GADAM CentrePHYSICS IN EARTH SCIENCES ENVIRONMENT AND ARCHEOLOGY
 
GADAM Centre
Main Page


ZZR 2007
ZZR 2008
ZZR 2009
ZZR 2010
ZZR 2011
 

ZZR 2008

TEMATYKA BADAŃ - REALIZOWANE PRACE DOKTORSKIE I HABILITACYJNE

Badania zjawiska luminescencji.
Adamiec G. - realizacja pracy habilitacyjnej.

Badania w tym zakresie dotyczyły dopasowywania krzywych zaniku OSL za pomocą sumy składowych z zastosowaniem ewolucji różnicowej. Ulepszony zostało oprogramowanie służące do dopasowywania krzywej zaniku OSL za pomocą sumy eksponent z zastosowaniem ewolucji różnicowej.

Opracowana metoda została zastosowana do dopasowywania krzywych zaniku OSL w lessie chińskim, w celu wyjaśnienia odchylenia wyników datowania w profilu lessów pobranych ze stanowiska Beiguoyuan, pojawiających się w okresie około 20 ka. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość obecności w danym okresie dodatkowych składowych w sygnale OSL, które prowadzą do uzyskania niedokładnych wyników. Prace te prowadzone są we współpracy z Thomasem Stevensem z Kingston University, Wielka Brytania.

Przeprowadzone zostało końcowe opracowanie publikacji w Journal of Physics D na temat TT OSL. Ponadto prowadzone były prace nad numerycznym modelowaniem TT OSL - w przygotowaniu jest publikacja na ten temat we współpracy z Vasilisem Pagonisem z McDaniel College w USA. Przeprowadzone badania wskazują, iż model fizyczny zaproponowany w wymienionej pracy prowadzi do modelu numerycznego dającego wyniki zbieżne z obserwacjami eksperymentlanymi.

Przeprowadzona została kalibracja mocy źródła w nowym czytniku OSL firmy Daybreak, oraz uruchomione zostały regularne pomiary OSL z jego zastosowaniem.

Statystyka dat radiowęglowych dla potrzeb interpretacji paleoklimatycznych i chronostratygraficznych.
Michczyńska J.D. - realizacja pracy habilitacyjnej.

Kontynuacja prac nad statystyczną analizą dużych zbiorów dat radiowęglowych. Były to prace związane z analizą danych radiowęglowych z terenu Polski. Duże zbiory dat radiowęglowych mogą być użyte do konstruowania rozkładów częstości, a ściślej rozkładów gęstości prawdopodobieństwa (RGP), w skali lat kalendarzowych. Celem tworzenia takich rozkładów są badania zmienności jakiegoś zjawiska geologicznego (czy też archeologicznego), które mogą być odbiciem zmian środowiska. Analiza rozkładów gęstości prawdopodobieństwa może być zatem wykorzystana do rekonstrukcji zmian środowiska. We wcześniejszych opracowaniach (Michczynska i Pazdur, 2004; Michczynski i Michczynska, 2006) zauważono i przedyskutowano obecność wysokich wąskich pików rozkładów gęstości prawdopodobieństwa. Ich obecność jest spowodowana dwoma faktami:

  1. Krzywa kalibracyjna jest zapisem zmian środowiska w przeszłości. Stromo nachylone odcinki krzywej kalibracyjnej działają jak wzmacniacz i zwiększają wysokość RGP.
  2. Preferencyjne próbkowanie - generalna zasada wybierania do datowania próbek z miejsc o widocznej zmianie w sedymentacji (np. spąg i strop warstwy torfu) - prowadzi do tego, że próbki z miejsc odpowiadających granicom stratygraficznym są pobierane znacząco częściej.

Fakt ten można wykorzystać do sprecyzowania wartości granic stratygraficznych w skali lat kalendarzowych (Rys. 1). Proponowane kalendarzowe wartości chronozon zostały porównane z wynikami kalibracji chronozon podanych w latach radiowęglowych przez L. Starkla i Mangeruda.

Opracowanie dotyczące tego tematu było prezentowane w postaci posteru:

Danuta J. Michczynska, Adam Michczynski, Anna Pazdur, Leszek Starkel: "Evaluation of Calendar Values of the Climatostratigraphic Borders on the Base of Large Sets of 14C Dates na konferencji "Join annual meeting of GAC - MAC - SEG - SGA" 26-28 May, 2008 Quebec, Canada.

