Infiltration of river water to a shallow aquifer investigated with H/He, noble gases and CFCs

Noble gas isotopes (³He, ⁴He, Ne, Ar, Kr, Xe), tritium (³H), chlorofluorocarbons (CFCs) and dissolved oxygen (O₂) were seasonally measured in a small groundwater system recharged by infiltration of river water at Linsental, northeastern Switzerland. All Groundwater samples contained an excess of atmospheric noble gases (‘excess air’) usually with an elemental composition equal to air. The concentrations of atmospheric noble gases in the groundwater were used to calculate the excess air component and the water temperature at recharge. The noble gas temperatures (NGTs) in the boreholes close to the river vary seasonally, however, the average NGT of all samples lies close to the mean annual temperature of the river water. Groundwater ages were calculated using the tritium/helium-3 (³H/³He) dating method. The water ages of the samples obtained near the river depend on the amount of recently infiltrated river water and are young during times of active river discharge. In contrast, the mean water age of about 3 years of the deep aquifer remained nearly constant over the sampling period. The observed CFC-11 (CFCl₃) and CFC-12 (CF₂Cl₂) concentrations are significantly higher than the atmospheric equilibrium concentrations and therefore CFCs do not provide any direct information on the residence time of the groundwater. Nevertheless, the CFC excess in the groundwater shows a linear increase with the ³H/³He age. Additionally, both accumulation of radiogenic He (⁴He_rad) and O₂ consumption are strongly correlated with residence time. All these correlations can be interpreted either in terms of mixing of recently infiltrated river water with older groundwater or in terms of accumulation/consumption rates.     

A search for extremely red stars on the palomar observatory sky survey. II. Examination for light variability

The extremely red stars discovered on some Palomar Sky Survey prints in an earlier paper were investigated for variability. Four certain and one probable variables were found.     

Carbon in olivine single crystals analyzed by the 12C(d,p)13C method and by photoelectron spectroscopy

Carbon subsurface concentration profiles in olivine single crystals from San Carlos, Arizona, and the Sergebet Island. Red Sea, containing total carbon between 60–180 wt.-ppm, were analyzed by means of the ¹²C(d. p)¹³C nuclear reaction and by x-ray induced photoelectron spectroscopy (XPS) in combination with acid etching and with Ar⁺ ion sputtering respectively, between 200–930 K. The (d, p) analysis reveals equilibrium subsurface C profiles extending 1–2 μm or more into the bulk. Their steepness is a function of temperature. Typical mean C concentrations at 300 K in the resolvable layers, 0–0.6, 0.6–1.2, and 1.2–1.8 μm. are 1.8, and 0.6 wt.-%, corresponding to enrichment factors over the mean bulk C concentration of the order of 100, 40 and 30 respectively. In the topmost atomic layers analyzed by XPS the carbon is enriched by a factor of the order of 1000, decreasing with increasing temperature. The results suggest that the carbon is in a truly dissolved state and highly mobile, subject to a reversible subsurface segregation. Most probably local lattice strain associated with the solute C species provide the driving force for this diffusional process. The C diffusion coefficient was determined from the (d, p) data below 300 K: D= 10^?13 exp(?7.8/RT) [m²· sec^?1; KJ · mole^?1] and from XPS data between 450–925 K: D = 10^?14 exp(-6/RT) [m² · sec^?1; KJ · mole^?1] The estimated error of the preexponential factors is ± one order of magnitude, that of the activation energies ±3.5 and ±2 KJ mole^?1 respectively.     

Organic compounds in the early atmosphere formed abiotically from atomic carbon

The recent discovery that atomic carbon occurs plentiful in olivines from mantle-derived rocks opens new aspects for the chemical evolution of the early atmosphere and the origin of life. It has been shown conclusively that atomic carbon which is dissolved in the model oxide MgO is capable of reacting in an O₂-free atmosphere with the lattice oxygen to give CO₂ and with the lattice hydrogen, derived from OH^–, to give a profuse variety of hydrocarbons.The diffusional processes and low temperature gas/solid interface reactions involved in these processes are expected to introduce, purely abiotically, isotope fractionation resulting in a¹³C enrichment of the CO₂ fraction and in a¹³C depletion of the hydrocarbon fraction which may be confused with the¹²C/¹³C isotope fractionation along biological pathways.Atomic carbon dissolved in olivines and in basalts shows a similar behaviour and yields similar quantities as C in MgO: 1–2 mg/g CO₂ and 25–100g/g hydrocarbons degassing between 400 and 1000 °C. On a geological scale this means that each cubic kilometer of basaltic magma degassing in an O₂-free atmosphere has the capacity of sending off about 3–6·10⁹ kg (2·10⁹ m³) of CO₂ and about 1–3·10⁸ kg (2·10⁸ m³) of hydrocarbons. The presence of water modifies the composition to give, among others, alcohols and organic acids.On the basis of these results we are led to the conclusion that the early atmosphere of the earth may have contained a very high concentration of abiotically formed organic compounds of great chemical complexity.

