich sind.

„Wir blicken bereits in die Zukunft und arbeiten daran, die Möglichkeiten 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“ veröffentlicht. Gefördert wurden die Arbeiten von der Heidelberg Graduate School of Fundamental Physics (HGSFP).

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Dr. Tobias Kluge
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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

http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/isotopologues