Πώς οι μέθοδοι φθορισμού ακτίνων Χ αποκαλύπτουν τις προηγούμενες κλιματικές αλλαγές
Η γεωλογία προσπαθεί να κατανοήσει το παρελθόν κοιτάζοντας τον σύγχρονο κόσμο. Υπάρχει η περίφημη φράση της ομοιομορφίας «Το παρόν είναι το κλειδί του παρελθόντος», που μπορεί να γίνει κατανοητό καθώς οι «νόμοι» της φύσης έχουν ενεργήσει λίγο πολύ το ίδιο σε όλο το γεωλογικό παρελθόν. Επομένως, για να κατανοήσετε τα σημάδια των αρχαίων παγετώνων σε βράχους, καλύτερα να γνωρίζετε ή να έχετε δει έναν σύγχρονο. Από την άλλη πλευρά, ο James Hutton (αποκαλούμενος ως ο ιδρυτής της σύγχρονης γεωλογίας) στο διάσημο άρθρο του Theory of the Earth. ή μια έρευνα των νόμων που μπορούν να παρατηρηθούν στη σύνθεση, τη διάλυση και την αποκατάσταση της γης στον κόσμο, δηλώνει ότι:
Ως εκ τούτου, η εξαγωγή δεδομένων σήμερα παρέχει έναν καθρέφτη του παρελθόντος και μας επιτρέπει να προβλέψουμε το μέλλον. Από την άλλη, πρέπει να βάλουμε μια σημείωση εδώ. Ενώ οι γεωλόγοι διεξάγουν έρευνα, τις περισσότερες φορές ο στόχος τους δεν είναι να κατανοήσουν το μέλλον, είναι κυρίως μια ακαδημαϊκή περιέργεια.
Στις μέρες μας, η κλιματική αλλαγή είναι ένα από τα καυτά θέματα της κοινωνίας και της επιστημονικής κοινότητας, οι κλιματικές προβολές και οι μετεωρολογικές προβλέψεις είναι στην καθημερινότητά μας. Δυναμικά μοντέλα πρόγνωσης κλίματος θα ήταν σχεδόν αδύνατο να κατασκευαστούν αν δεν υπήρχαν μετεωρολογικά δεδομένα για σύγκριση με δεδομένα εκπαίδευσης. Οι μετεωρολογικές προβλέψεις θα ήταν αδύνατες αν δεν γνωρίζαμε το μετεωρολογικό σκηνικό της στιγμής και μερικές ώρες πριν. Επιπλέον, θα ήταν αδύνατο να γνωρίζουμε τι είδους κλίμα μπορεί να συναντήσουμε στο μέλλον χωρίς να γνωρίζουμε το παρελθόν.
Οι άμεσες μετρήσεις του καιρού δεν ξεπερνούν τα 200 χρόνια περίπου, όπου όσο παλαιότερα είναι τα δεδομένα έχουν χαμηλότερη ανάλυση και μεγαλύτερα σφάλματα μέτρησης. Τώρα, ας δούμε, ποια μπορεί να είναι τα μειονεκτήματα του να έχουμε τόσο σύντομα χρονικά δεδομένα, όσον αφορά τα γεωλογικά χρονοδιαγράμματα. Το Σχήμα 1. είναι τα σταθερά δεδομένα ισοτόπων οξυγόνου από ένα έργο γεώτρησης στη Γροιλανδία. Ο αναγνώστης μπορεί να αγνοήσει τη μονάδα του άξονα y και να διαβάσει τα δεδομένα καθώς αλλάζει η θερμοκρασία στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη του βορείου ημισφαιρίου.
