Wetenschap - 30 mei 2013

Het geheugen van zand

Zand heeft een geheugen. Tenminste, een deel van het zand en in het juiste licht bezien. Jakob Wallinga, hoogleraar Bodemgeografie en landschap, weet hoe je dat doet. Met luminescentiedatering dringt hij diep door in het geheugen van het landschap.

14-Jakob-Wallinga-GA-ND7-0135.jpg
De werking van een zandloper kennen we allemaal. Met zand kun je tijd meten. Tamelijk nauwkeurig ook, als het ding goed is geijkt. Maar zand is van zichzelf ook een klok. Pak 'm beet een op de tien zandkorrels is bruikbaar als tijdmeter. De techniek die dat mogelijk maakt heet luminescentiedatering: datering op basis van het fysische fenomeen van luminescentie (zie kader voor technische uitleg). Kort gezegd komt het erop neer dat zich in begraven zandkorrels onder invloed van natuurlijke stralingsbronnen in de bodem een signaal opbouwt. Dat signaal is te meten. De grootte van het signaal vertelt daarmee hoe lang het zand op die plek heeft gelegen. En in het donker, want dat is essentieel. Zodra er licht bij komt, gaat het signaal verloren.
'Ik doe dit werk nu vijftien jaar', vertelt Jakob Wallinga, 'maar ik vind het nog steeds idioot dat een zandkorrel je kan vertellen wanneer het op de vindplek is neergelegd.' Wallinga is de nieuwe hoogleraar Bodemgeografie en Landschap en dé specialist in ons land op het gebied van luminescentiedatering. Met de komst van Wallinga is Wageningen UR in één klap een specialistisch onderzoeks­lab rijker: het Nederlands Centrum voor Luminescentiedatering. Wallinga zette dit lab tien jaar geleden eigenhandig op in Delft. De verhuizing van het lab naar Wageningen - een uitdrukkelijke voorwaarde voor zijn aanstelling - is nog zo vers dat zelfs de NCL-website er nog geen melding van maakt.
Hermetisch afgesloten
Wallinga is opgeleid als fysisch-geograaf (Utrecht) en kwam tijdens zijn promotie-onderzoek met de toen nog tamelijk nieuwe dateringsmethode in aanraking. 'Eigenlijk ben ik er een beetje ingeluisd', kijkt hij terug. 'Ik wilde toegepast onderzoek doen, maar gaandeweg kwam ik erachter dat de methode nog niet was zoals ik het eigenlijk wilde. Daarom ben ik me steeds meer op de ontwikkeling van de methode gaan toeleggen.' Toen hij klaar was met zijn promotie bleek er veel vraag naar de toepassingen van de nieuwe dateringsmethode. Genoeg aanleiding voor Delft om Wallinga aan te stellen. En genoeg aanleiding voor de NWO om geld te investeren in apparatuur en (Veni- en Vidi-)onderzoek.
Het lab huist sinds enkele weken op de tweede verdieping van Atlas. Slechts een A-4tje met NCL erop verraadt de precieze plek. Het lab zelf is hermetisch lichtdicht afgesloten van de buitenwereld. De bezoeker moet eerst een soort capsule door waar het aardedonker is. Zonlicht is funest voor de metingen. Binnen wordt gewerkt bij  oranje lampen. Overigens niet vanwege de recente kroning. Het zand is niet gevoelig voor oranje, legt Wallinga uit. ­Daarentegen kunnen wij goed zien bij oranje. Vandaar dus.
Wallinga denkt met zijn methode het onderzoek naar het ontstaan van landschappen een flinke slinger te geven. 'Landschappen veranderen onder invloed van tal van factoren: de mens, het klimaat, extreme gebeurtenissen, etc. Wil je landschapsdynamiek echt begrijpen, dan moet je over langere tijden metingen kunnen doen. Processen duren vaak lang en extreme gebeurtenissen vinden weinig plaats. C-14-datering is vaak niet bruikbaar, omdat er geen of te weinig organisch materiaal is of omdat je met die methode niet ver genoeg terug kunt kijken in de tijd. Dan is luminescentiedatering een mooi middel om daar toch achter te komen.'
Op de korrel
Het geheugen van zand berust op luminescentie, het uitzenden van licht. Dat werkt als volgt. De bodem is van nature licht radioactief. Dat komt door de aanwezigheid van radioactieve elementen kalium, uranium en thorium. Daarnaast dringt ook straling vanuit de kosmos door in de bodem. Kwarts en veldspaat, de voornaamste bestanddelen van zand, worden daardoor voortdurend bestraald. Elektronen in het kristalrooster raken door die straling in een zogeheten aangeslagen toestand. Ze verkeren korte tijd in een baan met hogere energie. Bij terugkeer in de grondtoestand verliest het elektron de overtollige energie weer in de vorm van licht. 'Het overgrote deel van de elektronen valt op die manier terug. Maar een klein deel raakt ingevangen in traps, kleine foutjes in het kristalrooster, waar ze niet uit kunnen ontsnappen', legt Wallinga uit. 'Die vallen raken in de loop der tijd steeds voller.'
Voilà, een signaal dat je kunt meten. Maar dan moet je die elektronen wel eerst bevrijden. Wallinga doet dat door de korrels opnieuw te belichten: optisch gestimuleerde luminescentie. Door het zetje energie raken de elektronen opnieuw in aangeslagen toestand en vallen dan alsnog, onder uitzending van licht, terug naar de grondtoestand. De grootte van dat lichtsignaal verraadt de hoeveelheid straling die de korrel in de loop der tijd heeft ontvangen, de zogenoemde paleo-dosis. Wallinga: 'Als je dan ook de radioactiviteit meet van het bulkmonster, kun je berekenen hoeveel straling de korrels per jaar ontvingen: het dosis-tempo. Als je die waardes op elkaar deelt, heb je de 'leeftijd', de tijd die is verstreken sinds de korrel werd begraven.'

In het veld
Met zijn dateringstechniek kan Wallinga aardig ver terugkijken in de tijd. 'Met kwarts kunnen we tot zo'n 150.000 jaar terug. Sinds kort met veldspaat tot 500.000 jaar. En een postdoc ontwikkelt op dit moment een methode waarmee we zelfs tot een paar miljoen jaar terug kunnen kijken.' Op die laatste schaal komt volgens Wallinga zelfs de evolutie en migratie van de mens als onderwerp van onderzoek in beeld. Zijn eigen promotieonderzoek ging over de ontwikkeling van de Rijn en Maas in de afgelopen paar honderdduizend jaar. 'Die rivieren hebben een hele bak zand neergelegd die je met luminescentiedatering kunt analyseren.' Op dezelfde manier is de techniek inzetbaar bij studie naar kustontwikkeling, duinvorming of rivierafzettingen. In feite overal waar zand word verplaatst. Met die beperking dat de methode alleen iets zegt over de laatste rustplaats. Elke keer als het zand aan het licht wordt blootgesteld, gaat het opgehoopte signaal verloren, wordt de klok gereset en op nul gezet. Tenzij de verplaatsing in het donker gebeurt natuurlijk.
Jurassic campus
De huidige campus was 50.000 jaar geleden een moeras. De Amsterdamse paleo-ecoloog Bas van Geel stelde dat vast na bestudering van veenmonsters van de plek waar nu Forum staat. Voor de datering gebruikte hij onder meer de methode van ­Wallinga. Onder de titel Jurassic Campus (online te zien op onze website) besteedde Resource aandacht aan dit onderzoek.

Re:ageer