Rysunek 1

Rys. 1. Gęstość prawdobodobieństwa funkcji dla 2 dużych zbiorów dat węglowych (785 dat z torfu oraz 331 dat ze zdarzeń fluwialnych) utworzonych poprzez sumowanie rozkładów prawdopodobieństwa poszczególnych dat radiowęglowych po kalibracji. Wyniki kalibracji lat dla klimatostratygraficznych granic, proponowane przez Starkel´a (na zielono) oraz przez Mangerud´ego (na niebiesko) są przedstawione w dolnej części rysunku.

Analiza dużych zbiorów dat radiowęglowych w połączeniu z niezależnymi danymi środowiskowymi została także wykorzystana w opracowaniu "Możliwości rekonstrukcji zdarzeń ekstremalnych na podstawie dużych zbiorów dat 14C". Opracowanie jest efektem współpracy z Prof. L. Starklem z Instytutu Geografii i Przestrzennego zagospodarowania PAN w Krakowie.

Temat był prezentowany na konferencji organizowanej przez Stowarzyszenie Geomorfologów Polskich jako referat pt. "ROLA PROCESÓW EKSTREMALNYCH W KSZTAŁTOWANIU RZEŹBY", która odbyła się w dniach 10-13 września 2008r w Słupsku.

Zastosowanie radiowęglowej metody AMS do modelowania wieku.
Michczyński A. - realizacja pracy habilitacyjnej.

1. We współpracy z Instytutem Ochrony Przyrody PAN oraz Wydziałem Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH w Krakowie podjął badania profilu torfowego z torfowiska Pcim-Sucha w Beskidzie Makowskim, mające na celu zbudowanie modelu wiek-głębokość. W ramach badań pobrano profil torfowy, wybrano próbki przeznaczone do datowania radiowęglowego metodą AMS i konwencjonalną. Próbki przeznaczone do datowania AMS poddane zostały preparatyce oraz przetworzone na "tarcze" grafitowe w Laboratorium Radiowęglowym ZZR Instytutu Fizyki, Pomiary koncentracji izotopu 14C przeprowadzono zo z użyciem tarcz przygotowanych w Zakładzie Zastosowań Radioizotopów w Poznańskim Laboratorium Radiowęglowym. Otrzymane do tej pory wyniki pozwoliły na stworzenie wstępnego modelu wiek-głębokość torfowiska. Obecnie model ten na być uzupełniony o wyniki kolejnych datowań metodą AMS. Wyniki stanowić będą istotną cześć pracy habilitacyjnej.

2. We współpracy z Irką Hajdas z ETH w Zurichu zaproponował metodę statystyczną oraz przeprowadził test porównawczy chronologii warwowej jeziora Soppensee z modelem wiek-głębokość dla tego jeziora skonstruowanym w oparciu u datowania radiowęglowe. Wyniki testu pokazały bardzo wysoką zgodność obu modeli dla obszaru wyraźnej laminacji osadu jeziornego. Obecnie wyniki są porządkowane i uzupełniane celem przygotowania publikacji.

3. Badania nad porówaniem metod preparatyki chemicznej kości przeznaczonych do datowania radiowęglowego techniką AMS, wykonane podczas pobytu A. Michczyńskiego w Laboratorium Radiowęglowym ETH w Zurychu, w czasie pobytu w ramach projektu ATIS. Badania prowadzone były z wykorzstaniem kości o wieku zbliżonym do zasięgu metody radiowęglowej (mamut z Niederweinigen. Ponadto celem badań było wyjaśnienie niejednoznaczności w przeprowadzonych wcześniej datowaniach stanowiska Niederweningen. Wyniki zaprezentowane zostały na konferencjach 5th Int. Symposium "Radiocarbon and Archaeology" i 11th International Conference on Accelerator Mass Spectrometry oraz przyjęte do publikacji w czasopiśmie "Radiocarbon".

Prezentacja wyników badań na konferencji (plakaty):

Hajdas, A.Michczyński, D.Livingstone. Soppensee Holocene varve counting-was it really necessary? (prezentowany przez I.Hajdas). 11th International Conference on Accelerator Mass Spectrometry, Rzym, Włochy, 14-19.09.2008.

I.Hajdas, A.Michczyński, G.Bonani, L.Wacker - Dating Bones Near the Limit of the Radiocarbon Dating Method: Study Case Mammoth from Niederweningen. "Radiocarbon and Archaeology", 5th Int. Symposium, 26-28 March 2008, Zurich, Switzerland.

I.Hajdas, A.Michczyński, G.Bonani, L.Wacker - Dating Bones Near the Limit of the Radiocarbon Dating Method: Study Case Mammoth from Niederweningen. 11th International Conference on Accelerator Mass Spectrometry, Rzym, Włochy, 14-19.09.2008.

