Tritium und Radiokohlenstoff in der Umwelt

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1 in der Umwelt Roland Tesch, Rudolf Engelbrecht H-3 natürliches Isotop des Wasserstoffs niederenerg. - -Emitter E max = 18,6 kev T ½ = 4500 ± 8 Tage 1 TU = mol/g = 0,119 Bq/L natürliches Isotop des Kohlenstoffs niederenerg. - -Emitter E max = 156,5 kev T ½ = 5730 ± 40 Jahre (Cambridge-Halbwertszeit) T½ = 5568 ± 30 Jahre (Libby-Halbwertszeit) Radiation Safety and Applications Seite 2 1

2 H-3 Interaktion der sekundären kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre 14 N + n 3 H + 12 C 16 O + n 3 H + 14 N 14 N + p 3 H O + p 3 H +... Kernreaktionen mit Li-Isotopen auf der Erde Ca H Atome/m³.s als HTO im hydrologischen Kreislauf Interaktion der sekundären kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre 14 N + n 14 C + p Anteil am Gesamtkohlenstoffgehalt 12 C: 98,89 %, 13 C 1,11 % 14 C % Auf C-Kerne kommt so statistisch nur ein einziger 14 C-Kern Photosynthese der Pflanzen Biosphäre Radiation Safety and Applications Seite 3 Kaufman and Libby, 1954: 5 TU Um 1960: 2000 TU Heute: 5 30 TU (Nord) 2 10 TU (Süd) Quelle: IAEA, 2006 Radiation Safety and Applications Seite 4 2

3 Wellington, New Zealand Vermunt, Australia natural Quelle: A Compendium of Data on Global Change. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Laboratory, U. S. Department of Energy, Oak Ridge, Tenn., U.S.A Radiation Safety and Applications Seite 5 Nuklidvektor nach Kernwaffenexplosion Einfluß der Kernwaffentests 24 Na 32 P 45 Ca 55 Fe 14 C 1E+00 1E-01 1E Ar 1E-03 1E-04 µ i = A i µ i A i 1E-06 1E Cs 1E-05 3 H 1E I 90 Sr 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 0,0001 0,001 0,01 0, Zeit / y 89Sr 90Sr 95Zr 103Ru 106Ru 131I 137Cs 144Ce 3H 14C 39Ar 24Na 32P 42K 45Ca 56Mo 55Fe 59Fe Radiation Safety and Applications Seite 6 3

4 Tritium Anwendung in der Hydrogeologie Zentrale Aufgabe: Altersbestimmung von Grund- und Mineralwässern Bestimmung der mittleren Verweildauer Ziel: Optimierung der Bewirtschaftung Verweildauer: Zeitspanne, die das Wasser im Untergrund verweilt und zirkuliert, seit der Niederschlag versickert ist. Vermischung der Niederschläge mehrerer Jahrgänge Radiation Safety and Applications Seite 7 Tritium Arbeitsprinzip der Isotopenhydrogeologie 1 H, 2 H, 3 H, 16 O, 18 O Niederschlag: Eingangssignal Hydro- (geo)logisches System Modifikation des Eingangssignals Systemausgang (z.b. Quelle) Ausgangssignal Methodik: Vergleich von Eingangs- und Ausgangssignal, Schlussfolgerungen über Systemeigenschaften (= Datierung : Herkunft, Alter und Weg des Wassers) Radiation Safety and Applications Seite 8 4

5 Tritium Anwendung in der Hydrogeologie Messung: Flüssigszintillation Anreicherung notwendig MDA = 0.1 to TU (Bayer et al., 1989). Destillation Elektrolytische Anreicherung CO2-Spülung Nachdestillation Radiation Safety and Applications Seite 9 Tritium Oberflächenwässer: Langzeitverlauf von δ 18 O und 3 H in der Donau H [TE] 18 O [ ] Donau, Wien H-3 O-18 O-18 gl. Mittel Radiation Safety and Applications Seite 10 5

