Echipa PROGRESS făcând cercetare pe teren

O să încerc să vă prezint istoria unei granule de nisip și cum putem să folosim informațiile pe care le putem obține prin analiza acestui fir de nisip pentru datare și diverse aplicații în geologie și studii de mediu. Dar, înainte de a ajunge la povestea granulei de nisip, să începem cu o întrebare fundamentală: Ce este cercetarea? Unii ar spune că e vorba despre ecuații sau despre eprubete.

Răspunsul meu ar fi că cercetarea este ceea ce fac cercetătorii, adică își pun întrebări și găsesc răspunsuri la ele. Cercetătorii sunt oameni cu o dorință profundă pentru cunoaștere. Este o trăsătură umană care nu poate fi oprită de nimic și această dorință de cunoaștere este sămânța din care se dezvoltă apoi aplicațiile practice.

Cercetătorii sunt oameni, dar cum gândesc ei când fac cercetare?

Studenților le explic acest lucru folosind diverse exemple legate de lună, dar poate fi orice alt subiect. Discursul președintelui Kennedy de la Universitatea Rice, Texas, care a condus umanitatea spre lună, este unul nu doar inspirațional și motivațional ci și corect științific, punctând foarte riguros dependențele exponențiale care guvernează mersul lucrurilor și folosind comparații excelente pentru vizualizare unor lucruri care variază cu multe ordine de mărime, motiv pentru care îl folosesc ca exemplu. Dar rămâne în fond un discurs politic. Tot așa și melodia formației REM „Un om pe Lună” este frumoasă, dar nu este știință, este artă pentru că fiecare o poate interpreta în felul lui.

Deci cum gândesc cercetătorii? Destul de sec. Aselenizarea a avut loc în 20 iulie 1969. Avem dovezi serioase pentru asta. Mai mult, ceea ce am spus nu-i chiar corect, mai degrabă gândim în felul următor: în mai mult de 50 de ani care au trecut, nimeni nu a produs niciun fel de dovezi serioase, științifice, care să fie în dezacord cu afirmația precedentă. Prin urmare putem accepta că aselenizarea a avut loc cu adevărat în 20 iulie 1969. Aceasta este gândirea științifică.

Metoda științifică este una dintre uneltele cele mai importante ale cercetătorului

Pornim de la o ipoteză, pe care ne-o construim după multe observații pe care le facem de-a lungul timpului, o testăm în laborator și sperăm ca rezultatul să nu ne infirme ipoteza. Dacă rezultatul nu ne infirmă ipoteza, reluăm tot procesul de la capăt. Încercăm iar și iar și iar să o infirmăm, sperând că totuși acest lucru nu se va întâmpla. Dacă rezultatul ne infirmă ipoteza, atunci trebuie să ne schimbăm ipoteza. Este o abordare care ar putea să pară negativistă, dar e vorba de rigurozitate.

Un alt aspect care caracterizează, din punctul meu de vedere, cercetarea științifică de vârf din ultimele decade este inter și transdisciplinaritatea. Prin transdisciplinaritate se atacă problemele mari ale omenirii, prin întrepătrunderea dintre disciplinele clasice și prin o viziune angajată spre nevoile umanității. Cu alte cuvinte, transdisciplinaritatea este sinergie.

Sau în cuvinte mai simple, știute din antichitate, întregul este mai mult decât suma părților sale. Și în acest spirit, voi prezenta în continuare rezultatele unei echipe complexe de colegi și studenți, care provin de pe trei continente și au fost formați în spiritul mai multor discipline clasice, care au facut și fac parte din grupul de cercetare pe care mă mândresc că îl conduc.

Praful de pe Terra, atomi și radiații

Cercetările din cadrul proiectului INTERTRAP au privit cuantificarea momentului în care au avut loc schimbări climatice în trecut. Cuaternarul este perioada schimbărilor climatice și, doar având o bună înțelegere a schimbărilor climatice din trecut, putem să facem evaluări cantitative asupra schimbărilor care vor avea loc în viitor. Dar nu trebuie să uităm un alt aspect foarte important: aceste schimbări climatice ne-au definit pe noi ca specie, ele ne-au influențat evoluția și ne-au dat imboldul necesar pentru a porni să cucerim suprafața pământului.