Zapis zmian klimatu w składzie izotopów stabilnych w rocznych przyrostach drzew.
Pawełczyk S. - realizacja pracy habilitacyjnej.

Kontynuowano opracowanie wyników uzyskanych realizacji projektu ISONET, co związane było głównie z zebraniem i opracowaniem ciągu danych obejmujących ostatnie 100 lat pod katem badań klimatycznych i szacowania wpływu człowieka na środowisko. Rozpoczęte zostały również prace mające na celu rekonstrukcje zmian klimatu na podstawie ciągów danych izotopowych w okresie ostatnich 400 lat.

Otrzymane wyniki pomiarów zostały zebrane, a wyznaczone zależności δ13C, δ18O i δ2H od temperatury i opadu zostały zaprezentowane w przygotowanym do druku artykule (Pawelczyk S, Boettger T, Haupt M, Krapiec M, Krapiec-Szychowska E, Pazdur Anna; Carbon, oxygen and hydrogen isotopes in pine tree rings from North Poland - a climate and anthropogenic impact study for years 1900-2003). W przygotowanym artykule została również wskazana możliwość wykorzystanie δ13C jako narzędzia biomonitoringu emisji CO2.

Wartości δ13C, δ18O i δ2H w przyrostach rocznych sosny dla ostatnich 100 lat dla regionu Suwałk otrzymane w wyniku badań spektrometrycznych zostały poddane analizie zarówno pod kątem wpływu klimatu na te wartości, jak również wpływu działalności człowieka przejawiającego się emisją CO2 do atmosfery. W wyniku przeprowadzonych analiz przy użyciu programu DendroClim zostały ustalone współczynniki korelacji między δ13C, δ18O i δ2H a temperaturami, jak i sumami opadów poszczególnych miesięcy. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że na wartości delt izotopowych największy wpływ maja warunki panujące w miesiącach letnich. Najwyższe współczynniki korelacji występują dla izotopu wodoru. Zaobserwowano również, że temperatura w większym stopniu oddziałuje na wartości δ13C niż opad atmosferyczny.

W stosunku do opracowania z roku 2007 zastosowano dodatkowe narzędzia statystyczne pozwalające na określenie istotności obserwowanych korelacji.

Skład izotopowy węgla w kopalnej materii organicznej mchów torfowców.
Pawlyta J. - realizacja pracy habilitacyjnej.

Wdrożona została nowa metodyka kalibracji spektrometru masowego IsoPrime pracującego w systemie przypływu ciągłego dla pomiarów składu izotopowego węgla w materii organicznej. Wykonano pomiary składu izotopów stabilnych węgla w materii organicznej mchów torfowców z profilu torfowego NIS (torfowisko Misten na granicy belgijsko-niemieckiej). Łącznie pomiary zostały wykonane w ponad 57 próbkach wypreparowanych i oznaczonych łodyżek Sphagnum. Zakończyłem pomiary kalibracyjne w celu stworzenia laboratoryjnego wzorca składu izotopowego węgla. Wykonano łącznie kilkadziesiąt pomiarów składu izotopowego węgla w dwóch rodzajach dostępnej komercyjnie, chemicznie czystej celulozy uzyskiwanej różnymi metodami.

Poszukiwano związków między zmianami składu izotopowego węgla w kopalnej materii organicznej mchów torfowców oraz biotycznymi wskaźnikami zmian klimatu, takimi jak: odtworzona na podstawie analiz składu gatunkowego ameb skorupkowych wysokość poziomu wody w torfowisku, zmiany pokrywy roślinnej obszaru wokół torfowiska odzwierciedlonej w profilach palinologicznych oraz profilach makroszczątków organicznych. Badania te wykonane zostały dla profilu izotopowego rdzenia SM2 (torfowisko Stążki) oraz profili wskaźników biotycznych w profilach SM1 i SM2. Poszukiwano związków pomiędzy dostępnymi w literaturze danymi wskaźników zmian klimatu dla regionu Europy oraz zmiennością składu izotopowego węgla 3 w profilach północnych Polski Północnej oraz jednym profilu pochodzącym z pogranicza Belgii i Niemiec.

Szukano związków między zmianami składu izotopowego węgla w kopalnej materii organicznej mchów torfowców oraz biotycznymi wskaźnikami zmian klimatu. Jako materiał porównawczy wybrano:

  • odtworzone na podstawie analiz składu gatunkowego ameb skorupkowych zmiany wysokości poziomu wody w torfowiskach,
  • zmiany pokrywy roślinnej obszaru wokół torfowiska odzwierciedlonej w profilach palinologicznych,
  • zmiany pokrywy roślinnej najbliższej okolicy odtworzonej poprzez badania w profilach makroszczątków organicznych.

