Fakultät für Physik und Astronomie Ruprecht-Karls-Universität ...

Kapitel 2
Grundlagen
2.1 Edelgase in der Atmosphäre
Edelgase sind neben Stickstoff und Sauerstoff einer der Hauptbestandteile der Erdatmosphäre.
Als Edelgase bezeichnet man die Elemente der achten Hauptgruppe des Periodensystems. Wegen
ihrer abgeschlossenen Elektronenschale sind sie chemisch fast vollkommen inert und wechselwirken
nur über Van-der-Waals-Kräfte mit anderen Atomen (nur von Xenon und Radon existieren
Verbindungen, die aber nicht natürlich vorkommen). In der Natur kommen sie daher als einatomige
Gase vor. Mit einer Konzentration von 9340 ppm ist Argon das dritthäufigste Element
der irdischen Atmosphäre. Es entsteht hauptsächlich durch den Zerfall des radioaktiven 40 K zu
40 Ar. Auch die anderen Edelgase der Atmosphäre entstehen als radioaktive Zerfallsprodukte: He
als Resultat des α-Zerfalls, Kr und Xe aus der spontanen Spaltung von Uran. Das radioaktive
Radon ist Produkt der Zerfallsreihe von 228 U. Neben den stabilen existieren in der Atmosphäre
noch eine Vielzahl radioaktiver Edelgasisotope. Insgesamt bleiben die Edelgaskonzentrationen
über lange Zeiträume konstant, da ein Gleichgewicht zwischen produzierten und aus der Atmosphäre
entweichenden Atomen besteht. Eine Übersicht über die verschiedenen stabilen und
radioaktiven Edelgasisotope und deren Häufigkeiten geben die Tabellen 2.1 und 2.2.
Anwendung in der Umweltphysik finden Edelgase z. B. in der Rekonstruktion des Paläoklimas:
Gemäß dem Henry-Gesetz ist die Konzentration eines im Wasser gelösten Gases(ci,aq)
proportional zu seinem Partialdruck in der über dem Wasser stehenden Atmosphäre (pi,gas):
ci,aq = Hi(T ) · pi,gas, (2.1)
mit der Proportionalitätskonstante Hi(T ) (Henry-Koeffizient). Da der Henry-Koeffizient temperaturabhängig
ist, kann durch Bestimmung der gelösten Gasmenge in einem von der Atmosphäre
abgeschlossenen alten Grundwasser die Grundwasserspiegeltemperatur zum Zeitpunkt des Abschlusses
des Grundwassers bestimmt werden (Edelgasthermometer-Methode, s. z. B. Kipfer
et al., 2002). Zur Datierung von Grundwasser oder Eisproben können ebenfalls Edelgase herangezogen
werden, z. B. über die Messung des Verhältnisses 3 H/ 3 He. Für sehr lange Zeitskalen
ist auch eine Datierung über die Verhältnisse der Argonisotope 36 Ar und 38 Ar zum häufigeren
40 Ar möglich (Paterson und Cuffey, 2010). Die instabilen Isotope wie 222 Rn, 85 Kr, 81 Kr oder
39 Ar können direkt als Tracer zur Datierung verwendet werden, wobei sie auf Grund ihrer unterschiedlichen
Herkunftsquellen und Halbwertszeiten für unterschiedliche Zeitskalen geeignet
sind. Diese Arbeit befasst sich mit der Probenaufbereitung für eine neue Datierungsmethode für
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