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Zusammenfassung Die Entdeckung des atomar gelösten Kohlenstoffs in Olivinen aus Mantelgesteinen führt zu neuen Vorstellungen über die Zusammensetzung der Uratmosphäre und Entwicklungsbedingungen des Lebens. Atomarer Kohlenstoff im MgO ist in der Lage, in einer O₂-freien Atmosphäre mit dem Gittersauerstoff zu CO₂ zu reagieren und mit dem aus OH^– stammenden Gitterwasserstoff eine große Vielfalt von organischen Verbindungen zu bilden.Diffusionsprozesse und Gas-Festkörper-Austauschreaktionen, die an diesen Reaktionen beteiligt sind, führen nach ersten Untersuchungen zu einer¹³C-Anreicherung im CO₂ und einer¹³C-Abreicherung bei den Kohlenwasserstoffen. Diese¹²C/¹³C-Fraktionierung ist gleichsinnig mit der biologischen¹²C/¹³C-Fraktionierung.Atomarer Kohlenstoff in Olivinen und Basalten zeigt ein sehr ähnliches Reaktionsverhalten wie im MgO und führt zu ähnlichen Reaktionsprodukten: 1–2 mg/g CO₂ und 25–100g/g Kohlenwasserstoffe zwischen 400–1000 °C. Übertragen auf geologische Verhältnisse bedeutet dies, daß jeder km³ eines entgasenden basaltischen Magmas 3–6·10⁹ kg (2·10⁹ m³) CO₂ und 1–3·10⁸ kg (2·10⁸ m³) abwüschen Kohlenwasserstoff abgeben kann. Die Anwesenheit von Wasser führt zur Bildung von Alkoholen und organischen Säuren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, daß die Uratmosphäre und die Ursuppe viel reicher waren als bisher angenommen an komplexen organischen Verbindungen, die rein thermisch entstanden sind.

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Résumé La découverte du carbone atomique dans les olivines du manteau entraîne de nouvelles idées sur la composition de l'atmosphère originelle et sur les conditions du développement de la vie. Comme l'est le cas pour le MgO, le carbone atomique dans les olivines est capable de réagir, dans une atmosphère exempte de O₂, avec l'oxygène du réseau cristallin en formant du CO₂, et avec l'hydrogène provenant des groupements OH^– du réseau, pour former une grande variété de composés organiques.Les processus de diffusion et d'échange gas-solide liés à ces réactions provoquent, d'après les premiers résultats, un enrichissement en¹³C dans le CO₂ et un appauvrissement en¹³C dans les hydrocarbures formés. Ceci ressemble au fractionnement dû à des réactions biologiques.Le comportement du carbone atomique et sa réactivité se retrouvent dans les basaltes et les olivines. La gamme des produits de réaction et leur quantité ressemble à celle du MgO: 1–2 mg/g CO₂ et 25–100g/g composés organiques. A l'échelle géologique ceci implique que chaque km³ de magma basaltique dégazé en contact avec une atmosphère exempte d'oxygène pouvait émettre 3–6·10⁹ kg, soit 2·10⁹ m³ de CO₂ et 1–3·10⁸ kg, soit 2·10⁸ m³ d'hydrocarbures abiotiques. La présence d'eau entraîne la formation d'alcools et d'acides organiques.La conclusion tirée de ce travail indique que l'atmosphère originelle et la»soupe primordiale» étaient plus riches qu'on ne l'a admis jusqu'à présent en composés organiques dûs à des processus purement thermiques, et donc abiotiques.

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. MgO , COg, -, , . , , — — ¹³ ₂ . ¹²/¹³ , . , , - : 1–2 / O₂ 25–100 / , 400–1000 . , 3–6·109 (2·10^{9 3}) ₂ 1– 3·10⁸ (2·10^{8 3}) . . , , , , .

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Presented in part at the meeting Precambrian Problems, Copenhagen, March 1981.     

