Radiokrypton dating plumbs mysterier af vand akviferer

Vi trykker på det, pump det og træk det ned fra overfladen af ​​alle tænkelige landskaber, fra ørken til velplejet forstadsgård. Det er den nødvendige ingrediens for at opretholde livet. Vand.

Så der er ikke så mærkeligt, at vi hele tiden sætter spørgsmålstegn ved, hvor det kommer fra, hvor det går, hvor meget der er tilgængeligt, og om det er og vil forblive drikkeligt.

Takket være ekstremt sjældne isotoper af krypton (Kr) og det innovative håndværk fra forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, vi kan nu besvare mange af de spørgsmål, der ikke tidligere kunne behandles med mere traditionelle metoder.

En unik, laserbaseret, atomtællingsteknik kaldet Atom Trap Trace Analysis (ATTA), udviklet med støtte fra DOE's Nuclear Physics -program, hjælper fysikere ved Argonne selektivt med at fange og tælle isotoper ⁸¹ Kr og ⁸⁵ Kr for at bestemme isens og grundvandets alder. Resultaterne giver værdifuld information om dynamikken, strømningshastigheder og retning af vand i akviferer, især de livsvigtige for tørre regioner.

Forbedringer af ATTA -teknikken, der anvendes i Argonne, gør det muligt at udforske nye isotoper til mellemliggende aldersgrupper, såvel som at stille denne teknologi til rådighed, for første gang, til det jordvidenskabelige samfund som helhed.

Dating af grundvand dating

Oprindeligt brugt til at studere grundlæggende fysiske spørgsmål, laserbaserede atomkøling og fangstteknikker til grundvandsdatering blev udviklet i Argonne i 1997.

Argonne er fortsat en af ​​kun to sådanne steder i verden for at anvende ATTA specifikt til krypton dating -målinger; den anden er på University of Science and Technology i Kina.

Denne proces med brug af radioaktive isotoper af krypton til dato stof kaldes radiokrypton dating, og dens fordele supplerer de ved mere etablerede teknikker, som radiocarbon dating.

Radioaktive isotoper er kendetegnet ved deres halveringstid, eller den tid det tager for halvdelen af ​​atomerne at forfalde til et andet element. I dette tilfælde, halvdelen af ⁸¹ Kr -atomer vil forfalde til elementet brom efter 230, 000 år. Forskere kan bruge denne proces til at datere is eller vand med et aldersinterval på cirka 50, 000 til 2 millioner år. Denne aldersgruppe er vigtig, fordi radiocarbon dating ikke kan datere prøver, der er mere end 50, 000 år gammel.

"En anden fordel ved ⁸¹ Kr er, at det er en af ​​ædelgasserne, som er kemisk inaktive. Det betyder, at det ikke bliver involveret i kemiske reaktioner i atmosfæren eller under jorden og ikke kræver korrektioner, du skal foretage med atomer som kulstof, som er kemisk meget aktiv, "sagde Jake Zappala, en postdoktor i Argonnes fysikafdeling, der har været tæt involveret i den seneste ATTA -udvikling.

Produceret naturligt i atmosfæren gennem kosmiske stråler, ⁸¹ Kr -atomer infiltrerer overfladevand eller fanges i is under dannelse. Når den var adskilt fra atmosfæren, disse små atomure begynder at tikke, og isotoperne begynder deres langsomme forfald, mens de bæres sammen med vandets og isens bevægelse under overfladen.

Opdager denne isotop, selvom, er ekstremt udfordrende. Krypton tegner sig for en del pr. Million af alle atomer i atmosfæren, og mindre end en ud af hver billion af dem er et atom af ⁸¹ Kr.

Prøveindsamling og analyse

På trods af kryptons knaphed, processen med at indsamle den i dag virker relativt ligetil i forhold til for 20 år siden. Hvor markindsamling engang var en uhåndterlig virksomhed, der krævede titusinder af liter vand, datingfacilitetens nye teknologi har forbedret processen med størrelsesordener, forklarede fysiker Peter Mueller, facilitetens hovedforsker.

Nu, prøver indsamles ved hjælp af et gasudsugningssystem, der spænder i størrelse fra dimensionerne på en stor rygsæk til mere robuste enheder, der passer i sengen på en kompakt SUV og kun kræver 100-200 liter vand.

Mængden af ​​is, der er nødvendig for at udvinde en tilstrækkelig mængde af gassen, er også faldet dramatisk i de sidste par år, fra 300 til 20 kilo.

Værktøjerne, faktisk, er blevet strømlinet til det punkt, hvor anlægsbrugere kan udstyres med kompakte gasudsugningssystemer til deres feltarbejde og derefter sende de udtagne prøver direkte til Argonne til analyse.

"Vi har demonstreret, at teknikken virkelig er nyttig, "sagde Mueller." Men nu er vores mål at gøre det til en del af standardværktøjskassen til hydrologer. "

For at bestemme alderen på en prøve, den rensede kryptongas injiceres i ATTA -strålelinjen, hvor laserlys selektivt køler og fanger atomer af ⁸¹ Kr, ⁸⁵ Kr-en isotop med en 10-års halveringstid-og den stabile isotop ⁸³ Kr, ¬over en skiftende 5-minutters cyklus.

Fordi hver isotop har en lidt anden elektronisk struktur, laseren kan indstilles til en bestemt, giver perfekt selektivitet. Disse specifikke atomer fanges i en 3-D magneto-optisk fælde for enden af ​​strålelinjen, hvor et følsomt ladningskoblet apparat (CCD) kamera tager et billede, tilvejebringelse af et middel til at tælle atomerne et ad gangen.

Antallet af atomer, der tælles på en given tid, er direkte proportional med overflod af denne isotop i prøven. Når prøvestørrelsen er afsluttet - typisk inden for 2 til 4 timer - injiceres en kalibreret referencegas af ren krypton indeholdende den naturlige atmosfæriske overflod i systemet og måles på samme måde til sammenligning.

"Hvis tællehastigheden på ⁸¹ Kr -atomer i prøven er kun halvdelen af ​​dem i referencegassen, vi ved, at i gennemsnit 230, 000 år er gået, siden vandet eller isen har været i kontakt med atmosfæren, "sagde Mueller.

Ansøgninger og fordele

Ved hjælp af ATTA -teknikken, Argonne -forskere har allerede taget is og vand fra mange forskellige miljøer og aldersgrupper. Dateret til 120, 000 år gammel, gamle iskerneprøver fra Taylor Glacier, i Antarktis, hjalp med at verificere ⁸¹ Kr's evne til præcist at datere is og er nu af interesse for klimaforskningsundersøgelser. En undersøgelse af omkring 70 brønde i Israel vil hjælpe med at bestemme flow og blandingsdynamik i vandførere helt ned til 600, 000 år og give afgørende oplysninger om denne kritiske ressources bæredygtighed på lang sigt.

Argonne har bistået i snesevis af disse projekter, spænder over alle syv kontinenter, designet til at studere vand og isstrøm.

For at fremme omfanget af deres arbejde, Argonne -teamet er i gang med at bygge en ny brugerfacilitet og beamline, som ville fungere som laboratoriets arbejdshest, effektivt øger tiltrækningen fra det bredere geofaglige samfund. Det eksisterende instrument vil fortsat fungere som et forsknings- og udviklingsværktøj til yderligere at forbedre teknik til at fange atom.