(deutsche Version unten)

But to what do I personally lose my sleep exactly? Sinking particles! More exactly, determining the flux of particles, thereby transporting carbon down into the deep of the ocean.

Relying on available nutrients and sunlight, phytoplankton flourishes in the upper layers of the ocean by converting CO₂ in organic molecules such as sugars (organic carbon). This so-called primary production is the basis of almost the whole food web within the seven seas (except for specialist marine ecosystems such as hydrothermal vents and hypersaline lakes). To quantify this primary production, it is not sufficient to just look at the amount of organic carbon within the productivity zones. Of greatest importance is also to determine the amount of organic carbon leaving these zones, sinking to the bottom of the sea as small particles (particulate organic carbon, POC) where it supports life in the lightless deep. But how can one quantify this downward movement of POC? Lately, ocean scientists have used a clever short cut to solve this riddle. And this short cut is natural RADIOACTIVITY!

In all our oceans, ²³⁸U (Uranium) is a homogeneously distributed, and naturally quite abundant radioactive isotope in the oceans – and we know its concentration well! It does not interact with particles in its vicinity and is quite long-lived with a half-life of several million years, decaying to ²³⁴Th (Thorium). However, this ²³⁴Th is much less stable with a half-life of only 24.1 days and is highly particle reactive. This means, in contrast to ²³⁸U, ²³⁴Th is very attracted to surfaces and therefore attaches to particles such as our particulate organic matter! But how can we make use of this incidence?

We make use of a very simple physical rule: the activity (nuclear decays per minute) of the parent radionuclide (²³⁸U) and that of the daughter nuclide (decay product ²³⁴Th) is the same if both nuclides are still present within the system observed. If we now measure the activity of ²³⁴Th in the surface of the ocean and see it is lower than that of ²³⁸U, we know that some ²³⁴Th must have been transported from the original water mass. And that happens exclusively through sinking particles! All we need to do now is to determine how much Thorium is transported by how much POC, and we can calculate our POC flux from the lack in ²³⁴Th activity across a variety of water depths! Isn´t that fascinating???

Stay tuned for more sciency facts and insights into our life on board RV Sonne. Feel free to comment and recommend this blog to your family and friends!

Greetings from the South Pacific,

Stephan Hamisch,

GEOMAR Kiel, Student at the University of Bayreuth

Partikel aufspüren durch natürliche Radioaktivität

Heute ist der zehnte Tag auf See, und das Leben an Bord und die Probenahmeverfahren sind für die Wissenschaftler:innen auf der GEOTRACES-Fahrt SO289 zur Gewohnheit geworden. Nach einigen straffen Probenahmeplänen für die Stationen in Küstennähe geht es nun in die internationalen Gewässer des Südpazifiks mit einem Rhythmus von etwa einer Station pro Tag. Das bedeutet für die meisten von uns immer noch, dass sie eine gute Nacht in mehrere Nickerchen aufteilen müssen, aber das gehört zum Abenteuer.

Aber was genau raubt mir persönlich den Schlaf? Das Versenken von Teilchen! Genauer gesagt, um die Bestimmung des Partikelflusses und damit den Transport von Kohlenstoff in die Tiefen des Ozeans.
In den oberen Schichten des Ozeans gedeiht das Phytoplankton, das auf die verfügbaren Nährstoffe und das Sonnenlicht angewiesen ist, indem es Kohlendioxid (CO₂) in organische Moleküle wie Zucker (organischer Kohlenstoff) umwandelt. Diese so genannte Primärproduktion ist die Grundlage fast des gesamten Nahrungsnetzes in den Weltmeeren (mit Ausnahme spezieller mariner Ökosysteme wie hydrothermaler Schlote und hypersaliner Seen).

Um diese Primärproduktion zu quantifizieren, reicht es nicht aus, nur die Menge des organischen Kohlenstoffs innerhalb der Produktivitätszonen zu betrachten. Von größter Bedeutung ist auch die Bestimmung der Menge an organischem Kohlenstoff, die diese Zonen verlässt und als kleine Partikel (partikulärer organischer Kohlenstoff, POC) auf den Meeresboden sinkt, wo er das Leben in der lichtlosen Tiefe unterstützt. Aber wie kann man diese Abwärtsbewegung von POC quantifizieren? In letzter Zeit haben Meeresforscher eine clevere Abkürzung gewählt, um dieses Rätsel zu lösen. Und diese Abkürzung ist die natürliche RADIOAKTIVITÄT!

In allen unseren Ozeanen ist ²³⁸U (Uran) ein gleichmäßig verteiltes und von Natur aus recht häufig vorkommendes radioaktives Isotop – und wir kennen seine Konzentration genau! Es geht keine Wechselwirkung mit Teilchen in seiner Umgebung ein und ist mit einer Halbwertszeit von mehreren Millionen Jahren recht langlebig, wobei es zu ²³⁴Th (Thorium) zerfällt. Dieses ²³⁴Th ist jedoch mit einer Halbwertszeit von nur 24,1 Tagen weitaus weniger stabil und sehr teilchenreaktiv. Das bedeutet, dass ²³⁴Th im Gegensatz zu ²³⁸U sehr stark von Oberflächen angezogen wird und sich daher an Partikel wie unseren organischen Feinstaub anlagert! Aber wie können wir uns dieses Vorkommen zunutze machen?

Wir machen uns eine sehr einfache physikalische Regel zunutze: Die Aktivität (Kernzerfälle pro Minute) des Elternradionuklids (²³⁸U) und die des Tochternuklids (Zerfallsprodukt ²³⁴Th) ist gleich, wenn beide Nuklide im beobachteten System noch vorhanden sind. Wenn wir nun die Aktivität von ²³⁴Th an der Meeresoberfläche messen und feststellen, dass sie geringer ist als die von ²³⁸U, wissen wir, dass etwas ²³⁴Th aus der ursprünglichen Wassermasse transportiert worden sein muss. Und das geschieht ausschließlich durch absinkende Partikel! Alles, was wir jetzt tun müssen, ist zu bestimmen, wie viel Thorium durch wie viel POC transportiert wird, und wir können unseren POC-Fluss aus dem Mangel an ²³⁴Th-Aktivität über eine Vielzahl von Wassertiefen berechnen! Ist das nicht faszinierend?

Bleibt dran für weitere wissenschaftliche Fakten und Einblicke in unser Leben an Bord der RV Sonne.

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Viele Grüße aus dem Südpazifik,

Stephan Hamisch
GEOMAR Kiel
Student an der Universität Bayreuth