The 10-micron interstellar absorption band: Curves of growth for terrestrial and meteoritic olivine particles

Curves of growth have been determined for the interstellar absorption band at 9.75 m using infrared spectra of small olivine particles. The mass absorption coefficient was found to depend strongly on the mean radius of the grains. A comparison was made with a sample of Allende meteorite and good agreement was found between the curves of growth for terrestrial and meteoritic olivine.     

The ultraviolet absorption band at 2175 Å: Correlations with other interstellar features

The hump in the ultraviolet part of the interstellar extinction curve is interpreted as a broad diffuse absorption band. Its equivalent width is estimated for 36 stars by means of OAO-2 data. The equivalent widths are correlated with the following parameters: colour excessE(B-V), colour excessE(B – V), depth of the band m _max, equivalent widths of the diffuse bands at 5780 and 6284 Å, and the column density of neutral hydrogenN _HI. The physical parameters half-width and oscillator strength of the band at 2175 Å are estimated.     

The 11.5 micrometer emission from carbon stars: Comparison with IR spectra of submicrometer-sized silicon carbide grains

In this paper the results of an experimental investigation of the spectra of submicrometersized silicon carbide grains are presented. The grains manufactured from two types of commercial -SiC were prepared according to the Jena IR spectroscopy program for particulates of cosmic importance. From the spectral records mass absorption coefficients have been derived. These data have been used to make a comparison of the laboratory spectra with the well-known 11.5 m emission band observed in the spectra of carbon stars, which is probably due to a transition in circumstellar SiC grains. For this aim, a simple model of an optically thin circumstellar envelope containing SiC grains has been calculated. The theoretical profile of the 11.5 m band derived by means of this model and based on the experimental mass absorption coefficients of SiC grains shows a striking similarity with the observed profile in the spectrum of the carbon star Y CVn. The total amount of SiC dust in the envelope of this star has been estimated at about 10²⁴ g.     

Equivalent widths of the 10-μm interstellar silicate feature and dust temperatures in infrared sources

For 22 infrared sources showing the 10-m silicate absorption band, the optical depths, dust temperatures and equivalent widths have been calculated for two assumed simple models.     

The 10- and 20-μm interstellar absorption bands: Comparison with the infrared spectrum of the Nogoya meteorite

For submicrometer-sized particles of the carbonaceous chondrite Nogoya and, for comparison purposes, also of terrestrial chamosite, the mass absorption coefficients have been derived from laboratory spectra for the wavenumber range 250–1300 cm^–1. Using these data the expected spectrum of an infrared source has been calculated under simple model assumptions and compared with the observed flux from the infrared source OH 26.5+0.6. Although certain discrepancies are left in the 20-m region it is concluded that phyllosilicates, especially such occurring in carbonaceous chondrites, are interesting candidates for the material of interstellar grains.     

Die Abhängigkeit des Großwetters von solaren Erscheinungen

Zusammenfassung Im ersten Abschnitt werden Einwände gegen die bisherigen Untersuchungen entkräftet. Im zweiten Abschnitt werden neue Belege für die doppelte Schwankung des Großwetters in der gemäßigten Zone während des Sonnenfleckenzyklus erbracht. Es wird gezeigt, daß die Sommer in Neuengland, die 3 bis 1 1/2 Jahre vor einem Fleckenminimum liegen, fast durchweg wärmer als normal sind und alle Hochsommer, die 2,8 bis 1,9 Jahre vor einem Fleckenextrem (Minimum oder Maximum) liegen und in denen weitere solare Bedingungen erfüllt sind, in Mitteleuropa trockener und wärmer als normal sind und übernormalen Luftdruck in Mittel- und Westeuropa aufweisen. Das gleiche gilt in den meisten dieser Jahre auch für den ganzen Sommer und auch für die südlicheren Teile Nordeuropas. Die relative Häufigkeit des Zusammentreffens dieser Großwettererscheinungen mit bestimmten solaren Bedingungen wird als überzufällig erwiesen; die Zusammenhänge werden physikalisch gedeutet.Im dritten Abschnitt wird ein überzufälliger Zusammenhang des Verlaufs der Sonnenflecken vom Vorwinter bis zum Herbst mit dem Temperaturgepräge des Folgewinters in Mitteleuropa dargestellt und erklärt.Im vierten Abschnitt wird aus der zur Erklärung der Doppelschwankung des Großwetters innerhalb des Sonnenfleckenzyklus aufgestellten Hypothese eine logische Folgerung gezogen, die sich auf die Stärke der zonalen Zirkulation in den gemäßigten Breiten in der Höhe der 500 mb-Flächevor einer länger anhaltenden Vermehrung der Sonnenflecken bis zur nächsten Sonnenrotation bezieht. Es wird festgestellt, daß diese rein theoretisch gezogene Schlußfolgerung in der Wirklichkeit mindestens im Winterhalbjahr tatsächlich erfüllt ist, womit ein neues Argument für die Richtigkeit der aufgestellten Theorie des Einflusses der von der Sonne ausgehenden Strahlungsschwankungen auf das Großwetter gewonnen wird. Die Beeinflussung des Großwetters geschieht nicht durch die korpuskularen Strahlungen der Sonne, die auf ionosphärische Vorgänge und dadurch auch auf den Erdmagnetismus wirken, sondern durch länger anhaltende Intensitätsänderungen der Wellenstrahlung, vor allem der ultravioletten Strahlung der Sonne.

