Fizyka w ochronie środowiska Fizyka w naukach o Ziemi i archeologii

Prezentacja na temat: "Fizyka w ochronie środowiska Fizyka w naukach o Ziemi i archeologii"— Zapis prezentacji:

1 Fizyka w ochronie środowiska Fizyka w naukach o Ziemi i archeologii
FIZYKA TECHNICZNA Specjalności Fizyka w ochronie środowiska Fizyka w naukach o Ziemi i archeologii

2

3 Badania naukowe prowadzone w CentrumGADAM
Metody fizyczne mające zastosowanie w chronologii bezwzględnej metoda radiowęglowa (14C) luminescencja stymulowana optycznie (OSL) termoluminescencja (TL) metoda nierównowagi w szeregu uranowo – torowym (U/Th) Metody izotopowe mające zastosowanie w naukach o Ziemi i środowisku izotopy radioaktywne i stabilne (14C i 3T, 13C i 18O) w badaniach globalnych i lokalnych zmian klimatycznych radiometria środowiska naturalnego 210Pb jako narzędzie badań procesów sedymentacyjnych 137Cs w badaniach zmian środowiska współczesnego

4 Zastosowanie metod 14C, TL i OSL w archeologii i naukach historycznych
Chronologie kluczowych stanowisk historycznych i archeologicznych oraz pomników kultury Zastosowanie metod 14C, TL i OSL oraz metod radioizotopowych w geologii i innych naukach o Ziemi metody radioizotopowe w badaniach środowiska geologicznego chronologia czwartorzędu dla celów szczegółowej mapy geologicznej Polski oraz inne projekty naukowo-badawcze Zastosowanie metod izotopowych w badaniach środowiska Badania zmian środowiska wywołanych działalnością człowieka Analizy statystyczne danych przyrodniczych Analizy zespołów dat radiometrycznych Analizy ciągów czasowych

5 Laboratoria jako zaplecze prac naukowo- badawczych i działalności edukacyjnej
Laboratorium Radiowęglowe (kierownik Pazdur A.) Stanowisko chemicznej preparatyki wstępnej i zwęglania próbek Linia próżniowa do spalania próbek i oczyszczania CO2 Linia próżniowa do wypełniania gazowych liczników proporcjonalnych Linia próżniowa do przetwarzania próbek na benzen Linia próżniowa do produkcji tarcz grafitowych do pomiarów radiowęgla metodą AMS Spektrometr scyntylacyjny promieniowania alfa i beta QUANTULUS 1220, produkcji firmy Wallac (technika LSC) Pięć zestawów liczników proporcjonalnych do pomiaru koncentracji radiowęgla (technika GPC) Laboratorium spektrometrii masowej (kierownik A. Pazdur) Laboratorium preparatyki chemicznej próbek organicznych Spektrometr masowy IsoPrime, produkcji GV Instruments, do pomiarów lekkich izotopów stabilnych (2H, 13C, 15N, 34S) Analizator elementarny

6 Laboratorium Datowania Luminescencyjnego (kierownik Bluszcz A.)
Stanowisko chemiczne przygotowania minerałów do badań Automatyczny czytnik TL (57 porcji) i OSL (20 porcji) z wbudowanym źródłem promieniowania beta, produkcji firmy Daybreak, typ 1150 Automatyczne źródło promieniowania beta, produkcji firmy Daybreak, typ 850 Automatyczne źródło promieniowania alfa, produkcji firmy Elsevec Automatyczny czytnik TL/OSL (60 porcji) z wbudowanym źródłem promieniowania beta, produkcji firmy Daybreak, typ 2200 Laboratorium Pomiarów Promieniowania Jądrowego (Bluszcz A.) Stanowisko przygotowania próbek do badań Spektrometr promieniowania gamma z dwoma detektorami HPGe, produkcji firmy CANBERRA Półprzewodnikowy germanowy spektrometr wnękowy Spektrometr promieniowania alfa z detektorem krzemowym z barierą powierzchniową PIPS, produkcji firmy CANBERRA Spektrometr scyntylacyjny promieniowania gamma