Podjęte badania obejmują aktualnie dwa najlepiej zachowane torfowiska wysokie typu bałtyckiego: Stążki i Słowińskie Błoto. Badania te wykonano dla profilu izotopowego rdzenia SM2 (torfowisko Stążki) oraz profili wskaźników biotycznych w profilach SM1 i SM2.

Jednym z postawionych sobie celów badawczych jest również próba rozróżnienia wpływu działalności człowieka od naturalnych przyczyn zmian w środowisku torfowisk. Problem ten może zostać rozwiązany jedynie poprzez skrajnie interdyscyplinarne badania obejmujące analizy wielu wskaźników zmian środowiska i klimatu w skalach: lokalnej oraz globalnej.

Na podstawie uzyskanych w tym roku wyników datowania AMS zbudowano model wiek - głębokość dla profilu SM1. Zbudowano także model wiek - głębokość dla profilu SL2 (torfowisko Słowińskie Błoto). Badania prowadzone były we współpracy z Scottish Universities Environmental Research Centre w East Kilbride, Uniwersytetem w Poznaniu, Uniwersytetem w Szczecinie, Instytutem Nauk Geologicznych PAN w Warszawie, Państwowym Instytutem Geologicznym w Gdańsku. Wyniki podjętych badań zostaną opublikowane w postaci kilku artykułów w czasopismach międzynarodowych. Ponadto wyniki były prezentowane na konferencjach międzynarodowych i krajowych.

Konferencje międzynarodowe:

Pawlyta J., Lamentowicz M.,Does isotopic signal in organic matter of sphagnum peat profiles for a last few centuries correspond to climatic changes? Recent advances in isotopic reconstruction of climatic changes over the last centuries - temperature and precipitation series Symposium, Joint Annual Meeting Geological Association of Canada, Mineralogical Association of Canada, Society of Economic Geologists, Society for Geology Applied to Mineral Deposits, Quebec, Canada, May 26-28, 2008.

Piotrowska N., De Vleeschouwer F., Sikorski J., Pawlyta J., Fagel N., Le Roux G. Intercomparison of lead 210 and radiocarbon bomb pulse age models. A study in a peat bog core from North Poland. AMS-11, Rome, Italy, September 14-19, 2008

F. De Vleeschouwer, C. Luthers, D. Mauquoy, C. Wastiaux, G. Le Roux, J. Pawlyta, A. Pazdur, J.Sikorski, & N. Piotrowska - Multiproxy study in the Misten bog (East Belgium) during the last millenium. Palaeoclimatic vs. anthropogenic signals. Latest Developments in Palynology and Palaeobotany, University of Li?ge, Belgium, November 27, 2008.

Konferencje krajowe:

Pawlyta J., Lamentowicz M., Piotrowska N., Czy zmiany składu izotopowego węgla w profilach torfowisk typu bałtyckiego są związane ze zmianami klimatycznymi? Holoceńskie przemiany wybrzeży i wód południowego Bałtyku - przyczyny, uwarunkowania i skutki, Smołdzino, 6-9 maja 2008 r.

Lamentowicz M., Balwierz Z., Borówka K. R., Forysiak J., Kittel P., Kloss M., Pawlyta J, Pawłowski D., Płóciennik M., Twardy J., Tomkowiak J., Żurek S.. Późnoglacjalny i holoceński wielowskaźnikowy zapis paleolimnologiczny z torfowiska kotłowego w centralnej Polsce. XII Konferencja Limnologiczna, Gdańsk-Wdzydze Kiszewskie 23-26 września 2008 r.

Pawlyta J., Przyczyny zmian składu izotopowego węgla w kopalnej materii organicznej mchów Sphagnum w ostatnim tysiącleciu. V Seminarium Geneza, Litologia i Stratygrafia Utworów Czwartorzędowych, Poznań, 20-21 listopada 2008 r.

Badania izotopowe środowiska sedymentacji jeziora Wigry.
Piotrowska N. - realizacja pracy habilitacyjnej.