6 Radiokohlenstoffdatierung Entwickelt von Willard F. Libby und seinem Team an der University of Chicago Nobelpreis 1960 J. R. Arnold, W. F. Libby: Age Determinations by Radiocarbon Content, Checks with Samples of Known Age. in: Science. Washington DC ,12 (23.Dez.). Inverse Abhängigkeit des Gehalts vom Alter der Probe H. E. Suess: Radiocarbon concentration in modern wood. in: Science. Washington DC , 415. Hl. De Vries: Variation in concentration of radiocarbon with time and location on earth. in: Proceedings of the Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen. Amsterdam , 1 9. /C-12 Verhältnis unterliegt Schwankungen Radiation Safety and Applications Seite 11 Radiokohlenstoffdatierung Zeitliche Schwankungen: Kernwaffeneffekt Industrialisierung Suess Effekt Natürliche Schwankung Sonnenaktivität Isotopenfraktionierung Verringerung des /C-12 Verhältnisses bei Photosynthese Radiation Safety and Applications Seite 12 6

7 Radiokohlenstoffdatierung Klassische Methode (Libby, Anderson, Arnold 1949) : Zählrohr mit CO 2 aus Verbrennung gefüllt 1 mol Cmodern 3 Zerfälle pro Sekunde Für Genauigkeit von 40 Jahren: > Zerfälle Große Probenmenge: bis zu 1kg Ausgangsmaterial Heute: Flüssigszintillationsspektrometrie Beschleunigermassenspektrometrie Radiation Safety and Applications Seite 13 Industrialisierung Suess Effekt Mit Beginn der Industrialisierung vor ca. 150 Jahren wurden vermehrt fossile Brennstoffe wie Erdöl und Kohle verwendet. Fossile Brennstoffe enthalten kein nachweisbares 14C mehr, da sie wesentlich älter als ca. 10 Halbwertszeiten (ca Jahre) sind. Ermöglicht Bestimmung des Anteils fossiler Brennstoffe Aber: Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden daher nur C-12 und C-13 der fossilen Brennstoffe frei und verdünnen die Menge des in der Atmosphäre. muss korrigiert werden Radiation Safety and Applications Seite 14 7

8 Methodik ASTM Standard D Standard Test Methods for Determining the Biobased Content of Natural Range Materials Using Radiocarbon and Isotope Ratio Mass Spectrometry Analysis Method A: Liquid Scintillation Counting (LSC) radiocarbon techniques, max error 15 %, based on CO2 absorption (Carbosorb/Permafluor) Method B: Accelerator Mass Spectrometry (AMS) and Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS), errors 1-2 % and 0.1 to 0.5 %, respectively Method C: LSC techniques to quantify biobased content of carbon converted to benzene, error % Radiation Safety and Applications Seite 15 Organische Probe Anorganische Probe Methodik Vorbehandlung Verbrennung Auflösen HCl CO2 Probenaufbereitung Probenvorbereitung H 2 Carbosorb Li Katalytische Reaktion Absorption Karbidisierung Cocktail Li2C 2 Hydrolyse H 2O C 2H 2 Katalytische Trimerisation Messung C 2H 4 GPC Carbamat LSC INSTABIL C 6H 6 LSC Butyl PBD Radiation Safety and Applications Seite 16 8

9 Natürliche Schwankung DeVries-Effekt: 2% Änderung /C-12 zw 16. u 19. Jhdt Modulation der kosmischen Strahlung durch Sonnenaktivität Beeinflusst die Produktionsrate von Radiation Safety and Applications Seite 17 Kalibrierung über Dendrochronologie (Riesenmammutbäume, Pristlecone Pines) Korallen Eisbohrkerne 2004: INTCAL-Kurve ( Jahre) Radiation Safety and Applications Seite 18 9

10 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Radiation Safety and Applications Seite 19 10