7 Kształcenie na specjalności
Fizyka w ochronie środowiska Wykłady specjalistyczne Metody izotopowe w ochronie środowiska Problemy środowiska lokalnego Zagadnienia erozji i ochrony gleby Radiowęgiel w środowisku współczesnym Hydrologia, meteorologia, klimatologia Globalne zmiany środowiska Statystyka w naukach przyrodniczych Sensory optoelektroniczne zanieczyszczeń Rozprzestrzenianie zanieczyszczeń i monitoring Przyszłościowe źródła energii Akustyka środowisk gazowych Ochrona przed hałasem Wibroakustyka

8 Kształcenie na specjalności
Fizyka w naukach o Ziemi i archeologii Wykłady specjalistyczne Fizyka atmosfery Geochemia izotopów Radiowęgiel w środowisku współczesnym Zagadnienia erozji i ochrony gleby Problemy środowiska lokalnego Globalne zmiany środowiska Statystyka w naukach przyrodniczych Datowanie luminescencyjne w geologii i archeologii Datowanie radiowęglowe w naukach o Ziemi i archeologii Datowanie młodych utworów geologicznych Metody w archeologii Historia kultur archeologicznych

9

10 Kształcenie na specjalnościach
Pracownie specjalistyczne Laboratorium Detekcji Promieniowania Jonizującego Detektory gazowe Badanie własności okienkowego licznik Geigera-Mullera Badanie liczników scyntylacyjnych promieniowania beta, układy koincydencji Badanie liczników scyntylacyjnych promieniowania alfa, własności promieniowania alfa Spektrometr scyntylacyjny promieniowania gamma Badanie skuteczności osłony materiałowej i antykoincydencyjnej zestawu liczników Geigera-Müllera

11 Pracownia specjalistyczna
Laboratorium Dozymetrii Promieniowania Jonizującego Wykorzystanie fluorescencji rentgenowskiej do określania składu chemicznego materiałów Badanie względnej czystości radioizotopowej materiałów budowlanych metodą zliczeń cząstek alfa Badanie czystości radioizotopowej materiałów budowlanych metodą spektrometrii scyntylacyjnej promieniowania gamma Badanie skażeń promieniotwórczych żywności Pomiar aktywności radonu i jego produktów rozpadu w powietrzu Wyznaczanie rozkładu pola mocy dawki od źródeł promieniowania jonizującego

12 Propozycje tematów prac magisterskich 2006/2007
Bluszcz A. Wyznaczanie wybranych parametrów kwarcu przez analizę krzywych optycznie stymulowanej luminescencji. Niepewności pomiarowe i ich analiza w datowaniu luminescencyjnym młodych osadów geologicznych. Projekt i budowa stanowiska do pomiarów aktywności metodą scyntylacji cząstek α Określenie szybkości sedymentacji osadów metodą spektrometrii alfa i gamma. Pazdur A. Opracowanie metodyki pomiarów stabilnych izotopów azotu w materii organicznej Opracowanie metodyki pomiarów stabilnych izotopów wodoru w materii organicznej Chronologia radiowęglowa osadów organicznych z doliny Odry. Chronologia radiowęglowa kultur archeologicznych z Bliskiego Wschodu, Syria. Chronologia radiowęglowa kultur andyjskich z obszaru Boliwii.

13 Propozycje tematów prac magisterskich 2006/2007
Zastawny A. Chronologia radiowęglowa osadów organicznych z ujścia Odry i wybrzeża Bałtyku. Model i symulacja bilansu radiacyjnego Ziemi w funkcji ilości gazów cieplarnianych Komputerowe stanowisko do rejestracji pomiarów aktywności izotopu 14C z wykorzystaniem karty wejść/wyjść cyfrowych. Optymalizacja procesu pomiaru radioaktywności 14C metodą ciekłoscyntylacyjnej spektrometrii promieniowania beta.

14 Tematy prac magisterskich 2003/2004
Pazdur A. Korput Sylwia, Pomiar względnej koncentracji izotopu 13C w a-cellulozie z rocznych przyrostów dębu z lat AD. Barbara Sensuła, Carbon and oxygen isotope composition of organic matter and carbonates in contemporary sedimentation environment of Wigry Lake. Zastawny A. Fogtman Aleksandra, Pomiar widma energetycznego cząstek alfa 210Po z powierzchni ołowiu.