Obiektem zainteresowań naukowych jest od kilku lat Jezioro Wigry, usytuowane na granicy dwóch regionów geograficznych północno-wschodniej Polski - wschodniego Pojezierza Suwalskiego i Równiny Augustowskiej. Pojezierze Suwalskie charakteryzuje się młodą rzeźbą terenu powstałą podczas Zlodowacenia Bałtyckiego. Razem z 41 jeziorami w swoim pobliżu Jezioro Wigry tworzy Wigierski Park Narodowy. Jezioro Wigry jest jednym z największych i najgłębszych jezior w Polsce. Obecnie jest to jezioro eutroficzne. Składa się z kilku głównych akwenów o różnej genealogii, zarówno rynnowej (np. Ploso Szyja) jak i wytopiskowej (Ploso Bryzglowskie). Środowisko sedymentacji w Jeziorze Wigry ma głównie charakter węglanowy, a typowe osady zawierają 70% CaCO3 (gytje węglanowe w profundalu), a nawet ponad 90% CaCO3 (kreda na płyciznach).

W minionych latach wykonano szereg pomiarów izotopowych w różnych składnikach sedymentacji węglanowej dla południowej części jeziora. Do chwili obecnej przeprowadzono tam wiele badań z różnych dziedzin, a w szczególności w 2003 roku wydobyto rdzeń osadów WZS/03 o długości 526cm, sięgający początków sedymentacji jeziornej. Poprzednie badania materiału obejmują litologię, palinologię, skład gatunkowy wioślarek i okrzemek. Wyniki badań paleobiologicznych pozwoliły na rekonstrukcję warunków środowiska w Jeziorze Wigry i jego otoczeniu od późnego glacjału do chwili obecnej. Datowanie radiowęglowe wraz z narzędziami statystycznymi zostało użyte w celu zbudowania modelu wieku kalendarzowego dla rdzenia WZS/03.

Badania izotopowe obejmują pomiary składu izotopów stabilnych węgla i tlenu (δ13C, δ18O), wykonane we współpracy z prof. Stanisławem Hałasem z UMCS w Lublinie, jak również radiowęgla we współczesnych węglanach oraz rdzeniu poddanym wcześniej badaniom paleośrodowiskowym. Badania współczesnego środowiska obejmują pomiary izotopowe w wodzie, rozpuszczonych węglanach (DIC) i węglanach osadzonych na krótko żyjących zanurzonych roślinach.

Dla rdzenia osadów wyznaczono wiek rezerwuarowy jako różnicę między wiekiem radiowęglowym szczątków pochodzenia lądowego, a wiekiem węglanów z tej samej głębokości. Wyniki badań izotopowych zostały porównane do zapisu zmian klimatycznych i faz rozwoju Jeziora Wigry, i wykazują z nimi dobrą zgodność. Korelacja δ13C, δ18O wykazuje dwie łatwo wyróżniające się tendencje, które wskazują na istotną zmianę w środowisku sedymentacji około 8000BC, która jest bardzo dobrze skorelowana z granicami innych zon. W 2008 roku uzupełniłam pomiary δ13C, δ18O w rdzeniu WZS/03 w celu poprawy rozdzielczości opróbowania w najbardziej interesującym przedziale początku holocenu. Wysoka szybkość sedymentacji osadu powoduje, że rozdzielczość czasowa punktów pomiarowych wynosi średnio 130 lat.

Porównując otrzymane wyniki z innymi zapisami lokalnych oraz globalnych zmian klimatu, np. z rdzeniem lodowym GISP2, otrzymano znaczące różnice w czasowej granicy młodszy drias/holocen, która jest wyraźnie widoczna w zapisie izotopowym δ18O rdzenia WZS/03. Problem ten może być rozwiązany poprzez przebudowanie modelu wieku, który, zwłaszcza dla głębszych partii, opierał się na pewnych dyskusyjnych założeniach. W roku 2008 opracowano nowy model wieku dla rdzenia WZS/03 - bazując na uzyskanych wynikach pomiarów izotopowych udało się precyzyjniej określić założenia statystyczne wykorzystywane przy konstrukcji modelu.

W roku 2008 kontynuowano badania środowiska Jeziora Wigry we współpracy z prof. Jackiem Rutkowskim z Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH w Krakowie oraz prof. Sławomirem Żurkiem z Instytutu Geografii Akademii Świętokrzyskiej w Kielcach. Prace badawcze obejmują studia nad genezą i ewolucją samego jeziora, jak i przylegających do niego torfowisk. W lipcu 2008 roku zorganizowana została 6-osobowa międzynarodowa wyprawa naukowa nad Jezioro Wigry w celu pobrania rdzenia osadów torfowych z torfowiska przylegającego do Plosa Bryzglowskiego od strony południowej oraz próbek wody, roślin i strąceń węglanowych do celów badań izotopowych. Wiercenie osadów torfowych zakończyło się wydobyciem około 10 metrów torfu, pod którym znaleziono gytię jeziorną. Pierwsze wyniki datowania wskazują, że na badanym stanowisku około 7500 lat temu na osadzie jeziornym rozwinęło się torfowisko. Dokładny opis stratygraficzny oraz pobór próbek do bardziej szczegółowych badań przewiduje się na początku roku 2009. Podobnie dodatkowe badania planowane są dla wiercenia z torfowiska położonego na północ od Plosa Bryzglowskiego, które zostało ponownie wykonane jesienią 2008 roku.

