Ultrafølsomme strålingsdetektorer giver et dybere dyk ned i grundvandet

Forskere får dybere indsigt i, hvordan landbrugspraksis påvirker grundvandet, delvist takket være en isotopgrundvands aldersdateringsteknik, der er muliggjort af ultrafølsomme strålingsmålinger ved det amerikanske energiministeriums Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt magasin, fysikere fra PNNL samarbejdede med Woods Hole Oceanographic Institution, US Geological Survey, og Argonne National Laboratory for at bruge isotopdatering til at estimere alderen af ​​grundvandsprøver fra Californiens San Joaquin Valley.

Grundvandsalderen kan afsløre vigtige spor om potentielle forurenende stoffer i grundvandsmagasinet, og hvor ofte og fra hvilke kilder grundvandsspejlet fyldes op. Forskere bruger disse oplysninger til at forudsige grundvandets sårbarhed over for forurening og udtømning, for bedre at forstå grundvandsstrømmen, at forbedre modelkalibrering, og at informere om vandforvaltningspraksis.

Californien-undersøgelsen udnyttede PNNLs sjældne evne til at måle argon-39 for at identificere grundvand, der kom ind i grundvandsmagasinet mellem 50 og 1, 000 år siden - en periode, der typisk ikke er dækket af andre almindelige grundvandssporere. PNNL er et af kun to laboratorier i verden med denne evne.

Med argon-39 målinger, forskere forstår nu bedre, hvordan landbrugspraksis fra midten af ​​det 20. århundrede kan have ændret grundvandskemien og, som resultat, påvirket pålideligheden af ​​den mere konventionelle kulstof-14 grundvandsdateringsteknik.

Undersøgelsen var første gang, PNNL's ultrafølsomme strålingsmålingsevner blev brugt som en del af en samarbejdsundersøgelse for at løse et problem inden for grundvandsvidenskab.

"Dette er en af ​​de første muligheder, vi har haft for at arbejde med underjordiske transport- og hydrologisamfund for at bruge denne evne til at besvare et spørgsmål inden for grundvandsvidenskab, " sagde PNNL-fysiker og laboratoriestipendiat Craig Aalseth. "Dette er en stor milepæl for os, men hvordan vi kom hertil er endnu mere interessant, fordi vi tog dele af vores grundlæggende fysikarbejde og vores nationale sikkerhedsarbejde for at sætte denne evne sammen."

Argon-39 udfylder grundvandsalderen

"Argon-39 udfylder en manglende brik som en del af en større serie af radiosporere, der hjælper grundvandsforskere med bedre at forstå grundvandets opholdstider - og PNNL er en vigtig del af det, " sagde Emily Mace, en PNNL-fysiker, der bidrog til undersøgelsen.

Sporing af radioaktive isotoper opløst i vand er en almindelig tilgang til estimering af grundvandets alder. Imidlertid, argon-39 har historisk været underudnyttet som sporstof til grundvandsdatering. Ædelgassens radioisotops lange halveringstid og ultralave radioaktivitet gør det svært at måle med konventionelle teknikker.

Argon-39 produceres naturligt i atmosfæren og kommer ind i grundvandet gennem regnvand.

"Ved at se på sporstoffets fald i radioaktivitet sammenlignet med det antagede konstante atmosfæriske niveau, du kan se, hvor længe vandet har været ude af kontakt med atmosfæren, " sagde Mace.

Fordi visse isotoper henfalder med kendte hastigheder, forskere kan måle det radioaktive henfald af forskellige sporstoffer for at vurdere, hvornår vandet kom ind i grundvandsmagasinet.

Kulstof-14 og tritium er blandt de to mest almindelige radiosporere, der bruges til datering af grundvand. Kulstof-14 har en halveringstid på omkring 5, 000 år og bruges til at identificere vand, der kom ind i grundvandsmagasinet mellem 1, 000 og 30, 000 år siden. Tritium har en halveringstid på kun 12 år og er nyttig til dating ungt vand omkring et årti gammelt.

Med kulstof-14 og tritium i hver sin ende af tidsskalaen, der har været en stor aldersforskel i grundvandets opholdstid – indtil PNNL trådte til for at udfylde den.