15

16 Współpraca z zagranicą
Realizacja międzynarodowych projektów finansowanych przez Komisje Europejską w latach 2003 – 2010: ISONET (2003 – 2006) 400 years of Annual Reconstructions of European Climate Variability using a High Resolution Isotopic Network. Rekonstrukcja zmienności klimatu europejskiego na przestrzeni ostatnich 400 lat w oparciu o analizy izotopowe wysokiej rozdzielczości – ISONET. CONTINENT (2001 – 2004) High-resolution continental paleoclimate record in the Lake Baikal: A key-site for Eurasian teleconnections to the North Atlantic Ocean and monsoonal systems. Zapis paleoklimatu kontynentalnego w osadach Jeziora Bajkał. Stanowisko reperowe dla euroazjatyckich związków z północnym Atlantykiem i systemem monsunowym

17 Współpraca z zagranicą
Realizacja międzynarodowych projektów finansowanych przez Komisje Europejską w latach 2003 – 2010: GADAM Centre of Excellence (2003 – 2006) “Gliwice Absolute DAting Methods” Centrum Doskonałości „Gliwickie Centrum Metod Datowania Bezwzględnego” ATIS (2006 – 2010) Marie Curie Host Fellowships for the Transfer of Knowledge Absolute time scales and isotope studies for investigating events in Earth and human history. Bezwzględne skale czasu i badania izotopów dla rekonstrukcji zdarzeń w historii Ziemi i człowieka

18 Programy stypendialne dla studentów w latach 2003-2008
SOCRATES (4 studentów – Francja, 1-Finlandia) LEONARDO DA VINCI (1 student – Niemcy) MARIE CURIE dla młodych naukowców (2 osoby – Wielka Brytania) GADAM Project – wyjazdy młodych naukowców: Dania (2 osoby) Szwajcaria (1 osoba) Szwecja (1 osoba) Wielka Brytania (1 osoba) Stypendia rządowe – współpraca dwustronna: Japonia (1 osoba) Grecja Belgia

19 Skład konsorcjum projektu ISONET:
FZJ - Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre, Jülich, D Contact person: Prof. Dr. Gerhard Hans Schleser – coordinator Anglia Polytechnic University, East Road, Cambridge, UK, Contact person: Dr. John Waterhouse UWS – University of Wales, Swansea, Singleton Park, Swansea, U.K., Contact person: Dr. Neil J. Loader UH – University of Helsinki, Dating Laboratory, Helsinki, FIN, Contact person: Dr. Högne Jungner CEA-Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement, LSCE UMR CEA/CNRS, Gif sur Yvette cedex, Contact person: Prof. J. Jouzel UFZ – Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle, Department of Hydrology, Leipzig, D Contact person: Dr. Tatjana Boettger

20 Skład konsorcjum projektu ISONET (c. d):
SUT - Silesian Technical University, Institute of Physics, Department of Radioisotopes, Gliwice, PL, Contact person: Prof. Anna Pazdur ECO-UB – Universitat de Barcelona, Department d`Ecologia, Barcelona, E Contact person: Prof. Dr. Emilia Gutierez UNIBE – University of Bern, Climate and Environmental Physics, Physics Institute, Bern, CH, Contact person: Dr. Markus Leuenberger PSI – Paul Scherrer Institut, Laboratory of Atmospheric Chemistry, Stable Isotope Research Group/Ecosystem Fluxes, Villigen-PSI, CH, Contact person: Dr. Matthias Saurer WSL - Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Birmensdorf, CH, Contact person: Dr. Jan Esper BOKU – Wood Biology and Tree-ring Research Group, Institute of Botany, University of Agricultural Sciences, Vienna, A, Contact person: Prof. Dr. Rupert Wimmer / Michael Grabner

21 Skład konsorcjum projektu CONTINENT:
GeoForschungsZentrum, Potsdam, Germany Institut für Gewässerökologie und Fischereibiologie, Berlin, Germany Freie Universität, Berlin, Germany University College London, Environmental Change Research Centre, UK University Durham, UK Liege University, Belgium Gent University, Belgium Royal Museum of Central Africa, Tervuren- Belgium Instytut Botaniki im. W. Szafera, Polska Akademia Nauk, Kraków Politechnika Śląska, Instytut Fizyki, Zakład Radioizotopów, Gliwice, osoba do kontaktu: Prof. Andrzej Bluszcz EAWAG, Duebendorf, Switzerland University of Massachusetts, Amherst, USA