Întrebarea este: Cât de mari au fost aceste schimbări climatice și când au avut ele loc? Știm că unele dintre cele mai vechi rămășițe ale strămoșului nostru, Homo Sapiens, au fost găsite într-o peșteră din Africa de Sud, unde locuia acum aproximativ 200.000 de ani. Dar cum mai exact știm că acele rămășițe datează de acum 200.000 de ani. Cum măsurăm timpul?

Noi folosim granule minerale, de obicei cuarț cu dimensiuni de câteva zeci de micrometri.

Cu multe milioane sau poate chiar miliarde de ani în urmă, granula noastră de nisip s-a născut din foc, cel mai probabil într-o rocă magmatică, un granit. Granula este cristalină. În gândirea populară, cristalul este ceva pur, curat sau fără de defect. Dar nimic nu este perfect în lume, așa că și granula noastră are defecte, unele dintre acestea existând de la nașterea sa. Altele apar în timp, din cauza presiunilor mecanice sau termice la care este supusă în milioane și milioane de ani sau a interacțiunilor particulelor grele din fondul radioactiv cu atomii din granulă.

Defectele acestea pot fi o dislocație sau un atom lipsă sau un atom în plus. Deși aceste defecte sunt puține relativ la numărul de atomi care formează granula, trebuie înțeles că numărul acesta de atomi este defapt mare și asta conduce la a avea ceva de ordinul 10 la puterea a 10-a, adică zeci de mii de milioane de defecte într-o singura granulă de nisip.

Aceste defecte acumulează informație în timp, pentru că unele dintre ele își schimbă structura când sunt supuse la acțiunea radiațiilor nucleare, iar radioactivitatea este un factor de mediu care este omniprezent. Noi toți suntem expuși la radioactivitate și toate lucrurile sunt puțin radioactive, inclusiv noi, deci și granulele minerale, în toată evoluția lor în milioane și milioane de ani, sunt supuse la acțiunea radiațiilor nucleare. Desigur, nu este vorba de o cantitate mare de radioactivitate. Granula este puțin câte puțin expusă radioactivității, dar aceasta se întâmplă în fiecare zi, iar timpul geologic este lung, de milioane sau chiar miliarde de ani.

La un moment dat granula aceasta, tot adunând informație, părăsește roca mamă și este luată de apă sau de vânt și pornește într-o călătorie care poate dura ani sau mii de ani sau poate foarte multe milioane de ani. Spre finalul acestei călătorii granula este depusă într-un sediment. Metodele clasice de datare se bazează pe modificările care au loc în timpul scurs din momentul ultimei depuneri într-un sediment până acum, când noi o analizăm.

Lumină și o călătorie în timp și spațiu

Prin metodele de datare prin luminescență și rezonanță electronică paramagnetică, noi putem să citim informația acumulată în interiorul granulei supunând granula în laborator la o serie de pași care vor conduce la o eliberare de energie pe care o putem cuantifica. Astfel, prin diverse etalonări putem să determinăm timpul scurs din momentul în care această granulă a fost ultima dată expusă la lumină sau, cu alte cuvinte, putem să determinăm momentul depunerii, sau vârsta sedimentelor de interes.

În cadrul proiectului INTERTRAP ne-am ocupat cu datarea depunerilor de loess. Acestea sunt depuneri de praf care reprezintă o arhivă a schimbărilor climatice de pe continente, prin faptul că depunerile masive de praf caracterizează perioadele reci și aride, în timp ce solurile vechi care se găsesc intercalate între aceste depuneri de praf reprezintă perioadele calde din trecutul geologic.

Prima întrebare pe care proiectului INTERTRAP a ridicat-o a fost dacă momentul înregistrat de loess, aceste arhive terestre ale schimbărilor climatice de pe continente, așa cum metodele clasice bazate pe proprietăți magnetice îl citesc este simultan cu vârstele înregistrate de alte arhive globale și foarte detaliate cum ar fi depunerile de gheața studiate în urma forajelor din Groenlanda. Ipoteza noastră a fost că nu exista această sincronicitate.

