Nuevos conocimientos|Descubriendo el misterio del paradero de antiguos glaciares
Magnífico paisaje glaciar (imágenes de Internet)
La mayoría de la gente no comprende que durante la larga historia de cambios, una gran superficie de la superficie terrestre ha sido destruida por Enormes glaciares cubiertos de glaciares varias veces. A medida que el clima y el entorno geológico de la Tierra cambian, los glaciares también cambian y se mueven. Los científicos se dan cuenta de que el movimiento de los glaciares contiene información de gran importancia para los estudios humanos de la historia del desarrollo de la Tierra. El paradero de los glaciares ha sido observado durante 200 años, pero algunos misterios no han sido explicados satisfactoriamente a lo largo de los años. En los últimos años, con la ayuda de cierta tecnología, finalmente se ha resuelto el misterio del paradero del glaciar. ¿Cómo se resolvió este misterio?
Los geólogos dicen que fueron los aceleradores de partículas los que les ayudaron a comprender la verdad detrás de la caída del glaciar.
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El misterio del paradero de los glaciares
El período geológico en el que la superficie terrestre está cubierta por glaciares de gran escala se denomina edad de hielo. En la historia geológica de la Tierra, ha habido muchas edades de hielo importantes. La edad de hielo más reciente se llama Edad de Hielo Cuaternaria y comenzó hace unos 2 millones de años hasta el presente.
La división de edades de las edades de hielo de la Tierra (la imagen muestra la relación entre edad y temperatura) (imágenes de Internet)
Al comienzo de la Edad de Hielo Cuaternario, enormes glaciares cubrió la parte norte de la Tierra. Debido al cambio climático, los glaciares han experimentado múltiples avances y retrocesos a gran escala durante alternancias de períodos fríos y cálidos (llamados períodos interglaciares). El movimiento de los glaciares puede ser tan rápido como 30 metros por día y tan lento como alrededor de medio metro por año. El movimiento de los glaciares no solo provoca cambios en la forma del relieve terrestre, sino que también provoca cambios en los niveles del mar, los sistemas hídricos y las condiciones hidrológicas, cambios climáticos y extinciones y cambios biológicos, que tienen un gran impacto en los cambios ambientales de toda la tierra.
Debido a que la dirección de los glaciares contiene rica información geológica, los geólogos están muy interesados en los cambios de tiempo y trayectoria de los glaciares. El seguimiento de la información sobre el movimiento de los glaciares durante la Edad del Hielo tiene un gran valor de investigación para estudiar la historia de la Tierra y comprender los cambios climáticos de la Tierra y la evolución del entorno de vida humano en los últimos cientos de miles de años.
En los últimos 200 años, los geólogos no han logrado estudiar el movimiento de los glaciares durante la Edad del Hielo. Para comprender el ciclo de los cambios de la edad de hielo, comprender la distribución geográfica de las fluctuaciones climáticas globales y determinar el calendario, probaron varios medios técnicos para estudiar la ubicación de los glaciares.
Algunos misterios sobre el paradero de los glaciares han desconcertado a los geólogos durante mucho tiempo. Por ejemplo, los geólogos sabían desde hace mucho tiempo que hace unos 18.000 años, dos tercios de Irlanda estaban cubiertos de enormes glaciares. El modelo teórico relacionado con esto se obtuvo analizando los datos de edad geológica medidos en ese momento. Sin embargo, hasta principios del siglo XX, los resultados de edad geológica obtenidos por varios métodos técnicos eran bastante diferentes, lo que hizo que los geólogos siempre tuvieran dudas al respecto. .
En los últimos años, los geólogos han podido utilizar la última tecnología, y sus nuevos resultados son bastante sorprendentes: la superficie de los glaciares irlandeses de hace 18.000 años era mucho mayor de lo calculado y analizado originalmente, cubriendo no sólo en toda Irlanda, sino también en alta mar. ¿Qué tecnología mágica es esta?
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Método de datación geológica
La datación de eventos geológicos es extremadamente importante en el estudio de la historia del desarrollo de la Tierra. Los científicos han estado explorando la exactitud. Datación de eventos geológicos.
A mediados de la década de 1950, Raymond del Laboratorio Nacional Brookhaven en Estados Unidos? ¿Raymond Davis (quien ganó el Premio Nobel de Física en 2002 por su estudio de los neutrinos electrónicos del sol) y Oliver? Oliver Schaeffer propuso la idea de que se podrían utilizar "nucleidos cosmogénicos" para una datación geológica precisa.
