氷床コアの年代を測定するために「トラップ」で単一原子を捕らえる

科学探検隊は青海チベット高原の羌塘氷河から氷床コアを掘削した。画像提供：Polar Future

青海チベット高原の標高5,900メートル地点で掘削された109メートルの氷床コアと量子精密測定に基づく新しい年代測定法が出会うと、どんな火花が散るのだろうか。

このたび、中国科学技術大学（以下、USTC）の陸正天教授と江偉教授が率いる単原子検出チームと雲南大学（以下、YNU）の田立徳研究員が率いる氷河学チームが協力し、その研究成果を米国科学アカデミー紀要に発表しました。研究チームは、世界で初めて氷床コアのアルゴン39同位体年代測定を実施し、青海チベット高原の羌塘氷河の氷床コアの正確な年代を数千年と確定した。

大気の状態に関する「ユニークなアーカイブ」

氷床コアとは、氷河の内部を掘削して採取したコアのことです。一般的に、氷床コアは下から上に向かうにつれて若くなります。

「これらの氷床コアには、気候や環境の変化に関するさまざまな指標が記録されています。これらは通常、3 つのカテゴリに分けられます。最初のカテゴリは氷そのものです。水分子内の水素と酸素の同位体の比率は、気温の変化を反映します。2 番目のカテゴリは、氷床コア内の大気の組成と内容物です。二酸化炭素やメタンなどの温室効果ガスは、大気の組成の変化の過程を明らかにすることができます。」田立徳氏は、3つ目のカテゴリーは氷床コアに含まれる肉眼で見える塵などのさまざまな不純物であり、当時は砂嵐の活動がより活発であったと推測できると紹介した。実験室の機器によって検出されるさまざまな化学成分もあり、自然活動や人間の活動に関する関連情報を提供することができます。

そのため、氷床コアは大気環境を保存する「ユニークなアーカイブ」とみなすことができます。氷床コアの正確な年代情報を把握することが、「アーカイブ」を解読するための第一歩です。わが国の青海・チベット高原は世界第三の極として知られ、中低緯度地域の古気候研究の宝庫です。

「青海チベット高原は南極や北極と異なり、積雪量が多く、氷床コアの解像度も高い。その緯度には人類が暮らし、さまざまな活動を行っている。氷床コアに記録された歴史は、人類の生活環境と密接に関係している。」田立徳氏は、このことが青海・チベット高原の氷床コア研究を特に重要なものにしていると述べた。まさにこのため、青海・チベット高原は世界中の科学者を惹きつけ、国際的な氷床コア研究の「戦場」となっている。

2014年5月、田立徳氏とその同僚は、標高5,900メートルの青海チベット高原「羌塘一号」氷河の頂上（日中の気温が高く、溶けた氷片が掘削装置に簡単に詰まる恐れがあった）で10夜以上連続して作業し、長さ109メートルの氷床コア2本を底から掘削することに成功した。この氷床コアは、雲南大学の冷蔵倉庫で年間を通じてマイナス17度に保たれている。

ティアン・ライド氏のチームが直面している問題には、これら 2 つの氷床コアの年代、そこに含まれる情報、そして苦労して得たこの「アーカイブ」を解読する方法などがある。そして、USTC の Lu Zhengtian のチームは、この「アーカイブ」を開くための「鍵」を偶然にも持っています。

原子トラップでアルゴン39を捕らえる

大気中には、クリプトン 85、アルゴン 39、クリプトン 81 という 3 つの希少な放射性ガス同位体が存在します。 1969年という早い時期に、スイスの地質学者ハンス・オシュガーとヒューゴ・ルースリは、アルゴン39やその他の同位体が山岳氷河の年代測定に最適であると提唱した。

しかし、それらを検出するのは非常に困難です。 「アルゴン39同位体の存在量は極めて少なく、10億分の1程度です。そして、これらの原子は、それよりも17桁多いアルゴン原子に混ざっています。」陸正天氏は、この検出の難しさは浜辺で特別な砂粒を見つけるようなものだと語った。そのため、ほぼ半世紀にわたって、氷床コア中のアルゴン39の定量分析は困難な問題となっていました。

この研究では、Lu Zhengtian氏のチームは「原子トラップトレース分析（ATTA）」法を使用しました。この方法は、Lu Zhengtian 氏が米国のアルゴンヌ国立研究所で働いていた初期の頃に発明されました。その原理は、精密に制御されたレーザーを使用してアルゴン39原子を操作し、6本のレーザービームで構成された「原子トラップ」にそれらを捕らえることです。原子はトラップ内で蛍光を発し、個々のアルゴン 39 原子は高感度 EMCCD カメラによって検出され、1 つずつ「カウント」されます。

