Die NEXAFS-Spektroskopie (engl. Near-Edge X-Ray Absorption Fine Structure) erfasst die Oxidationsstufe und die chemische Umgebung eines Elements und eignet sich daher zur Charakterisierung von Mineralen, aber auch teilkristallinen Feststoffen, amorphen Verbindungen und Metallkomplexen. NEXAFS ist bisher auf Synchrotronstrahlquellen beschränkt. Da NEXAFS-Instrumente stark überbucht sind, sind Messungen nur nach einem langwierigen, hochkompetitiven Begutachtungsprozess möglich. Jedoch wurde am Laser-Laboratorium Göttingen kürzlich ein kompaktes Spektrometer auf Basis einer laserinduzierten Plasmaquelle entwickelt. Im Spektralbereich weicher Röntgenstrahlung (<1 keV) ermöglicht es die Untersuchung der Elemente C, N, O, Ca, Mn und Fe, und zwar nicht nur im Vakuum, sondern auch unter Umgebungsbedingungen oder Inertgas. Das Ziel dieses Gemeinschaftsprojektes ist es, das kompakte NEXAFS-Spektrometer für die Analyse geowissenschaftlicher Proben weiter zu entwickeln und anzuwenden. Im Teilprojekt des Laser-Laboratorium Göttingen wird die Brillanz der Quelle verbessert, eine neue Probenkammer entwickelt und die spektrale Auflösung deutlich erhöht. Im Teilprojekt der Universität Jena steht die Anwendung der NEXAFS-Spektroskopie mit weicher Röntgenstrahlung im Mittelpunkt. Hier sollen die Stärken und Schwächen der Methode in Bezug auf Probenvorbereitung, Nachweisgrenzen und Strahlenschäden unterschiedlicher Verbindungen in verschiedenen chemischen Umgebungen ausgelotet werden. Im Anschluss wird besonderes Augenmerk auf die Quantifizierung von Fe-Oxiden (Fe2p; O1s) und die Charakterisierung von organischem Material (C1s, N1s) in Umweltproben gelegt.Am Ende des Projekts wird ein verbessertes neues Tischspektrometer in Jena zur Verfügung stehen. Mit diesem Gerät schließen wir die analytische Lücke bei der Charakterisierung von teilkristallinen Mineralen, Metallkomplexen und Fe-Oxid-assoziierten organischen Substanzen. Das Spektrometer wird seine Stärken besonders dann ausspielen können, wenn Proben schnell nach der Präparation analysiert werden müssen. Das betrifft z.B. redox-sensitive Substanzen oder empfindliche metastabile Proben (teilkristalline Fe- und Mn-Phasen, Carbonatvorläuferphasen). Im Vergleich zu Synchrotronmessungen werden zudem die Analysekosten stark reduziert und ein höherer Probendurchsatz möglich sein.
In der Arktis tritt der der Klimawandel am offensichtlichsten zu Tage. Dies zeigt sich zum Beispiel im starken Rückgang der Meereisbedeckung des arktischen Ozeans, mit Auswirkungen auf die Wärmebilanz der Region und indirekt die Zirkulation in Ozean und Atmosphäre. Die Bildung von Tiefenwasser geht einher mit dem Transport von gelösten Gasen von der Oberfläche in das Innere der Ozeane, auch Ventilation genannt. Die entsprechende Aufnahme von Kohlendioxid, die im arktischen Ozean überproportional ausgeprägt ist, stellt einen wichtigen Puffer für Treibhausgasemissionen dar. Ihre Kenntnis ist entscheidend für aussagekräftige Klimaszenarien.Die Ventilationszeitskalen können über die Messung gewisser Spurenstoffe (Tracer) bestimmt werden, die einem zeitlich variablen Eintrag oder dem radioaktiven Zerfall unterliegen. Allerdings sind klassische Tracer wie Freon-12 und Schwefelhexafluorid (SF6) sowie eine Reihe moderner so genannter „Medusa Tracer“ in den tiefsten Bereichen des arktischen Ozeans nicht nachweisbar. Mit der neuen Atom Trap Trace Analysis (ATTA) Methode ist es nun möglich, das Radioisotop 39Ar in Meerwasser zu messen und damit genau die Zeitskala abzudecken, welche bisher nicht präzise bestimmt werden konnte. Im Zusammenspiel mit den genannten Tracern sowie dem Radiokohlenstoff 14C können somit Altersverteilungsfunktionen und letztlich die Ventilationszeitskalen der gesamten Wassersäule bestimmt werden. Dieser Ansatz wird ergänzt durch Messungen von Edelgasen zur Bestimmung von Sättigungsanomalien an der Oberfläche sowie der langlebigen anthropogenen Radioisotope 236U und 129I, die als Markierung von Atlantikwasser das Studium des Austausches zwischen Nordatlantik und Arktischem Ozean ermöglichen. In diesem Projekt sollen Proben für alle genannten Tracer während einer Expedition auf dem Eisbrecher ODEN im Jahr 2021 in der Zentralarktis genommen und gemessen werden. Die Daten dienen zur Bestimmung von Modellparametern von Aufenthaltszeitverteilungen, die wiederum die Grundlage zur Berechnung des Wassersäuleninventars des anthropogenen Kohlenstoffes bilden. Die Resultate werden mit biogeochemischen Ansätzen verglichen und zur Abschätzung der Ozeanversauerungsrate verwendet. Die weiteren Tracerdaten geben Aufschluss über die Zirkulation im nordatlantischen Raum sowie die Prozesse an der Ozeanoberfläche. Um die aufgrund der klimatischen Effekte zu erwartenden Veränderungen der letzten Jahrzehnte zu bestimmen, werden wir zusätzlich historische Tracermessungen aus der Arktis analysieren.Aus der Kombination unterschiedlicher innovativer Methoden versprechen wir uns darüber hinaus wichtige methodische Erkenntnisse sowie datenbasierte Randbedingungen für Ozeanmodelle. Die Ergebnisse dieses Projekts werden somit umfangreiche Beiträge liefern zum besseren Verständnis der Zirkulation und Ventilation des arktischen Ozeans, der Kohlenstoffaufnahmekapazität der Ozeane und der Konsequenzen des sich ändernden arktischen und globalen Klimas.