Opisane badania i ich wyniki były przedmiotem prezentacji na międzynarodowej konferencji EGU 2008 w Wiedniu, Sesji Naukowej "Datowanie Minerałów i Skał" w Lublinie, sesji naukowej Polskiej Akademii Umiejętności w Krakowie oraz seminarium Zakładu Zastosowań Radioizotopów, a w przygotowaniu jest publikacja.

Piotrowska N., Pazdur A., Hałas S., Rutkowski J., Carbon and oxygen isotope record in carbonate sediments of Lake Wigry (NE Poland). EGU General Assembly 2008, Wiedeń, Austria, 13-18 kwietnia 2008 (plakat).

Natalia Piotrowska, Anna Pazdur, Stanisław Hałas, Jacek Rutkowski, Edyta Zawisza, Krystyna Szeroczyńska. Izotopy węgla i tlenu w osadach węglanowych Jeziora Wigry. Posiedzenie Komisji Paleogeografii Czwartorzędu Polskiej Akademii Umiejętności, Kraków, 21 listopada 2008 (referat).

Rysunek 1

Rys. 1. Zmienność składu izotopów stabilnych i wieku rezerwuarowego w rdzeniu WZS/03 osadów z Jeziora Wigry.

Zastosowanie metody radiowęglowej do badan emisji CO2 do atmosfery
Rakowski A. - realizacja pracy habilitacyjnej.

Przedmiotem badań są pomiary koncentracji izotopu węgla C-14 w rejonie silnie uprzemysłowionym. W wyniku spalania dużych ilości paliw kopalnych na terenach silnie zurbanizowanych, oraz o znacznym zagęszczeniu przemysłu obserwuje się zaniżenie koncentracji radiowęgla spowodowane rozcieńczeniem węglem nieaktywnym. W literaturze zjawisko to nosi nazwę Efektu Suessa.

Opierając się na tym, że drzewa asymilują dwutlenek węgla z atmosfery, mierząc koncentrację w słojach rocznych przyrostów drzew możemy ocenić ilość nieaktywnego węgla wprowadzonego do atmosfery.

Zaniżenie koncentracji radiowęgla w atmosferze spowodowane jest wprowadzeniem nieaktywnego dwutlenku węgla pochodzącego ze źródeł antropogenicznych. Korzystając ze znajomości zmian koncentracji C-14 w rejonie przemysłowym i w rejonie czystym ekologicznie można wyznaczyć współczynnik S-14 będący miarą zaniżenie koncentracji radiowęgla w odniesieniu do ,,czystego powietrza''. Znajomość przebiegu zmian współczynnika S-14 w czasie oraz przyjęcie stałej ilości C-14 w atmosferze w badanym przedziale czasowym pozwala, po zastosowaniu modelu obiegu węgla w przyrodzie podanego przez Keelinga (1979) na oszacowanie ilości nieaktywnego CO2 wprowadzonego do atmosfery wskutek spalania paliw kopalnych.

Prace nad badaniem antropogenicznych zmian składu izotopowego węgla na terenie GOP zostały zapoczątkowane tematem mojej pracy magisterskiej oraz rozprawy doktorskiej. W obecnej pracy, w celu wyznaczenia zmian koncentracji radiowęgla oraz oszacowania emisji dwutlenku węgla do atmosfery, zostały pobrane próbki słoi przyrostów rocznych drzew w Valladolid (Hiszpania).

Próbki do analiz radiowęglowych zostały pobrane z rosnących drzew (sosna) przy użyciu wiertła trepanacyjnego. Próbki zostały poddane preparatyce chemicznej mającej na celu wyekstrahowanie alfa-celulozy z próbek rocznych przyrostów drzew.Pomiary koncentracji radiowęgla zostały wykonane przy użyciu AMS w Center for Chronological Research Uniwersytetu w Nagoya. Wykorzystanie metody akceleratorowej w badaniach pozwoliło na wykonanie analiz w próbkach o masie poniżej 1 mg węgla.