Η άνω καμπύλη δείχνει τις αλλαγές μεταξύ 38 και 39 kyr BP (διαβαστεί ως χιλιάδες χρόνια πριν από το παρόν). Σύμφωνα με αυτά τα δεδομένα των 1000 ετών, μπορεί να πει κανείς ότι οι θερμοκρασίες παρουσιάζουν ανοδική τάση. Ωστόσο, εάν επεκτείνουμε τη χρονική κλίμακα (η μεσαία καμπύλη που αντιπροσωπεύει τις αλλαγές μεταξύ 30 και 60 kyr BP), οι θερμοκρασίες δείχνουν ένα πιο περίπλοκο μοτίβο. Μπορεί κανείς να δηλώσει ότι δείχνει σχεδόν ένα περιοδικό μοτίβο. Τώρα, ας ρίξουμε μια ματιά σε όλα τα δεδομένα της Γροιλανδίας (κατώτερη καμπύλη), η οποία εκτείνεται στα τελευταία 125 kyr BP. Ο δίσκος γίνεται πολύ πιο περίπλοκος και τώρα είναι πολύ πιο δύσκολο να ορίσεις ένα μοτίβο. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να εκτιμήσετε τα προηγούμενα αρχεία για να μιλήσετε για το μέλλον.
Ποιες είναι οι μέθοδοι για να μάθετε τις αλλαγές του παρελθόντος; Αν και αυτό το θέμα ξεφεύγει από το πεδίο αυτού του άρθρου, τα κυριότερα είναι οι παλαιοντολογικές παράμετροι, τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά και οι γεωχημικοί δείκτες που συγκεντρώθηκαν από θαλάσσια και χερσαία κοιτάσματα.
Τον 19ο αιώνα, ο James Croll (επιστάτης στο μουσείο του Πανεπιστημίου Andersonian στη Γλασκώβη) διατύπωσε μια υπόθεση ότι το κλίμα της Γης επηρεάζεται από τις αλλαγές στις παραμέτρους της τροχιάς της Γης γύρω από τον ήλιο σε γεωλογικές χρονικές κλίμακες. Ωστόσο, η υπόθεσή του εγκαταλείφθηκε στα πρώτα στάδια του 20ού αιώνα, καθώς τα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά δεν αντανακλούσαν τον αριθμό των παγετώνων και τους χρόνους τους. Το 1976, με την πρόοδο της τεχνολογίας πυρήνων και τη χρήση γεωχημικών υποδοχέων κατέστησαν δυνατή την παραποίηση των γεωμορφολογικών δοκιμών που απέρριψαν τη θεωρία του Croll και επιβεβαίωσαν την υπόθεση του James Croll. Έκτοτε, οι γεωχημικοί αντιπρόσωποι θεωρούνται μια από τις πιο αξιόπιστες πηγές στις παλαιοκλιματικές ερμηνείες.
Μερικοί από τους πιο διάσημους γεωχημικούς μεσολαβητές είναι σταθερά ισότοπα (ειδικά οξυγόνου, υδρογόνου και άνθρακα), αναλύσεις XRD (διάθλαση ακτίνων Χ) και σαρώσεις XRF (φθορισμός ακτίνων Χ). Κανένα από τα δύο δεν είναι τέλεια και η επεξηγηματική ισχύς όλων αυτών των μεσολαβητών εξαρτάται από τη θέση των δειγμάτων και τις αναλύσεις τους.
Η διάτρηση πυρήνων και η ανάλυσή τους είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές των τεταρτογενών (τελευταία 2,6 εκατομμύρια χρόνια) παλαιοκλιματικών μελετών. Οι πυρήνες των ιζημάτων ερμηνεύονται ως βιβλία ιστορίας. Βασικά, η κορυφή του πυρήνα αντιπροσωπεύει το σήμερα και το κάτω μέρος αντιπροσωπεύει μια εποχή στη γεωλογική ιστορία. Ο πυρήνας στο σύνολό του, εκτός από ορισμένες συνθήκες, δίνει σχεδόν μια συνεχή ιστορία του παρελθόντος περιβάλλοντος της λεκάνης απορροής.
Η σάρωση XRF, εκπέμποντας ακτινοβολία ακτίνων Χ και εκτόξευση ηλεκτρονίων κ.λπ. (η φυσική πίσω είναι πέρα από το πεδίο εφαρμογής), δημιουργεί ένα φάσμα του δείγματος, και κάνοντας αυτό, δίνει ημιποσοτικές μετρήσεις ορισμένων στοιχείων στον ερευνητή. Οι σχετικά νέες τεχνολογίες σάρωσης πυρήνα παρέχουν μια τεχνική τέτοια ώστε ολόκληρος ο πυρήνας να μπορεί να τοποθετηθεί κάτω από έναν σαρωτή XRF. Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία επέτρεψε τη σάρωση των πυρήνων έως και 0,2 mm ανάλυσης, πράγμα που σημαίνει ότι σαρώνει σχεδόν συνεχώς. Επομένως, οι μετρήσεις XRF είναι πολύτιμοι πόροι για τις μελέτες παλαιοπεριβάλλοντος.