Raymundo. Raymond Davis (imagen de Internet)
El llamado "núclido cosmogénico" se refiere al material expuesto en la superficie terrestre (incluidas la atmósfera y la superficie terrestre) cuando es bombardeado por partículas de rayos cósmicos procedentes del espacio exterior. , produciendo nuevos nucleidos (átomos con un cierto número de protones y un cierto número de neutrones), incluidos algunos isótopos de dichos nucleidos (es decir, átomos con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones).
Los nucleidos producidos por los rayos cósmicos que bombardean directamente las rocas expuestas a la superficie se denominan "nucleidos generados in situ", incluidos 10 Be (berilio), 26 Al (aluminio), 36 Cl (cloro), 3 Él (helio), etc. Midiendo la concentración de nucleidos cosmogénicos en las rocas y utilizando la función de producción y pérdida de nucleidos por erosión y desintegración radiactiva, se puede calcular el tiempo de exposición correspondiente de la roca, determinando así su edad. Este método se llama "datación con nucleidos cosmogénicos".
Basándose en este principio, debería ser posible medir la dirección del glaciar. Después de que el glaciar se mueve, los objetos terrestres o de la superficie quedan expuestos bajo la irradiación de rayos cósmicos, se producirán algunos isótopos en estos objetos terrestres o de la superficie (la tasa de producción está relacionada con la latitud, la altitud y las propiedades de composición). Algunos de ellos son isótopos estables cuyas concentraciones aumentan gradualmente con el tiempo. En función de su tasa de producción y concentración acumulada, se puede calcular el tiempo y determinar su edad. Además, se producen algunos isótopos radiactivos, cuyas concentraciones se acumulan con el tiempo y decaen según sus vidas medias. Sobre la base de las condiciones anteriores, la edad de exposición se puede determinar midiendo la concentración de nucleidos cosmogénicos en estos objetos terrestres o superficiales, y la dirección del movimiento del glaciar se puede calcular con mayor precisión a partir de una serie de datos de medición.
En los años 50, Davis y Schaefer estudiaron algunos nucleidos generados in situ. Desafortunadamente, su nueva idea de medir la edad de las rocas expuestas en la superficie no atrajo suficiente atención en ese momento. Otra razón es que la investigación en esta línea de pensamiento requiere una tecnología de detección de partículas más sensible, que no estaba disponible en ese momento y los geólogos sólo podían esperar el desarrollo de tecnologías relacionadas. Quién lo hubiera pensado, décadas de espera.
Davis y Schaefer publicaron "Chlorine-36 in Nature" en Ann NY Acad Sci 1955 (imagen de Internet).
En la década de 1970, Srinivasan, Yuji Yokoyama y otros avanzaron en el estudio de este método de datación de nucleidos cosmogénicos. Srinivasan descubrió el isótopo cosmogénico Xe (xenón) (incluido 124 Xe, 128 Xe, 131 Xe) y estimó su tasa de producción. Yokoyama y otros determinaron la formación de los isótopos cosmogénicos 22 Na (sodio) y 24 Na, y dieron métodos de cálculo para las tasas de formación de varios isótopos de sodio.
Artículos publicados por Srinivasan y Yokoyama en "Earth and Planetary Science Letters" en la década de 1970 (imágenes de Internet).
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El nacimiento de nuevos medios tecnológicos
Con el desarrollo de la geología, la arqueología y otras investigaciones, la demanda de medición de nucleidos cosmogénicos de larga vida está aumentando. En ese momento, la sensibilidad de la espectrometría de masas y los métodos de conteo de desintegración utilizados para medir nucleidos cosmogénicos no era lo suficientemente alta, y los científicos en campos relacionados han estado esperando con ansias medios técnicos más nuevos.
En 1977, Ricardo. Muller, de la Universidad de California en Berkeley, propuso un nuevo método para mejorar la sensibilidad de la datación de nucleidos cosmogénicos: utilizar un ciclotrón para detectar nucleidos cosmogénicos de larga vida (como 14 C (carbono), 10 Be (berilio), etc. ). ). Casi al mismo tiempo que la sugerencia de Muller, un equipo de investigación de la Universidad de Rochester en Estados Unidos propuso un plan para medir 14 C con un acelerador tándem (compuesto por dos o tres aceleradores electrostáticos) (el 14 C en la naturaleza es un nucleidos genéticos cósmicos de larga vida, la medición precisa del 14 C es de gran importancia para la arqueología, la geología, la oceanografía y la biomedicina).
Richard Mill (imagen de Internet)
Mill publicó "Rastreo de radioisótopos con ciclotrones" en 1977 (imagen de Internet).