Na postawie znajomości średniej wartości koncentracji radiowęgla w każdej ze stref oraz średniej koncentracji dwutlenku węgla, został wyznaczony udział dwutlenku węgla pochodzącego ze spalania paliw kopalnych (cfoss).

W toku badań potwierdzono przydatność materiału, jaki stanowiły słoje przyrostów rocznych drzew do badań związanych z wyznaczeniem wartości zaniżenia koncentracji radiowęgla na terenach przemysłowych. Ze względu na stosunkowo łagodny klimat słoje przyrostów późnych w całości obejmują sezon od listopada do marca. Wyniki pomiarów pozwoliły na oszacowanie emisji dwutlenku węgla w okresie letnim oraz zimowym.

Rysunek 1
Rysunek 2

Rysunek 1. Zaniżenie koncentracji radiowęgla w słojach przyrostów sosny z Valladolid. Wartość cfoss słoi przyrostów wczesnych i późnych dla sosny z Valladollid

Wyniki badań zostały przedstawione w formie plakatu na konferencji AMS:

Rakowski AZ. Nakamura T. Pazdur A. Jose Luis Gutierrez Villanueva, Natalia Piotrowska, Maria Elena Charo. 2008 . Radiocarbon concentration in modern atmosphere and biosphere11th AMS Conference, Roma, Italy. September 14 - 19, 2008.

oraz przygotowane do publikacji w czasopismach:

Rakowski AZ. Nakamura T. Pazdur A. 2008. Variations of anthropogenic CO2 in urban area deduced by radiocarbon concentration in modern tree rings. Journal of Environmental Radioactivity.

Rakowski AZ. Nakamura T. Pazdur A. Jose Luis Gutierrez Villanueva, Natalia Piotrowska, Maria Elena Charo. 2008. Radiocarbon concentration in modern atmosphere and biosphere. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms.

Skład izotopowy węgla, wodoru i tlenu w α-celulozie i glukozie rocznych przyrostów drzew.
Sensuła B. - realizacja pracy doktorskiej.

Temperatura, opad, wilgotność, usłonecznienie, tj. naturalne warunki określające tempo i przebieg fotosyntezy oraz emisja CO2 do atmosfery spowodowana działalnością człowieka przyczynia się do zmian szerokości rocznych przyrostów drzew jak również zmiany składu izotopów stabilnych, w tym węgla i tlenu, w każdym pojedynczym przyroście. Pomiary szerokości rocznych przyrostów przeprowadzane w różnych laboratoriach potwierdzają, że metoda dendrochronologiczna nie jest wystarczająca do rekonstrukcji zmian zachodzących w środowisku, gdy mamy do czynienia ze złożonym kompleksem czynników wpływających na wzrost drzew. W takich sytuacjach wymagana jest znajomość innych mierzalnych wielkości, jakimi są zmiany izotopów stabilnych w poszczególnych słojach. Wykorzystanie nowoczesnych metod spektrometrycznych oraz chromatografii gazowej pozwala na wyznaczenie zmian składu izotopów stabilnych oraz związków organicznych w rocznych przyrostach drzew, dzięki czemu możliwa jest analiza zmian klimatu i efektów antropogenicznych z roczną rozdzielczością. W wielu obecnie laboratoriach izotopowych na świecie, do analizy składu izotopów stabilnych metodą spektrometrii mas wykorzystuje się składnik drzewa zwany α-celulozą, ekstrahowana najczęściej z rocznych przyrostów sosny lub letnich przyrostów dębu. W α-celulozie, która stanowi liniowy polimer glukozy, zapis przebiegu fotosyntezy, jest bardziej czytelny niż w całkowitym drewnie. Można spodziewać się więc, że również w składniku, który stanowi glukoza, zapis ten będzie widoczny.

Jakkolwiek uzyskiwanie glukozy zarówno na drodze hydrolizy enzymatycznej, jak i kwasowej jest bardziej kłopotliwe niż ekstrakcja α-celulozy, warto podjąć próbę badania składu izotopowego tego właśnie składnika drewna. Interpretacja powiązań sygnałów izotopowych w α-celulozie z danymi meteorologicznymi (klimatycznymi) oraz antropogenicznymi nastręcza bowiem ciągle sporo trudności. Jak dotychczas, tego typu badania w glukozie nie zostały opisane w publikacjach zagranicznych i krajowych. Pomiar składu izotopów stabilnych w różnych składnikach drzew powinien pomóc w jego interpretacji dla potrzeb klimatycznych, jak również oszacowaniu składowej emisyjnej CO2 do atmosfery. Podkreślić należy, że prowadzone eksperymenty w ramach przygotowywanej pracy doktorskiej mają charakter nowatorski i uzupełniający w stosunku do pozostałych, przeprowadzanych w obecnie wielu laboratoriach na świecie, badań i analiz zmian środowiska i wpływu na nie działalności człowieka. Okazać się może również, że zapis warunków środowiskowych będzie łatwiejszy do interpretacji na podstawie izotopowych badań cząsteczek prostych cukrów, jakimi jest glukoza. W tym przypadku innowacyjność podjętych badań w obecnym projekcie może okazać się znacząca.

