Antarktika buzullarında kimyasal analizler

Abstract

Dünya'nın iki uç kutup noktalarında bulunan Arktik ve Antarktik Kutup Bölgeleri bilim dünyası için oldukça önemlidir. Arktik donmuş bir okyanus olarak tanımlanırken, Antarktika ise bir kıta olarak tanımlamaktadır. Bu bölgelerde bulunan buzullar bilim dünyası için eşsiz kaynaklar oluşturmaktadır. Buzullar, içeriğinde bulunan safsızlıkları binlerce yıl boyunca saklayabilmektedir. Bu safsızlıkların keşfedilmesi ile tarihsel ve iklimsel süreç hakkında yorum yapılabilmektedir. Böylece geçmişten günümüze birçok bilinmeyeni çözmeyi sağlayabilmektedir. Buzullar sadece jeoloji, kimya ve iklim bilimleri olarak değil, canlı bilimi ve uzay bilimleri gibi çok çeşitli konuları da kapsamaktadır. Dünya üzerinde en son keşfedilen kıta Antarktika'dır. Antarktika oldukça soğuk iklime sahip olup, kıtanın %97.5'unu buzullar oluşturmaktadır. Ayrıca, dünyadaki buzulların yaklaşık %90'ı bu bölgede bulunmaktadır. Antarktika kirlenmemiş bölge olarak tanımlansa da aslında gerçek tam olarak öyle değildir. Bölgedeki insan faaliyetlerinin artması ve çeşitli yollarla bu bölgere ulaşan safsızlıklar bölgeyi kirletmektedir. Bölgedeki safsızlıkların temel sebebi karasal kaynaklı, deniz tuzu kaynaklı ve biyojenik ve antropojenik kaynaklı olmaktadır. Bunlara ek olarak, volkanik patlamalar sonucu açığa çıkan kül bulutları ile safsızlıklar kutup bölgelerine taşınmaktadır. Bu gibi sebeplerle yapılan bazı çalışmalarda Antarktika'da bazı bölgelerde ağır metaller ve organik bileşiklere rastlanmıştır. Yapılan çalışmada, Antarktika'da bulunan Horseshoe Adası, Hovgaar Adası ve Nansen Adası'ndan farklı konum ve farklı derinliklerden alınan 7 adet buzul karot numunesindeki safsızlıklar ve olası kaynakları incelenmiştir. Safsızlık analizleri için IC, ICP-MS ve Mikro-Raman Spektroskopisi yöntemleri kullanılmıştır. Analizlere başlamadan önce toplanan 7 adet buzul numuneleri kodlanmıştır. Analizler ve yorumlar bu kodlamaya göre yapılmıştır. Buzulların erimesi, analizlerin doğruluğunu olumsuz yönde etkilediği için istenmeyen bir durumdur. Bu yüzden analiz öncesi ve sonrası tüm işlemlerin soğuk ortamda gerçekleşmesi gerekmektedir. Bu fikirden yola çıkarak, 2019 yılında proje kapsamında İTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü bünyesinde 'Soğuk Oda Laboratuvar' açılışı gerçekleşmiştir. Analiz öncesi ve sonrası tüm işlemler bu laboratuvarda gerçekleştirilmiştir. Bunlara ek olarak buzulların her türlü nakliye işlemi kuru buz ile sağlanmıştır. IC analizi ile her bir buzul numunesindeki iyonlar belirlenmiştir. Analiz ile buzulların içerindeki F-, Cl-, NO3-, Br-, NO3-, SO4-2 anyonları ile Na+, NH4+, K+, Mg+2, Ca+2 katyonların konsantrasyonları ölçülmüştür. Cl-, NO3-, SO4-2, Na+, K+, Mg+2 ve Ca+2 iyonları tüm buzul numunelerinde görülürken, geri kalanlar ise tüm numunelerde görülmemektedir. Tespit edilen iyonların olası kaynakları litaratürdeki deniz tuzu ve karasal kabuk kütle oranları ile belirlenmiştir. Referans iyon olarak sodyum ve kalsiyum iyonları seçilmiştir. Deniz tuzu kaynaklı sodyum iyonu ve karasal kaynaklı kalsiyum iyonlarının konsantrasyonları hesaplanmıştır. Referans iyonlar ile diğer iyonların kütle oranları kullanılarak iyonların kaynağı hakkında yorum yapılmıştır. Bu oranları karşılamayan iyonların alternatif olası kaynakları araştırılmış ve olası sebepleri çıkarılmıştır. Sülfat, nitrat ve flor iyon konsantrasyonları olası volkanik patlamaları göstermektedir. Bu iyonların hesaplamaları ve diğer iyonlarla korelasyonları ile volkanik patlama kaynaklı olup olmadığı tartışılmıştır. Elde edilen sonuçta bir numunede volkanik patlama kaynaklı safsızlıklar görüldüğü çıkarımı yapılmıştır. ICP-MS ile tüm buzul numunesindeki Na, Mg, Al, P, K, Ca, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Cs, Ba ve Pb elementlerin konsantrasyonları belirlenmiştir. Na, Mg, K ve Ca elementleri, IC ile de ölçüldüğünden iki ölçüm arasında oransal kıyaslama yapılmıştır. 