氷床コアの年代測定光学的方法

June, 5, 2025, Washington--中国と米国の研究者は、150万年前の氷のサンプルの放射年代測定のための全光学的方法を開発した（Nat. Commun., doi: 10.1038/s41467-025-59264-6)。この研究は、古気候学者に、広大な地質学的期間にわたる気候パターンを分析および理解するための強力な新しいツールを提供する。
古気候学の分野は、気象計器が発明される前の過去の地質時代の気候を研究している。古生物学者が化石を研究して先史時代の過去についての洞察を得るのと同様に、古気候学者は氷床コアなどの環境証拠を使用して地球の気候史を再構築する。

サンプルサイズの縮小
クリプトン81は、成層圏の宇宙線によって作られ、3万年前から100万年以上前の水や氷のサンプルにとって理想的な同位体として知られている。化学的に不活性なクリプトン81は、環境中のその存在量が地球化学的プロセスによって変化しないため、信頼性の高い年代測定情報を提供する。

以前、中国科学技術大学(USTC)のZheng-Tian Luが率いるチームは、クリプトン81の同位体存在量が10という非常に低いことを検出できる原子計数法Atom Trap Trace Analysis(ATTA)を開発した。これは、環境サンプルに含まれている10^-14～10^-12の極めて低いクリプトン81アイソトープを検出できる。ATTAは、磁気光学トラップ内の蛍光を介して特定の同位体の単一原子を検出する。しかし、深部の氷床コアから古気候情報を回復するには、サンプルサイズは過度に大きい(約100kgの氷)必要がある。

今回の研究では、Luと同氏のチームは、古気候学者がATTAの全光学的実現を開発した。これにより、1kgの氷床コアサンプルにクリプトン81年代測定をうまく適用できる。また、それは、クリプトン81年代測定の年代範囲を上限の150万年に大幅に拡大する。

光励起
従来のATTAは、クリプトン原子を地上から準安定レベルまで励起するために必要な放電の結果として発生するクロスサンプル汚染によって制限されている。そこでは、レーザ冷却とトラッピングを適用できる。研究チームは、放電励起を光励起に置き換え、2光子転移(124 nm + 819 nm)を介して高位の中間準位に準安定クリプトン原子を生成し、その後、準安定準位に自発的に崩壊した。

このアプローチにより、サンプルのクロスコンタミネーション(交差汚染)が2桁減少した。Luのチームは、南極のテイラー氷河(Taylor Glacier)で採取された1kgの氷床コア試料でこの系を試験し、約13万年前のものであることが判明した。これは、独立して確立された地層配列(氷の異なる層に関するコンテクスト情報を用いて氷の年代を測定する方法)と一致する値である。

研究チームは現在、中国国内外の氷河学者と協力して、グリーンランドの氷床の安定性、チベットの氷河の発達タイムライン、更新世中期の移行期に及ぶ古代の氷を調査している。