アルゴン39の半減期は268年で、1,800年から50年前までの環境サンプルの年代測定に使用できます。

陸正天は現代の氷1キログラムを例に挙げた。 「氷床コアには約 10,000 個のアルゴン 39 原子が含まれています。半減期が 1 回経過すると、アルゴン 39 原子の数は半分の 5,000 個になります。次の半減期が経過すると、アルゴン 39 原子の数は再び半分の 2,500 個になります。時間が経つにつれて、アルゴン 39 原子の数は減少します。したがって、氷床コア内のアルゴン 39 の量から、氷が形成された時期、つまり年齢がわかります。」

そこで、質問です。雲南大学の冷蔵庫に保管されている長さ109メートル、重さ約700キロの氷床コアを、研究のために雲南科学技術大学の研究室にどうやって輸送するのでしょうか？

「当時、私の同僚であるフロリアン・リッターブッシュ博士は、圧力鍋のような装置を持って雲南大学のティアン・リデ教授の研究室に行き、氷床コアからガスを抽出してUSTCに持ち帰りました。」姜維氏は、これが氷床コアの年代測定の第一歩だと語った。

なぜ「圧力鍋」と呼ばれるのでしょうか？ 「密閉性が高いので、実際に鍋の下で火をつけて氷を溶かし、ガスを抜きます。」姜偉さんは笑顔でこう語った。「この『圧力鍋』を侮ってはいけません。サンプル採取のために、青海チベット高原、上海、フランスのパリ、韓国のソウルまで行ってきました。」

2番目のステップは浄化です。姜偉氏は「回収したガスにはさまざまな化学成分が含まれているため、まず他のガスと反応させてアルゴンだけを残す必要がある」と説明した。

最後に、分離されたアルゴンガスを原子トラップトレース分析装置に入れて、アルゴン 39 同位体の存在量を測定し、サンプルの年齢を計算します。

この研究では、USTCと雲南大学の研究チームがアルゴン39年代測定法を使用し、最終的に氷床コア全体の年代分布を取得し、底部の年代は1,300年に達しました。

「最新の共同研究の結果、ミレニアム氷床コアの絶対年代測定研究におけるアルゴン39の大きな可能性が初めて確認されました。」田立徳氏は、アルゴン39年代測定技術は青海チベット高原の他の氷床コアの年代測定にも使用でき、地球科学者が長年克服できなかった氷床コアの絶対年代測定の問題を解決すると述べた。

世界的な同位体検出センターを設立する計画

USTC のレーザートレース検出および精密測定研究室では、原子トラップトレース分析装置の光学プラットフォームに、さまざまな光学部品が満載されています。

江偉氏は次のように紹介した。「これらの光学部品は位置が固定されており、ランダムに配置されているわけではありません。学生たちは数か月かけてこれらの部品の設置とデバッグを行い、複雑な光路でアルゴン39原子を捕捉して検出するための特定の周波数のレーザーを生成できるようにしました。」

さらに、最新の機器ははるかに効率的です。 「2010年に、私たちは米国で天然に存在するアルゴンガスを使った実験を行いました。その時は、5時間でアルゴン39原子が1個しか見えませんでした。」陸正天氏は、現在USTCでは最新の機器を使用して同じ存在量のアルゴンガスを測定しており、1時間あたり10個のアルゴン39原子を検出でき、計数率は当時と比べて約50倍に増加したと述べた。

この研究では、研究者らはアルゴン39の年代測定結果を数年層法に基づいて構築された氷床コアの年齢スケールと比較し、それを修正し、氷河流動モデルを制約し、最終的にアルゴン39の結果に基づいて新しい氷床コアの年齢スケールを確立しました。

「この記事は、氷床コア科学者、古気候学者、放射性同位元素年代測定の専門家の間で幅広い関心を喚起するだろう」と別の査読者は述べた。

Lu Zhengtian 氏と Jiang Wei 氏のチームは長年にわたり、最先端の地球科学研究に真に応用できるよう、クリプトン 81 やアルゴン 39 などの希ガス同位体の超高感度検出技術の開発に取り組んできました。最先端の計測技術は国内外の科学者の協力を呼び、地下水、氷河、海洋などの研究分野で一連の進歩をもたらし、革新的な研究を促進する上での新技術の役割を実証しています。

陸正天氏は「次のステップでは、研究チームは引き続き原子トラップ痕跡分析機器を開発し、さまざまな指標の性能を向上させて、地球科学の分野で欠かせないツールにするつもりです。一方で、研究チームは合肥に国際同位体検出センターを設立し、世界中の研究グループと協力する予定です。中国の地球科学者が独自の大きな成果を達成し、国際協力で主導的な役割を果たすことに貢献したいと考えています」と語った。