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Summary In the first part objections against the former investigations are refuted. In the second part new arguments are given for the double variation of the large scale weather conditions (Großwetter) in the temperate zone during the sun spot cycle. It is shown that the summers in New England which lie 3 to 1 1/2 years before a sun spot minimum are almost without exception warmer than normal, and all midsummers which lie 2,8 to 1,9 years before a sun spot extremum (minimum or maximum) and in which further solar conditions are satisfied are drier and warmer than normal in Central Europe and show supernormal atmospheric pressure in Central and Western Europe. The same is true during most of the years also for the whole summer and also for the more southern parts of Northern Europe. The relative frequency of meeting of these large scale occurences with certain solar conditions are proved to be beyond chance; the relations are physically interpreted.In the third part a relation beyond chance of the course of the sun spots from the foregoing winter until autumn with the temperature-character of the following winter in Central Europe is described and explained.In the fourth part a logical conclusion is drawn from the hypothesis for explaining the double oscillation of the Großwetter within the sun spot cycle. This conclusion regards to the strength of the zonal circulation in the middle latitudes in the height of the 500 mb-area before a longer increasing of the sun spots until the next rotation of the sun. It is stated that this conclusion is fulfilled in the reality. This is a new argument for the correctness of the used theory concerning the influence of the variations of the sun's radiation upon the Großwetter. This influence is not caused by the corpuscular radiations of the sun which have an effect on the ionospheric occurences and by these also on the terrestrial magnetism, but by assiduous changes of the intensity of the undulatory radiation, especially of the ultra-violet radiation of the sun.

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Résumé La première partie de l'article réfute des objections soulevées par les études précédentes. La deuxième partie apporte de nouvelles preuves de la double variation du temps (à grande échelle) de la zone tempérée pendant le cycle des taches solaires. On montre qu'en Nouvelle-Angleterre les étés précédant de 3 à 1,5 ans un minimum de taches sont presque tous trop chauds et que tous les pleins-étés précédant de 2,8 à 1,9 ans un extremum de taches (minimum ou maximum) et pour lesquels d'autres conditions solaires sont remplies sont en Europe centrale trop secs et trop chauds avec pression supra-normale sur le centre et l'Ouest de l'Europe. La même relation existe dans la plupart de ces années également pour tout l'été et dans les régions plus méridionales de l'Europe septentrionale. La fréquence relative de ces conjonctures s'avère comme supérieure à celle du hasard pur; l'auteur en expose les bases physiques.La troisième partie traite d'une relation signifiante entre l'évolution des taches solaires du début de l'hiver à l'automne et l'allure de la température de l'hiver suivant en Europe centrale.Dans la quatrième partie, l'auteur tire de l'hypothèse expliquant la variation double du temps dans l'espace du cycle solaire une conséquence logique se rapportant à l'intensité de la circulation zonale aux latitudes moyennes, à l'altitude de la surface de 500 mb, avant l'augmentation durable des taches solaires jusqu'à la rotation suivante du soleil. Il montre que cette conséquence purement théorique se réalise en fait, au moins pendant le semestre hivernal, et qu'elle fournit ainsi un nouvel argument en faveur de la théorie qui prétend une influence des variations du rayonnement solaire sur la situation météorologique générale. Cette situation n'est pas influencée par le rayonnement corpusculaire du soleil qui intervient dans les phénomènes ionosphériques et dans le magnétisme terrestre, mais bien par les variations à longue période du rayonnement ondulatoire, et avant tout de l'ultra-violet solaire.

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Mit 3 Textabbildungen.