Οι μετρήσεις XRF μπορούν να ερμηνευθούν με πολλούς τρόπους, ανάλογα με τη γεωγραφία, τη λεκάνη απορροής ή τα χαρακτηριστικά της λεκάνης. Για παράδειγμα, μια μελέτη χρησιμοποιεί τον αριθμό Ti (τιτάνιο) ως δείκτη παλαιο-κατακρήμνισης, καθώς το Ti είναι ένα ακίνητο στοιχείο και έχει σχετικά χαμηλή συγγένεια. Όμως, μια άλλη μελέτη μπορεί να χρησιμοποιήσει το Κ (κάλιο) κανονικοποιημένο σε Ca (K/Ca) ως δείκτη παλαιοκατακρήμνισης. Ορισμένα άλλα προφίλ μπορεί να χρησιμοποιηθούν για διάβρωση, οργανικό περιεχόμενο, συνθήκες οξειδοαναγωγής κ.λπ.
Εκτός από τις προσεγγίσεις που βασίζονται στη λεκάνη, υπάρχουν επίσης ορισμένες στατιστικές προσεγγίσεις για την «αποκρυπτογράφηση» των δεδομένων XRF. Κάποιος μπορεί να χρησιμοποιήσει γραμμικές μεθόδους όπως ανάλυση παραγόντων για να ανακαλύψει τα κυρίαρχα στοιχειακά προφίλ ή ανάλυση κύριου συστατικού για να βρει ορθογώνιες κατευθύνσεις με μέγιστη διακύμανση. Ωστόσο, στη φύση η γραμμικότητα δύσκολα επιτυγχάνεται. Σε μια πρόσφατη μελέτη μας, προσφέραμε μια νεότερη μη γραμμική μέθοδο για μελέτες παλαιοκλίματος. Η ανάλυση ανεξάρτητων στοιχείων, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στην επεξεργασία σήματος, στις τηλεπικοινωνίες κ.λπ., περιστρέφει τους άξονες των δεδομένων XRF σε ένα νέο σύνολο αξόνων, έτσι ώστε τα εξαγόμενα δεδομένα να είναι στατιστικά ανεξάρτητα μεταξύ τους. Κάνοντας αυτό, αντί να εξετάσουν τα μοναδικά δεδομένα ή να τα ομαλοποιήσουν, οι συγγραφείς ισχυρίστηκαν ότι αποκάλυψαν τα αρχεία βροχόπτωσης και θερμοκρασίας της περιοχής που μελετήθηκε.
Τα δεδομένα XRF παρέχουν ένα πλούσιο και σχεδόν συνεχές σύνολο δεδομένων, κατάλληλο για την εφαρμογή στατιστικών αναλύσεων. Επομένως, προκειμένου να κατανοήσουμε την έκταση της σύγχρονης κλιματικής αλλαγής κοιτάζοντας το παρελθόν, τα δεδομένα XRF παρέχουν ανεκτίμητες πληροφορίες.
Αυτή η μελέτη, Climate proxies for the last 17,3 ka από τη λίμνη Hazar (Ανατολική Ανατολία), που εξήχθη με ανεξάρτητη ανάλυση στοιχείων των δεδομένων μ-XRF, δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Quaternary International. Ο συγγραφέας, Z. Bora Ön είναι συνδεδεμένος με το Muğla Üniversitesi, Τμήμα Γεωλογίας και İstanbul Teknik Üniversitesi, Avrasya Earth Sciences Institute.
Αναφορά
Rothwell, R. G. (2015). Είκοσι χρόνια σάρωσης πυρήνα XRF θαλάσσιων ιζημάτων:Τι μας λένε οι γεωχημικοί μεσολαβητές;. Στο Μελέτες Micro-XRF για πυρήνες ιζήματος (σελ. 25-102). Springer Netherlands.