7 karot numunesi için IC/ICP-MS oranı hesaplanmış ve buzulların homojenlikleri incelenmiştir. ICP-MS ile tespit edilen deniz tuzu kaynaklı ve/veya karasal kaynaklı olduğu düşünülen elementlerin olası kaynakları incelenmiştir. Bu elementler hem geçmiş yıllarda yapılan çalışmalarına göre seçilmiş hem de litaratürdeki üst kabuk elementleri ve deniz tuzu elementlerine göre belirlenmiştir. İnceleme sırasında Kabuksal Zenginleştirme Faktörü (EFc) ve Okyanus Zenginleştirme Faktörü (EFo) değerleri hesaplanmıştır. Hesaplama için referans element EFc için Baryum seçilirken, EFo için Sodyum seçilmiştir. EFc sayısal değeri 10'dan küçük olması halinde karasal kaynaklı olması, EFo sayısal değeri 10'dan küçük olması halinde deniz tuzu kaynaklı olması yorumlanmıştır. Her iki koşulu da sağlayanlar hem deniz tuzu kaynaklı hem karasal kaynaklı olduğu belirlenmiştir. EFc ve EFo sınır değerlerini sağlamayan elementler için olası kaynaklar litaratür olarak incelenmiş ve yorumlanmıştır. Litaratür araştırılması yapıldığında, bazı elementlerin ve ağır metallerin kaynağının volkanik patlama olduğu görülmüştür. Volkanik emisyonların metal/S oranları ile volkanik metal katkılarını hesaplamak mümkündür. Ancak kükürt miktarı bilinmediği için EFc ve/veya EFo değerlerinden yararlanılmıştır. Sınır değerleri sağlamama durumunda volkanik patlama kaynaklı olabileceği ihtimali üzerinde durulmuştur. Elde edilen sonuç, IC sonucu ile karşılaştırılmış ve bir tane numunedeki iyon ve elementlerin volkanik patlama sonucu açığa çıktığı kesinleşmiştir. Yapılan araştırma ile buzul karotların yaşlarının yaklaşık 10 yıllık olduğu tahmin edilmektedir. 2018 yılında toplanan bu buzulların hangi volkanik patlamadan meydana geldiğini bulmak için 2008-2018 yılları arasında meydana gelmiş olan volkanik patlamalar incelenmiştir. Volkanik Patlama İndeksi (VEI) baz alınarak bir çok patlama aktivitesi olduğu görülmüştür. Ancak buzulların tam yaşı bilinmediği için bunlarla ilgili kesin yorum yapılamamış ve genel bir bilgi olarak verilmiştir. Safsızlık analizlerinin son kısmında Mikro-Raman Spektroskopisi ile analizler yapılmıştır. Bunun için ölçüm sistem ve prosedürü sıfırdan kurulmuş ve problemler belirlenmiştir. Bu problemler giderilmiş ve cihaz buz ölçümleri için hazır hale gelmiştir. Buzul analizlerine geçmeden önce laboratuvar ortamında hazırlanan buz numuneleri ile optimum koşullar belirlenmiştir. Bu koşullar buza en az zarar verecek deneme-yanılma yöntemiyle belirlenmiş ve buzul analizleri için uygun hale getirilmiştir. Bu optimum ölçüm koşulları, %10 lazer gücü ve 5 saniye maruz kalma süresi olarak belirlenmiştir. Saf su dondurulmuş ve spektroskopisi çekilmiştir. Yapılan litaratürsel araştırma yardımıyla buz ve hava kabarcığı pikleri belirlenmiştir. Sistem ve koşullar uygun hale getirildikten sonra Antarktika buzullarından alınmış 3 farklı numune için Mikro-Raman Spektroskopisi ölçümleri alınmıştır. 5x mikroskop ile buzulların içinde görülen safsızlıkların görüntüleri çekilmiş ve optimum koşullar ayarlanıp spektral pikler elde edilmiştir. Son olarak, Antarktika buzullarına ait 3 farklı numune için uzak çalışma 50x mikroskop yardımıyla optimum koşullarda Mikro-Raman Spektroskopisi ölçümleri alınmıştır. Buzulların içindeki safsızlıkların görüntüleri çekilmiş ve spektral pikler analiz için kaydedilmiştir. Spektral pikleri yorumlamak için cihazın kütüphanesi yeterli gelmemektedir. Bu da çalışmanın en temel eksiğini oluşturmaktadır. Bu yüzden ileriki çalışmalarda bu piklerin yorumlanması için litaratürsel araştırmalar ile olası safsızlıklar tanımlanması çalışılacaktır.