22 Rada Doradcza projektu GADAM:
Anna Pazdur – coordinator of project, Silesian University of Technology, Gliwice, Poland Members of Advisory Board: Michel Fontugne, CEA Commisariat a l'Energie Atomique, Gif-sur-Yvette, France Mebus A. Geyh, Professor Emeritus of Physics, Winsen / Aller, Germany Irka Hajdas, Paul Scherrer Institut, Zurich, Switzerland Högne Jungner, Helsinki University, Helsinki, Finland Andrew Murray, Aarhus University, Aarhus, Denmark

23 Uczestnicy „8. Międzynarodowej Konferencji Metody Chronologii Bezwzględnej” zorganizowanej w Ustroniu, w 2004 roku w ramach projektu GADAM. Uczestnicy z krajów Europy zachodniej (WE, 17), z krajów Europy wschodniej (EE, 22), z Polski (PL, 48), z krajów poza europejskich (OC, 5), razem 92.

24 Uczestnicy warsztatów naukowych WN1, WN2 i WN3, dla młodych naukowców, zorganizowanych w ramach projektu GADAM w latach 2003, 2004 i 2005 z podziałem na wykładowców i studentów oraz wyodrębnieniem uczestników z krajów Europy zachodniej (WE), wschodniej (EE), Polski (PL) oraz krajów pozaeuropejskich (OC).

25 Partnerzy projektu ATIS:
Anna Pazdur – coordinator of project, Silesian University of Technology, Gliwice, Poland Martin Suter, Eidgenossische Technische Hochschule, Zurich, Switzerland Andrew Murray, Aarhus University, Aarhus, Denmark Manfred Frechen, Leibniz Institute for Applied Geosciences, Hannover, Germany Michel Fontugne, CEA Commisariat a l'Energie Atomique, Gif-sur-Yvette, France Antony Fallick, Scottish Universities Environmental Research Centre, Glasgow, United Kingdom Geoffrey Duller, University of Wales, Aberystwyth, United Kingdom

26 Bezwzględne skale czasu dla zdarzeń w historii Ziemi i człowieka.
Pomiary izotopów w środowisku Anna Pazdur Politechnika Śląska Wykład inauguracyjny 2004 r.

27 Zdarzenia w historii Ziemi
zmiany parametrów orbity ziemskiej zmiany systemu prądów oceanicznych zmiany konfiguracji pola magnetycznego Ziemi i Słońca erupcje wulkaniczne działalność rolnicza i przemysłowa człowieka zmiany w obiegu materii

28 Konsekwencje zmiany bilansu energetycznego Ziemi
zmian strumienia promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi

29 Obserwacje zmiany klimatu zmiany krajobrazu
zmiany składu gatunkowego roślin i zwierząt mobilność człowieka i rozwój kultury materialnej zmiany w składzie izotopowym materii

30 Fizyka dysponuje metodami pomiarowymi pozwalającymi na ustalenie następstwa zdarzeń w bezwzględnej (z podaniem wartości liczbowych, w latach kalendarzowych) skali czasu tworzenie chronologii bezwzględnych rekonstrukcje zmian środowiska wiek powstania i okres trwania kultur archeologicznych

31 Najczęściej badane izotopy
Metody badań „moment” zdarzeń, jak i ich charakter zapisane są w składzie izotopowym materii ziemskiej w litosferze, biosferze, hydrosferze, atmosferze wyznaczenie momentu zdarzenia – proces zwany „datowaniem” wynik datowania – wiek obiektu datowanego wskazujący na wiek zdarzenia Najczęściej badane izotopy datowanie: radiowęgiel (14C), pierwiastki szeregu uranowo – torowego (232Th/234U) rekonstrukcje zmian środowiska: wodór (2H/H), węgiel (13C/12C), azot (15N/14N), tlen (18O/16O), siarka (34S/32S)

32 Metody datowania Metody datowania wykorzystują
rytmiczność naturalnych zjawisk (dendrochronologia, chronologia warwowa) znane w czasie tempo przemian promieniotwórczych (metoda radiowęglowa, uranowo – torowa) własności dozymetryczne naturalnych kryształów (metoda luminescencyjna) metoda radiowęglowa – datowanie obiektów składających się z materii organicznej o wieku z przedziału czasu od chwili obecnej do około tysięcy lat wstecz metoda luminescencyjna – datowanie obiektów zawierających składniki mineralne (ziarna kwarcu, skaleni) sięgająca nawet do 500 tysięcy lat wstecz