De hecho, en 1939 se probó el método de utilizar isótopos para determinar la edad geológica mediante un acelerador de partículas. Luis. Álvarez (quien recibió el Premio Nobel de Física en 1968 por la invención de la cámara de burbujas de hidrógeno, su técnica analítica y el descubrimiento de la dinámica vibratoria) y Robert Konog utilizaron el ciclotrón de 60 pulgadas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para determinar la naturaleza de la Presencia de 3He (helio). Sin embargo, debido a la limitada calidad del haz del acelerador de partículas en ese momento y a la tecnología de detección de partículas inmaduras, la investigación en este campo no pudo continuar en los próximos 40 años.
"3 Heine Helium" publicado por Alvarez y Konow en "Physical Review" en 1939 (foto de Internet).
Casi 40 años después, basándose en avances continuos en la tecnología de aceleradores de partículas y tecnología de detección de partículas, en 1977, después de que Mueller y otros propusieran usar aceleradores de partículas nuevamente para medir nucleidos cosmogénicos de larga vida, el equipo de investigación logró un progreso rápido. . La Universidad McMaster de Canadá y la Universidad de Rochester de Estados Unidos publicaron los resultados de la medición de 14 C en la naturaleza utilizando un acelerador tándem en el mismo número de Science de 1977.
Esta nueva tecnología de análisis nuclear, la espectrometría de masas con acelerador (AMS), nació a finales de los años 70 y se ha desarrollado rápidamente.
"Carbono-14: Detección directa en concentraciones naturales" publicado por el equipo de investigación de la Universidad canadiense McMaster en la revista "Science" en 1977 (imagen de Internet).
"Enlaces de radiación mediante aceleradores electrostáticos: los iones negativos proporcionan la clave", publicado en 1977 por un equipo de investigación de la Universidad de Rochester en Estados Unidos (imagen de Internet).
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Descubriendo el secreto del paradero de los glaciares
La espectrometría de masas con acelerador es una medición de espectrometría de masas de alta energía basada en un acelerador de partículas y tecnología de detección de partículas. La mayoría de las técnicas de espectrometría de masas con aceleradores utilizan aceleradores en tándem. Superando algunas de las limitaciones de la espectrometría de masas tradicional, tiene una sensibilidad a la abundancia de isótopos extremadamente alta (la abundancia se refiere a la proporción del isótopo entre todos los isótopos naturales del elemento, expresada como porcentaje; la sensibilidad a la abundancia representa la abundancia relativa al medir la abundancia. error ). La sensibilidad de abundancia máxima de la espectrometría de masas ordinaria es 10 -8, mientras que la sensibilidad de abundancia máxima de la espectrometría de masas con acelerador es 10 -16 (la sensibilidad mejora en varios órdenes de magnitud y el consumo de muestra es pequeño (solo del orden de ng). ) y el tiempo de medición es corto, convirtiéndose rápidamente en un nuevo medio tecnológico con fuertes ventajas.
Diagrama esquemático de medidas de espectrometría de masas universal. Después de ionizar la muestra, el campo electromagnético se utiliza para seleccionar una relación carga-masa específica para analizar la masa de átomos o moléculas. Sin embargo, al analizar el nucleido medido, el fondo de moléculas con el mismo interferirá. número de masa y la misma cantidad de dislocación (imagen de Internet).
Diagrama esquemático de la medida por espectrometría de masas con acelerador. Se pueden extraer iones negativos de la fuente de iones para suprimir la producción de isótopos isobáricos de ciertos nucleidos. El acelerador en tándem puede separar iones negativos en iones positivos y utilizar detectores nucleares para identificar isótopos isobáricos, lo que es muy eficaz para medir radionucleidos de vida larga (imagen de Internet).
Instalación de investigación de espectrometría de masas con acelerador de la Universidad de Purdue en los Estados Unidos (imagen de Internet)
Instalación de investigación de espectrometría de masas con acelerador del centro de haz de iones HZDR en Alemania (imagen de Internet)
Dispositivo de investigación de espectrometría de masas del acelerador de energía atómica de China de la Academia de Ciencias (imagen de Internet)
Después de la aparición de la tecnología de espectrometría de masas del acelerador, la precisión de los métodos de datación de nucleidos cosmogénicos ha aumentado enormemente. mejorado, lo que ha atraído una amplia atención en la comunidad geológica. La investigación sobre el paradero de los glaciares presenta una gran oportunidad.