"Argon-39 er en middelaldersporer, der udfylder det hul lige i midten, " sagde Mace. "Med en halveringstid på 269 år, det giver os mulighed for at se på tingene i en skala på 100 år, så det passer virkelig til en manglende niche for grundvandsforskere."

Argon-39-målinger hjælper forskere med at genoverveje grundvandsestimater

Forskere fra det californiske grundvandsstudie brugte en række radioaktive sporstoffer til at datere prøver fra 17 brønde i San Joaquin-dalen. Den store landbrugsregion er stærkt afhængig af grundvand til kunstvanding.

Ved at inkludere argon-39 målinger i undersøgelsen, forskerne var i stand til at se nærmere på, hvordan landbrugsaktiviteter i midten af ​​det 20. århundrede – såsom carbonatjordændringer og kunstvandingsmetoder – påvirkede grundvandsmagasinets høje carbonatniveauer og, på tur, tilslører potentielt pålideligheden af ​​resultater fra udbredte kulstof-14-dateringsteknikker.

Brug af værktøjer som argon-39 "giver vigtige begrænsninger for at fjerne indvirkningen af ​​grundvandsblanding og opløst uorganisk kulstof på kulstof-14, " sagde forfatterne.

Forskerne fandt ud af, at konventionel kulstof-14-datering af grundvandet i San Joaquin Valley "væsentligt overvurderer opholdstiden og derved undervurderer modtageligheden for moderne forurening. Fordi karbonat-jordændringer er allestedsnærværende, andre grundvandsafhængige landbrugsregioner kan blive påvirket tilsvarende."

PNNL er blandt få på verdensplan til at måle argon-39

PNNL er et af kun to laboratorier i verden med den videnskabelige ekspertise og specialiserede værktøjer til at tage ultra-lavt niveau målinger af argon-39 ved at se på dets radioaktive henfald. Den anden er universitetet i Bern i Schweiz.

"Argon-39 er historisk svært at måle af mange grunde, " sagde Aalseth. "Den har ikke en særlig signatur (isotop-fingeraftryk), det kræver specialiseret argon kemi, og radioaktivitetshastigheden er meget lav på grund af den lange halveringstid, så du har brug for en meget lav baggrundsmåling.

"Det er alle ting PNNL var i stand til at samle til denne undersøgelse, " han sagde.

PNNL's evne til at måle argon-39 er muliggjort af meget følsomme strålingsdetektorer designet og bygget af ultrarent kobber af PNNL-forskere. De ultrafølsomme målinger er taget 60 fod under jorden i PNNL's Shallow Underground Laboratory. Anlægget er udstyret med instrumentering til detektion af ultra-lav stråling, der reducerer interferens fra baggrundsstråling - eller stråling, der forekommer i det naturlige miljø - med 99 %.

PNNL's arbejde med argon-39 kommer fra dets Ultra-Sensitive Nuclear Measurements Program, som omfatter udvikling af meget følsomme strålingsdetektionsværktøjer til støtte for nuklear ikke-spredning som en del af PNNL's nationale sikkerhedsmission.

En teknologi, flere applikationer

"Det viser sig, at den samme teknologi, som vi bruger til at detektere argon-37 - en isotop, der har en meget kortere halveringstid - til at levere værktøjer til at overvåge ting som overholdelse af den omfattende atomprøveforbudstraktat, også er særlig god til at måle argon-39 og ideel til at bestemme tidsskalaer som dem, der er vigtige for grundvand, sagde Aalseth, der leder Ultra-Sensitive Nuclear Measurements Program.

Aalseth sagde, at grundvandsstudiesamarbejdet er et eksempel på, hvad der kan ske, når tværfaglige teams arbejder sammen om at udvikle videnskabsbaserede løsninger, der kan anvendes til at tackle hårde udfordringer på tværs af missionsrum - fra national sikkerhed til jordvidenskab til grundlæggende fysik.

"Vi ser argon-39 aldersdateringsmålingen som en indikator for, hvilke andre ting der kunne være mulige, " sagde han. "F.eks. der er andre isotopmålinger, der kan være meget værdifulde for miljøvidenskaben, og det er broer, som vi meget gerne vil bygge."