33 Datowanie na podstawie rozpadu promieniotwórczego
Prawo rozpadu promieniotwórczego   (1) gdzie: N0 – oznacza początkową liczbę atomów pierwiastka promieniotwórczego, Nt – liczbę atomów tego pierwiastka, jaka pozostała po czasie t, λ – wielkość, zwana stałą zaniku promieniotwórczego, T1/2 – półokres rozpadu (czas, po jakim liczba atomów zmaleje o połowę) (2) Wartość półokresu rozpadu wynosi np lat w przypadku izotopu 14C, około lat w przypadku izotopu 230Th, i jedynie 22 lata w przypadku izotopu 210Pb.  Wiek datowanego obiektu w latach [BP] = Before Present (3)

34 Ważniejsze metody datowania obiektów z okresu czwartorzędu
Metoda Zastosowanie Zakres wieku 14C Szczątki i osady organiczne, osady węglanowe Do 50 tys. lat OSL, TL Osady mineralne, ceramika Do 500 tys. lat ESR Osady węglanowe Do miliona lat U/Th Osady węglanowe, torfy, kości Do 300 tys. lat K/Ar Osady wulkaniczne Powyżej 50 tys. lat 210Pb Osady w zbiornikach wodnych Do 150 lat 137Cs Osady jeziorne, gleby Do 60 lat Dendrochro-nologia Konstrukcje drewniane, drewno kopalne Do 12 tys. lat Chronologia warwowa Warstwowane osady jeziorne i zastoiskowe Do 120 tys. lat (najstarsze odkryte)

35 Metoda radiowęglowa Izotopy węgla: 12C, 13C, 14C
radiowęgiel - produkowany nieustająco w górnych warstwach atmosfery szybkość produkcji zależy od natężenia strumienia protonów promieniowania kosmicznego szybkość produkcji modulowana zmianami pola magnetycznego Ziemi i Słońca metoda wykorzystuje znane w czasie tempo rozpadu izotopu 14C, zachodzącego z półokresem rozpadu 5570 lat

36 Techniki pomiarowe Technika gazowych liczników proporcjonalnych (GPC)
Technika ciekłoscyntylacyjnej spektrometrii promieniowania beta (LSC) Technika akceleratorowa sprzężona ze spektrometrią masową (AMS) Zasięg datowania metody radiowęglowej (największy mierzony wiek) wynosi około 50 tysięcy lat.

37

38

39

40

41

42

43

44 Prawy nosorożec 30790600 Masa próbki: 1,22 mg Lewy nosorożec 30940 610 Masa próbki: 0,80 mg Bizon 30800 1500 Masa próbki: 0,42 mg

45

46

47 Spektrometria mas Pomiar składu izotopów stabilnych

48

49 Metoda luminescencyjna
naturalna promieniotwórczość skał i minerałów jest przyczyną luminescencji ziaren kwarcu w osadzie czas oddziaływania datowanego osadu z promieniowaniem jądrowym otoczenia jest miarą jego wieku intensywność luminescencji stymulowanej optycznie lub termicznie i pomiar koncentracji izotopów promieniotwórczych pozwala wyznaczyć wiek

50 Wyznaczanie wieku Ilość energii zmagazynowanej w krysztale wskutek działania promieniowania jądrowego nazywana jest dawką pochłoniętą D. Do wyznaczania wieku T badanego obiektu na podstawie znajomości wielkości dawki pochłoniętej D wykorzystuje się proste równanie (4) gdzie Dr - dawka roczna, czyli energia promieniowania jądrowego akumulowana w czasie jednego roku, D – dawka pochłonięta w czasie T „pogrzebania” kryształu, D0 – dawka resztkowa

51

52

53

54 Duże zbiory dat Rozkład częstości dat (radiowęglowych, luminescencyjnych) źródłem informacji o: czasie trwania wyróżnionych okresów klimatycznych intensywności i czasie trwania procesów geologicznych czasie trwania kultur archeologicznych

55

56

57

58 Dziękuję

59