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Study of actinide signatures as potential markers for the anthropocene

Janis Wolf

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Robin Golser

Mitbetreuer*in

Karin Hain

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DOI

10.25365/thesis.72497

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-21760.65674.283042-1

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Da die Umwelt nachhaltig durch menschlichen Einfluss verändert wurde, wird diskutiert, ob dadurch eine neue geologische Epoche, namens Anthropozän begonnen hat. Um den Beginn des Anthropozäns zu definieren, ist ein stratigrafisches Signal erforderlich, das die menschliche Beeinflussung geologischer Prozesse belegt. Dieses Signal muss einmalig, weltweit verbreitet und in geologischen Archiven über mehrere Jahrtausende hinweg gut erhalten sein. Es darf keine Verfälschung dieses Signals durch jüngere Ereignisse stattfinden. Langlebige anthropogene Radionuklide, die durch atmosphärische Kernwaffentests freigesetzt wurden, haben in den 1950er und 1960er Jahren ein solches Signal erzeugt. Falls der Beginn des Anthropozäns in der Mitte des 20. Jahrhundert liegt, wären langlebige Radionuklide ein gutes stratigrafisches Signal hierfür. Die anthropogenen Aktinide 233U, 236U, 237Np, 239Pu, 240Pu, 241Pu und 241Am wurden mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) in verschiedenen Umweltreservoirs analysiert. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften dieser Elemente variiert ihr Verhalten in der Umwelt, wodurch sich die ursprüngliche Verteilung der globalen Fallout-Deposition verändern kann. Insbesondere die Migration in tiefere Schichten könnte den Ankerpunkt für das Anthropozän verfälschen. Isotopenverhältnisse erfahren in der Umwelt keine chemische Fraktionierung und ermöglichen daher die Identifizierung von Emissionsquellen, so dass jüngere Einträge durch die Atomindustrie vom Atomwaffenfallout unterschieden werden können. Zu den untersuchten Umweltproben gehören ein ereignis- und radiometrisch datierter Seesedimentkern aus dem Hallstätter See (Österreich), ereignisdatierte städtische Sedimente von einer Baustelle am Karlsplatz in Wien (Österreich) und Torf aus dem Pürgschachen-Moor (Österreich). Alle zuvor erwähnten Radionuklide wurden erfolgreich in den Schichten nachgewiesen, die der aktiven Phase der Kernwaffentests entsprechen, selbst in den stark heterogenen städtischen Sedimenten. Die Signatur 233U/236U markiert den Beginn der Waffentests. Die Konzentrationen der anderen Radionuklide steigen im Allgemeinen in Richtung des Jahres 1963 an und markieren somit die Hochphase der Waffentests. Die höchste Konzentration von 239Pu im Jahr 1963 wird oft als Kandidat für den Beginn des Anthropozäns angeführt, jedoch kann diese Konzentration nicht von einem jüngeren Eintrag unterschieden werden. Das 233U/236U Verhältnis hingegen ist für die Waffentests einzigartig. In dieser Arbeit werden die Isotopenverhältnisse im Hinblick auf die Identifizierung von Emissionsquellen und ihre Eignung als geologische Marker interpretiert. Das Hauptziel besteht darin, festzustellen, welches Aktinid in welchem Umweltarchiv am besten erhalten ist.

Abstract

(Englisch)

The Anthropocene is a proposed geological epoch dominated by human influence on the environment. To define the Anthropocene’s basis, a stratigraphic signal that proves human alteration of geological processes is required. This signal needs to be unique, distributed globally, and well preserved in geological archives for several millennia. No distortion of the signal by a younger input must be present. Long-lived anthropogenic radionuclides, released by atmospheric nuclear weapons testing may have produced such a signal in the 1950s and 1960s. This signal is only viable if a mid-20th century basis of the Anthropocene is chosen. The anthropogenic actinides 233U, 236U, 237Np, 239Pu, 240Pu, 241Pu and 241Am were analyzed in different environmental reservoirs using Accelerator Mass Spectrometry (AMS). Due to the different chemical properties of these elements, their behavior in the environment varies, thus changing the original pattern of the global fallout deposition. Especially migration into deeper layers may falsify the starting point of the Anthropocene. Younger inputs caused by nuclear industry can be distinguished from nuclear weapons fallout by isotopic ratios, as they differ for emission sources. The analyzed environmental samples included a both event-dated and radiometrically dated lake sediment core taken from Lake Hallstatt (Austria), event-dated urban sediments taken from a construction site at Karlsplatz in Vienna (Austria) and peat taken from the the Pürgschachen Mire (Austria). All the radionuclides mentioned before have been successfully detected in layers corresponding to the active phase of nuclear weapons testing, even in the strongly heterogeneous urban sediments. The novel signature 233U/236U. marks the onset of weapons testing and decreases towards younger layers. The concentrations of the other radionuclides in general increase towards the year of 1963, marking the most active part of the testings. The highest concentration of 239Pu in the year 1963 is often put forward as a candidate for the basis of the Anthropocene. Its main disadvantage is the lack of possibility to distinguish it from a younger input. The 233U/236U ratio on the other hand, is unique for the weapons tests. In this thesis the isotopic ratios are interpreted in terms of emission source identification and their suitability as geological markers. The main goal is to determine which actinide is best preserved in which environmental archive.

Autor*innen

Janis Wolf

Haupttitel (Englisch)

Study of actinide signatures as potential markers for the anthropocene

Paralleltitel (Deutsch)

Aktinidensignaturen als potenzielle Marker für das Anthropozän

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

v, 89 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Robin Golser

Klassifikationen

33 Physik > 33.40 Kernphysik ,

33 Physik > 33.99 Physik: Sonstiges

AC Nummer

AC16663745

Utheses ID

64764

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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