Pentru a testa această ipoteză au fost investigate probe din situri de loess de pe patru continente: Europa Centrală și de Est, China, Statele Unite ale Americii și Noua Zeelandă. Pentru cea mai recentă schimbare climatică majoră s-a concluzionat că semnalul susceptibilității magnetice crește treptat de la valorile reduse din loess spre cele ridicate din sol și reflectă tranziția climatică graduală de la ultimul glaciar la perioada interglacială actuală din Holocen.

Debutul amplificării semnalului magnetic produs de pedogeneză în siturile de loess investigate a fost datat între 14 ka și 17.5 ka sau chiar mai devreme, fiind în concordanță cu rezultatele obținute pentru oscilațiile izotopilor oxigenului în sedimentele bentonice datate prin metoda radiocarbonului în Atlanticul de Nord și anterior vârstei de 11.7 ka care reprezintă limita stratigrafică Pleistocen/ Holocen stabilită în carotele de gheață din Groenlanda.

A doua ipoteză a proiectului INTERTRAP a fost mult mai tehnică dar pe scurt s-a cautat un răspuns la întrebarea care ar fi cele mai bune granule și cea mai bună metodă de analiză (pentru că folosim multe metode) pentru datare și de ce. Răspunsul în ceea ce privește metoda este unul complex, pentru ca depinde de contextul și intervalul de vârste abordate. Spre exemplu pentru sedimente cu vârste de aproximativ 100000 ani granulele mai mari, cu diametre de zeci sau sute de microni sunt mai potrivite pentru datare atât prin luminescență cât și rezonanță electronică paramagnetică deoarece acestea au mai puține defecte generate de particulele alfa.

Făcând aceste studii în locuri diferite de pe planetă, am făcut observația că granulele de cuarț din sedimente aflate în zone geografice diferite au anumite proprietăți caracteristice, dezvoltând ipoteza că aceste diferențe sunt dictate de tipul, vârsta și istoria rocii mame în care cristalele s-au format. Această ipoteză și mai specific faptul că vacanțele de oxigen cuplate cu alte defecte precum ar fi impuritățile pot fi folosite pentru amprentarea cuarțului stă la baza proiectului PROGRESS, pe care îl vom derula începând cu anul viitor și care își propune de a dezvolta metode de proveniență a sedimentelor.

Astfel, în cursul anilor care vor veni cercetările nostre se vor îndrepta spre dezvoltarea unor metode bazate pe defectele din cuarț care sa ne permită să obținem informații pentru a elucida evoluția nu doar în timpul geologic ci și în spațiu, de-a lungul timpului geologic, a arhivelor sedimentare.

Despre autor

Alida Timar-Gabor este profesor universitar la Facultatea de Știința și Ingineria Mediului a Universității Babeș-Bolyai din Cluj-Napoca. Activează ca cercetător în domeniul științelor pământului și a contribuit semnificativ la înființarea unui laborator de datare prin luminescență la Cluj, introducând această tehnică în premieră în România. În 2016 laboratorul fost extins prin implementarea tehnicilor de datare prin rezonanță electronică paramagnetică, grație câștigării unui grant de cercetare finanțat de către Consiliul European al Cercetării (ERC) intitulat „Integrated dating approach for terrestrial records of past climate using trapped charge methods – INTERTRAP”. În anul 2022 Alida Timar-Gabor a reușit performanța de a obține pentru a doua oară în carieră finanțare pe linia de excelență în cercetare a Comisiei Europene pentru implementarea la UBB a proiectului ERC „Reading provenance from ubiquitous quartz: understanding the changes occurring in its lattice defects in its journey in time and space by physical methods – PROGRESS”.

Acest articol este realizat prin proiectul „Știință pentru viață”, proiect susținut de Universitatea „Babeș-Bolyai” din Cluj-Napoca, Universitatea de Medicină și Farmacie „Iuliu Hațieganu” din Cluj-Napoca și Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca.