Cikkünk témája a talaj szerves anyag frakciók átalakulási idejének meghatározása szén stabilizotóp és radiokarbon mérések felhasználásával.

A talaj szerves anyagának (SOM) a légköri szén-dioxid megkötésével kulcsszerepe van a globális szénciklusban. Ezért az SOM tulajdonságainak és átalakulásának minél részletesebb megismerése nélkülözhetetlen a globális klímaváltozás következményeinek előjelzéséhez.

Az SOM különböző forrásokból származó anyagok komplex együttese, melyek különböző megkötődési és lebomlási folyamatokkal jellemezhetőek. Ezért sok esetben a talaj szerves anyagát nem egy homogén raktárra, hanem különböző átalakulási idővel rendelkező raktárakra bontják szét. A talajok frakcionálásával olyan SOM raktárak izolálhatók, melyek mérete, sűrűsége, molekuláris-, és aggregátum-összetétele különbözik, emiatt különböznek szénmegkötési potenciáljukban. Ezeknek a raktáraknak az átalakulási idejének (mely egyensúlyi állapotban megegyezik a szén átlagos tartózkodási idejével, azaz egy raktárba kerüléstől az onnan kikerülésig tartó átlagos idővel) meghatározására szén izotópos (¹⁴C és δ¹³C) vizsgálatokat széles körben használnak világszerte.

Kutatásunkat agyagbemosódásos barna erdőtalaj mintán végeztük. A talajt 163 napig inkubáltuk egyenletes hőmérsékleten (20°C) és állandó nedvességviszonyok mellett. A talajhoz kukoricaszárat kevertünk, mivel az erdei vegetációval fedett talaj és a kukoricaszár δ¹³C értékei közötti különbség lehetővé teszi a szén átalakulási idejének kiszámítását és az új szerves anyag beépülésének vizsgálatát az egyes frakciókban.

Az inkubációs vizsgálatot 3 ismétléssel (kukoricával kezelt minta) és egy kontrollal (kukorica hozzákeverés nélkül) végeztük. Az izotópos vizsgálatokhoz az inkubáció előtti és utáni talajt frakcionálással 4 különböző SOM raktárra bontottuk: 1) a növényi struktúrával rendelkező szemcsés szerves anyag (POM); 2) homok szemcseméretű és stabil aggregátumokat tartalmazó frakció (S+A); 3) por és agyag szemcseméretű frakció (s+c); és 4) kémiailag rezisztens szén frakció (rSOC).

Eredményeink alapján, a feltételezésünknek megfelelően a POM frakció bizonyult a leglabilisabb, azaz a mikroorganizmusok által a legkönnyebben lebontható frakciónak. Ugyanis ebben a frakcióban találtunk a legtöbb olyan kémiai szerkezettel rendelkező szerves szénvegyületet (alifás, O-alkil és poliszacharid csoportok), amiket a mikroorganizsmusok a legkönnyebben le tudnak bontani. Illetve ebben a frakcióban volt kimutatható a legnagyobb mértékben a talajokhoz hozzákevert kukorica szármaradvány és ebben a frakcióban volt a legalacsonyabb a szén átlagos tartózkodási ideje (3,6 év).

Az eredmények igazolták az rSOC frakció legnagyobb mértékű stabilitását a lebomlással szemben. Hiszen ebbe a frakcióba került a legkisebb mennyiségben a hozzáadott kukoricából és ebben a frakcióban volt a szén tartózkodási ideje a legmagasabb (250 év). Továbbá, ennek a frakciónak volt egyedül negatív a Δ¹⁴C értéke, ami szintén arra utal, hogy ebben a frakcióban található az általunk vizsgált talaj “legidősebb”, legstabilabb szerves anyaga. Összességében a tanulmányunk megerősítette azt a hipotézist, miszerint a frakciók csökkenő szemcseméretével a talajban található ásványok és szerves anyagok közötti kapcsolatoknak köszönhetően nő a lebomlással szembeni védelem.

A magyar nyelvű összefoglalót Zacháry Dóra készítette.

Napunk - a legtöbb csillaghoz hasonlóan - hidrogénfúzió révén termeli az energiát, aminek során négy protonból (azaz hidrogén atommagból) egy hélium atommag keletkezik. A folyamatban a jelentős mennyiségű energián kívül keletkeznek még neutrínók is, amik könnyen elhagyják a Nap belsejét és elérik a Földet is. A hidrogénfúzió alapvetően két különböző folyamaton keresztül zajlik. Az egyik az úgynevezett pp-láncok, a másik pedig a CNO ciklus. Mint neve is utal rá, a CNO ciklusban a fúzió szén, nitrogén és oxigén atommagok részvételével zajlik.

A Nap esetén a pp-láncok az energiatermelés meghatározó mechanizmusai, a számítások szerint a CNO ciklus mindössze 1% körüli hozzájárulást ad. Nagyobb tömegű csillagok esetén azonban a CNO ciklus lehet az energiatermelés fő folyamata, így ez a ciklus egyben a világegyetem egyik legfontosabb energiaforrása is.

A hidrogénfúzió során keletkező neutrínók azért hagyják el olyan könnyen a Nap magját, mert az anyaggal rendkívül gyengén hatnak kölcsön. Földi megfigyelésük ezért roppant nehéz, különleges kísérleti technikát igényel. Nem meglepő, hogy mindeddig csak a pp-láncokból származó, nagyobb mennyiségben érkező neutrínókat sikerült megfigyelni. Ezért a CNO ciklus járulékát az energiatermeléshez mindössze elméleti úton lehetett megjósolni, kísérleti bizonyíték nem állt rendelkezésre.

Az olaszországi Gran Sasso nemzeti laboratóriumban működik a Borexino detektor, aminek a feladata a napból érkező neutrínók észlelése. Az elmúlt évtizedekben már sikeresen megfigyelték ezzel a berendezéssel a pp-láncok különböző reakcióiból származó neutrínókat. Most viszont, köszönhetően a mélyen földalatti laboratóriumra jellemző extrém alacsony háttérsugárzásnak és a továbbfejlesztett kísérleti technikának, elsőként sikerült a CNO ciklusból származó neutrínókat is észlelni. A Borexino nemzetközi együttműködés (melyben a debreceni Atommagkutató Intézet egy munkatársa is részt vesz) eredményét a Nature folyóiratban publikálta. Méréseik alapján most már kísérletileg is meghatározható a CNO ciklus járuléka a Nap energiatermeléséhez, ez pedig mind a napmodellek ellenőrzéshez és fejlesztéséhez, mind pedig a Nap anyagi összetételének pontosabb megismeréséhez is kiemelkedő jelentőséggel bír.

A mellékelt képen Korga György a Borex szimulátor tartályt szereli. Itt az igazinak megfelelő körülmények között vizsgálták, hogy a frissen fejlesztett konfiguráció a PMT csövek beépítésére képes lesz-e ellenállni a nagynyomású, nagytisztaságú víz, illetve az agresszív oldószerként viselkedő szcintillátor folyadék korrozív hatásának hosszú távon.

(A magyar nyelvű összefoglalót írta: Gyürky György)

Az univerzum történetében a kémiai elemek létrejöttének első fázisa közvetlenül az ősrobbanás után játszódott le, amikor a legkönnyebb elemek, főként hidrogén és hélium keletkeztek. Ez az úgynevezett primordiális nukleoszintézis kozmológiai információt is hordoz. A világegyetemben csillagászati módszerekkel megfigyelt könnyűelem-gyakoriságok összehasonlíthatók a nukeloszintézis modellek jóslataival, így többek között a modellek bemenő adatai, bizonyos kozmológiai paraméterek is ellenőrizhetők. Nem ismertek azonban megfelelő pontossággal a folyamatban lejátszódó magreakciók hatáskeresztmetszetei, ami gátolja az összehasonlítást. Az egyik, a világegyetemben található deutérium gyakoriságát meghatározó magreakció a d(p,γ)³He folyamat, ami eddig nem volt kellőképpen ismert.

A LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) nemzetközi együttműködés az olaszországi Gran Sasso nemzeti laboratóriumban üzemletetett, világviszonylatban is egyedülálló mély földalatti gyorsítóval vizsgálta ezt a reakciót. A földalatti laboratóriumra jellemző extrém alacsony kozmikus háttérsugárzás miatt a reakció hatáskeresztmetszetét minden korábbinál pontosabban sikerült megmérni az ősrobbanásra jellemző energiatartományban.

A nagy pontosságú adatoknak köszönhetően a nukleoszintézis modellek erősebb megszorítást tudnak adni olyan fontos kozmológiai paraméterekre, mint például a korai univerzumra jellemző barionsűrűség. Az új eredmények kiválóan egyeznek a mikrohullámú háttérsugárzás elemzéséből számított sűrűséggel, ami így az ősrobbanás modellek helyességének fontos megerősítését jelenti.

A Keleti-Kárpátok neogén-negyedidőszaki vulkáni vonulata mentén, számos ásványvíz forrás található. Legtöbbjük magas CO₂-tartalmú, különböző típusú természetes forrás, amelyek a CO₂-gázkibocsátásokhoz kapcsolódnak. A helyi lakosság ezeket a forrásokat „borvizeknek” nevezi, mert a vizet gyakran CO₂ buborékok kísérik.

A Keleti-Kárpátok vulkáni vonulata és az Erdélyi-medence üledékes összleteinek találkozásánál 121 ásványvíz forrást és kutat mintáztunk. Célunk az volt, hogy megvizsgáljuk a vizek eredetét és felderítsük a fizikai és kémiai tulajdonságokért felelős természetes folyamatokat. Továbbá ellenőriztük a hidrogeológiai rendszer kitettségét és sérülékenységét az esetleges szennyezőkre és a környezeti változásokra.

Vizsgálatunk, beleértve a fő vegyi komponenseket és a vizek stabilizotóp-összetételét, arra mutatott rá, hogy a felszín alatti vizek különböző folyamatokon mennek át a beszivárgás után. A víz, a vulkáni vonulatának nyugati peremétől az Erdélyi-medence irányába hosszú utat tesz meg, ami alatt fokozatosan alkalmazkodik a változó földtani környezethez. A víz útját végigkövetve szemtanúi lehetünk az ásványvizek összetételének alakulásának, a kalcium-magnézium-bikarbonát típustól a magas oldott-anyag tartalmú nátrium-klorid típusú ásványvizekig. Ez az átalakulás a kőzetek változásával egyszerre megy végbe, jelezve a folyamatos kölcsönhatást a kőzet és a felszín alatti víz között. A vízben oldott, különböző eredetű (légköri, utóvulkáni, szerves) gázok jelenléte különleges tulajdonságokkal ruházza fel az itteni ásványvizeket, amelyeket ivókúrára és gyógyászatban egyaránt lehet hasznosítani.

A geokémiai jellemzők további változásai a különböző víztípusok keveredésnek tulajdonítható, amelyet a terület szerkezetföldtani jellemzői befolyásolnak. A stabilizotóp-összetételek alapján a vizek csapadékvíz eredetűek, azaz utánpótlódásuk a csapadékvízből történik. Különlegesebb, emelkedett δ¹⁸O és δD stabilizotóp-összetételt mutatott néhány sós, CO₂-tartalmú ásványvíz. Ezeket az extrém összetételeket a víz agyagásványokkal való kölcsönhatásának és a kőzetképződési folyamatoknak tulajdonítottunk.

Figyelembe véve, hogy ezen vizek többsége csapadékvíz eredetű, vízhozamukat a meteorológiai tényezők befolyásolják, a sekélyebb talajvizekkel való keveredés növelheti szennyező anyagoknak való kitettségüket.

Ismeretes, hogy az erősen kölcsönható anyagban elegendően magas hőmérsékleten a nukleonokat alkotó kvarkok szabaddá válnak, létrejön a kvark-gluon plazma. Az átmenet során a legalacsonyabb kvarkállapotok lokalizálódnak, a szilárdtestfizikából ismert Anderson-típusú lokalizációs átmenet zajlik le. Nem világos azonban, hogy van-e kapcsolat a bezáró-nembezáró illetve a lokalizációs átmenet között. Ennek vizsgálata két okból is nehéz. Egyrészt míg a lokalizációs átmenet egy jól meghatározott hőmérsékleten, hirtelen megy végbe, a bezáró-nem bezáró átmenet egy 20-30 MeV szélességű hőmérséklet-tartományban fokozatosan történik. Így annak a kérdésnek, hogy pontosan ugyanazon a hőmérsékleten történik-e a két átmenet, nincs értelme. A másik nehézség technikai jellegű: az erősen kölcsönható anyag rácsszimulációjához tipikusan használt diszkretizált Dirac-operátorok nem képesek pontosan leírni a természetben jelen lévő ú.n. királis szimmetriát, a lokalizációban érintett alacsony kvarkállapotok pedig épp erre a szimmetriára rendkívül érzékenyek.

Jelen munkában a fenti két problémát úgy oldottuk meg, hogy a lokalizációt az erős kölcsönhatás elméletének, a kvantum-színdinamikának (QCD) egy olyan módosított változatában vizsgáltuk, ahol a kvarkok tömege a valóságosnál jóval nagyobb. Itt ugyanis a bezáró és nem bezáró fázist egy élesen meghatározott hőmérsékleten végbemenő fázisátalakulás választja el. Így tudtuk vizsgálni azt a kérdés, hogy a bezáró-nembezáró illetve a lokalizációs átmenet ugyanazon hőmérsékleten következik-e be. A királis szimmetria problémáját pedig úgy oldottuk meg, hogy a kvarkok leírására az ú.n. overlap Dirac-operátort használtuk, amely egzakt királis szimmetriával rendelkezik, de használata jóval nagyobb számolási kapacitást igényel, mint a Dirac-operátor egyszerűbb diszkretizációi. Munkánk fő eredménye, hogy a lokalizációs és a bezáró-nem bezáró átmenet pontosan ugyanazon a hőmérsékleten következik be. Ebből valószínűsíthető, hogy a két átmenet között a QCD-ben is mélyebb fizikai kapcsolat van, melynek felderítése további vizsgálataink tárgyát képezi.

A csillagok – mint például Napunk – belsejében az egyre nehezebb kémiai elemek fúziós reakciók sorozata révén keletkeznek. Az elemszintézis e láncolatának első lépése során négy hidrogén mag alakul héliummá. A folyamat kétféleképpen, a proton-proton (p-p) lánc illetve a szén-nitrogén-oxigén (CNO) ciklus révén mehet végbe. Előbbi reakcióhálózat egyik kulcsreakciója a ³He(α,γ)⁷Be reakció.

Ugyan a ³He(α,γ)⁷Be mind elméleti mind, kísérleti szempontból az egyik legintenzívebben tanulmányozott magreakció, mégis a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban a reakció hatáskeresztmetszete az asztrofizikai modellek ellenőrzéséhez szükségesnél lényegesen nagyobb bizonytalansággal ismert. A jelentős bizonytalanság oka, hogy az alfarészecske-befogás valószínűsége az asztrofizikailag releváns energiatartományban igen alacsony, a hatáskeresztmetszet pikobarn nagyságrendű. A reakció közvetlen mérésére a jelenlegi kísérleti technikákkal nincs lehetőség, tehát a reakciót magasabb energiákon vizsgáljuk, majd az eredményeket magmodellek figyelembevételével extrapoláljuk. A rendelkezésre álló hatáskeresztmetszet adatok jellemzően közvetlen, in-beam illetve, aktivációs technikával kivitelezett mérésekből származnak.

Ismert azonban, hogy a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban a reakció úgynevezett direkt befogás révén megy végbe, így lehetőség van a hatáskeresztmetszet meghatározására egy közvetett módszerrel, az úgynevezett aszimptotikus normalizációs koefficiens (ANC) technikával is. A direkt befogás hatáskeresztmetszete arányos a transzfer reakciók tanulmányozása révén meghatározható ANC négyzetével. Kísérletileg a ⁶Li(³He,d)⁷Be reakciót tanulmányoztuk: a ⁶Li lazán kötött, klaszter szerkezetű atommag, bizonyos feltételek teljesülése esetén deuteronra, illetve alfa részecskére esik szét. Amennyiben ez a bombázó ³He mag felszínéhez igen közel történik meg, akkor alfarészecske-átadás révén ⁷Be mag jön létre hasonlóan ahhoz, ahogy a folyamat a csillagok belsejében végbemegy. A kísérlet során a deuteronok szögeloszlásának mérésével rekonstruáltuk a klaszterszerkezet felhasadásának, illetve az alfarészecske-befogásának a mechanizmusát és meghatároztuk a reakció hatáskeresztmetszetét a Nap hőmérsékletének megfelelő energiatartományban.