Jak pokazuje raport organizacji IPCC, uhonorowanej Pokojową Nagrodą Nobla w 2007 roku, obserwowane zmiany klimatu wywołane między innymi działalnością człowieka, głównie emisją do atmosfery CO2 pochodzącego ze spalania paliw kopalnych, mogą stanowić poważne zagrożenie dla życia na Ziemi i rozwoju cywilizacyjnego ludzkości. Raport ten wykorzystuje między innymi dane dendrologiczne. Drzewa, traktowane jako archiwum zmian wzbogacone o dane izotopowe, mogą zostać wykorzystane w monitoringu środowiska jako czułe bioindykatory zarówno w skali lokalnej, jak i globalnej. W świetle norm dotyczących emisji CO2 i ograniczeń narzucanych na poszczególne kraje zarówno Unii Europejskiej, jak i całego świata, badania izotopowe rocznych przyrostów drzew będzie można wykorzystać do monitoringu składowej emisyjnej CO2 w atmosferze. Ponadto badania te w połączeniu z modelowaniem obiegu węgla w przyrodzie powinny wspomóc prognozy zmian klimatu na kolejne dziesięciolecia.

Podjęta w ramach pracy doktorskiej tematyka badań, w zakresie eksperymentalnym, opiera się na doświadczeniu w dziedzinie spektrometrii mas związków organicznych uzyskanym zdobytym podczas kilku staży zagranicznych odbytych w ostatnich 3 latach.

Wyniki przeprowadzanych są wykorzystane do przygotowania rozprawy doktorskiej pt. "Zastosowanie metod spektrometrii masowej do badania składu izotopów stabilnych węgla i tlenu w a-celulozie i glukozie z rocznych przyrostów drzew jako bioindykatorów środowiska".

Dyskusje dotyczące przeprowadzonych badań i interpretacji wyników zostały przedstawiane podczas międzynarodowej konferencji:

  • Polska, Zakopane: Tree Rings in Archaeology, Climatology and Ecology - TRACE 2008

oraz podczas międzynarodowych warsztatów naukowych i staży:

  • Francja; CERMAV-CNRS-Centre de Recherche sur les Macromolécules Végétales- Centre National de la Recherche Scientifique; stypendium Rządu Francuskiego: Bourse de Recherche; 2008
  • Szwajcaria; Swiss Federal Institute for Forest Snow and Landscape Research WSL; XXII International Dendroecological Fieldweek ; 2008
  • Polska, Niepołomice, Gliwice"Trees and forests as archives of last millennium climate" Warsztaty naukowe; 2008

Opis najważniejszych osiągnięć poznawczych i aplikacyjnych, wg. Autorki pracy doktorskiej:

  • We wrześniu 2008 roku miałam możliwość wziąć udział w XXII International Dendroecological Fieldweek 2008Lötschental organizowanych przez WSL, podczas których wykonane zostało datowanie zabytkowych budynków mieszkalnych, nauczyłam się w jaki sposób budować chronologię dla modrzewia i przeprowadzać analizę trendu zmian klimatycznych w drewnie pochodzącym z drzew współczesnych oraz zabytkowego drewna.
  • Podczas miesięcznego stażu naukowego (30.09-29.10.2008,CERMAV-CNRS, Grenoble, Francja), w ramach programu stypendialnego Rządu Francuskiego: Bourse de Recherche w Centre de Recherche sur les Macromolécules Végétales- Centre national de la recherche scientifique przeprowadziłam analizę chromatograficzną próbek glukozy otrzymanej w wyniku hydrolizy kwasowej alfa celulozy. Analiza chromatograficzna pozwoliła na identyfikację sacharydów alfa celulozy z otrzymywanej w wyniku reakcji ekstrakcji z rocznych przyrostów drzew (w Zakładzie Zastosowan Radioizotopów).
  • W 2008 roku zostały rozpoczęte pomiary składu izotopowego węgla i tlenu w próbkach glukozy otrzymanej w procesie hydrolizy alfa celulozy z okresu 1935-2000AD.