Cuando gruesas capas de hielo de los glaciares cubren la Tierra, enormes rocas quedan atrapadas debajo del hielo y el hielo impide que los rayos cósmicos ataquen las rocas. A medida que los glaciares retroceden, a veces los cantos rodados son empujados hacia la superficie desde lo más profundo de la formación. Una vez que la roca queda expuesta, los rayos del universo comienzan a interactuar con los átomos de la roca, produciendo rápidamente isótopos raros de nucleidos cosmogénicos como 3 He (helio), 21 Ne (neón) o 10 Be (berilio).
Durante el retroceso del glaciar, algunos cantos rodados quedaron expuestos en el suelo y fueron bombardeados por rayos cósmicos (fotos de Internet).
Para determinar cuándo una roca se desprendió del suelo, los geólogos intentan obtener muestras de roca del tamaño de una toronja y llevarlas al laboratorio con martillos, cinceles o sierras para piedra y pequeños artefactos explosivos. Muelen finamente la muestra para extraer un nucleido específico (por ejemplo, SiO2, cuyo componente principal es SiO2 a una velocidad conocida para producir nucleidos cosmogénicos) y luego agregan un nucleido adicional a los átomos de la muestra de electrones (por ejemplo, emitiendo cesio). iones), formando iones elementales o moleculares cargados negativamente. Los iones se envían a un acelerador para acelerar, luego bombardean una delgada lámina metálica o gas, despojándolos de sus electrones y destruyendo las moléculas restantes, antes de ingresar a un detector de conteo de partículas. Calculando la proporción entre átomos inestables y estables, se puede revelar el número de nucleidos cosmogénicos. Según el contenido de nucleidos cosmogénicos en la muestra, se puede calcular con precisión el momento en que el glaciar expulsó la roca.
Los geólogos llevan equipos al área donde se recolectan muestras de rocas (imagen de Internet).
Corte un pequeño trozo de roca con una superficie de 10 × 10 cm como muestra, registre con precisión las coordenadas de posicionamiento GPS de cada punto de muestreo y determine su posición en relación con las estructuras del relieve circundante y depósitos glaciares (imágenes de Internet).
Recolectar muestras de rocas para la datación de nucleidos cosmogénicos en Groenlandia (imágenes de Internet)
Usando la espectrometría de masas con acelerador para determinar la edad de los nucleidos cosmogénicos, podemos calcular con precisión la edad de los nucleidos cosmogénicos que cubrió un determinado período de la historia El espesor de la capa de hielo en el suelo, que es el dato básico clave para el modelo de cálculo teórico de la capa de hielo (imagen de Internet)
El Departamento de Estados Unidos. La revista "Symmetry" de Energy presentó a Frey en el artículo "Seguimiento de glaciares con aceleradores" ¿Virtud? Geólogos como Fred Phillips utilizan la espectrometría de masas con aceleradores para estudiar el progreso de los glaciares.
"Seguimiento de glaciares con aceleradores" se publicó en "Symmetry" (imágenes de Internet)
Phillips es experto en datación de movimientos glaciales en el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México , EE.UU. Por su trabajo interdisciplinario sobre la interacción de la hidrología, la geoquímica y la geología, especialmente la interacción de los isótopos cosmogénicos y la edad de exposición de la superficie, recibió numerosos premios nacionales e internacionales y en 2007 recibió el título honorífico de Miembro de la Asociación de Ciencias de los EE. UU. el Avance de la Ciencia y la Tecnología (AAAS).
Gran parte del trabajo de Phillips en ciencias de la tierra surge de esta técnica, que utiliza reacciones de rayos cósmicos para medir, con mayor precisión, las proporciones de isótopos radiactivos de Cl (cloro) formados en rocas y otras formas geológicas. eventos como erupciones volcánicas, deslizamientos de rocas, tsunamis, impactos de meteoritos, terremotos, deslizamientos de tierra y movimientos de glaciares durante los últimos millones de años.
Fred Phillips (imagen de Internet)
Revista científica Phillips 1986 "Acumulación de cloro cosmético-36 en rocas: un método de datación por exposición superficial" (imagen de Internet).
Debido a las ventajas de la espectrometría de masas con acelerador, como la alta sensibilidad, el pequeño volumen de muestra y la rápida velocidad de preparación de la muestra, los geólogos volvieron a medir parte de los datos de referencia de isótopos obtenidos mediante el método de datación original y corrigieron los método de datación original. El problema de error existente ha logrado un avance importante en la precisión de la datación geológica. Según datos de espectrometría de masas con aceleradores, la edad de la Tierra ha disminuido en unos 700.000 años (¡sorprendente!). Los nuevos estándares de datación establecen una cronología más precisa de diversos procesos geológicos, como el nacimiento de la Tierra, la formación de continentes y depósitos minerales, la evolución biológica y el cambio climático.
La aparición de la tecnología de espectrometría de masas con aceleradores ha impulsado fuertemente el progreso de la investigación en el campo de las ciencias de la tierra. Según estadísticas incompletas, desde mediados de los años 1980 se han publicado miles de artículos de investigación sobre períodos glaciales y otras eras geológicas.
Mapa de la trayectoria glacial de la península del Peloponeso en el sur de Grecia obtenido mediante datación por nucleidos cosmogénicos (imagen de Internet)
En los últimos años, muchos geólogos han estado ocupados estudiando la Antártida de la Tierra. de los glaciares occidentales. Este glaciar se encuentra en un estado de colapso lento, y es probable que el colapso de este glaciar provoque un fuerte aumento en el nivel del mar, cambie la circulación oceánica y los patrones climáticos, y desencadene sequías y tormentas violentas, que serán un desastre devastador para la Tierra. . Sólo comprendiendo profundamente el paradero de los glaciares a lo largo de la historia podremos predecir mejor el futuro y estudiar contramedidas. La espectrometría de masas con acelerador desempeñará un papel vital en esta investigación.
Los glaciares de la Antártida occidental se están derritiendo a un ritmo acelerado (fotos de Internet).
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A lo largo de la historia, el desarrollo de la tecnología de espectrometría de masas con aceleradores ha pasado aproximadamente por las siguientes etapas:
Desde el Década de 1970 A finales de la década de 1980, la mayoría de los dispositivos de espectrometría de masas con aceleradores se modificaron basándose en los aceleradores de partículas utilizados en los experimentos de física nuclear. Todos los laboratorios de física nuclear con grandes aceleradores de partículas estaban equipados con tubos de haz para la investigación de espectrometría de masas con aceleradores. Los tipos de nucleidos mensurables también se han ampliado considerablemente (de 14 C (carbono) a 10 Be (berilio), 26 Al (aluminio), 32 Si (silicio), 36 Cl (cloro), 39 Ar (argón), 41 Ca ( Calcio), 59 Ni (calcio) En ese momento, la energía del acelerador de partículas ya era muy alta, pero su precisión y estabilidad eran limitadas cuando se usaba para mediciones de espectrometría de masas con aceleradores, y solo podía proporcionar una parte del tiempo del haz. para mediciones de espectrometría de masas con acelerador.
Desde principios de la década de 1990 hasta principios del siglo XX, debido al desarrollo de la arqueología, la geología, el medio ambiente y otras disciplinas, los equipos no especiales ya no podían satisfacer las necesidades de los usuarios.
Paulatinamente se van comercializando dispositivos especializados para espectrometría de masas con aceleradores (en su mayoría basados en aceleradores tándem), algunos de los cuales se dedican a medir nucleidos cosmogénicos como el 10 Be, el 14 C, el 26 Al y el 36 Cl, mientras que otros no.
En los últimos 10 años, los dispositivos de espectrometría de masas con aceleradores se han desarrollado en la dirección de la miniaturización, la miniaturización y la estandarización. La precisión, la sensibilidad y la eficiencia de las mediciones han mejorado enormemente, y el número de nucleidos cosmogénicos mensurables ha continuado. para aumentar. Al mismo tiempo, logra un bajo consumo de energía, bajo costo y fácil mantenimiento, sentando una base sólida para una gama más amplia de aplicaciones.
La tecnología de espectrometría de masas con aceleradores surgió con el desarrollo de la tecnología de aceleradores de partículas. Su aplicación en las ciencias de la tierra involucra geología, arqueología, hidrología, océanos, glaciares, clima, geomagnetismo y otros temas. En ciencias ambientales, se puede utilizar para el seguimiento de la contaminación urbana (estudiar las fuentes de PM2,5 en el aire), el seguimiento de la contaminación nuclear, el cambio climático ambiental global, etc. Además, la tecnología de espectrometría de masas con aceleradores ha logrado importantes resultados de investigación en los campos de la protección radiológica, la seguridad nuclear, los desechos nucleares, la radioecología, la biomedicina, la toxicología y farmacología, la ciencia de los materiales, la botánica, la nutrición y otros campos.
¡Ésta es otra contribución importante que la tecnología de los aceleradores de partículas ha hecho al desarrollo de la ciencia y la tecnología mundiales!