Forskere bruger atomfysik til at undersøge Floridan Aquifer truet af klimaændringer

Da stigende havniveauer truer kystområder, forskere bruger en ny nuklear dating teknik til at spore ind og ud af vandgennemstrømning.

Florida er kendt for vand. Mellem sine strande, sumpe, storm og fugtighed, staten er gennemblødt. Og under hele dens overflade ligger den største ferskvandsmagasin i nationen.

Floridan Aquifer producerer 1,2 billioner liter vand hvert år-det er næsten 2 millioner olympiske svømmebassiner. Det fungerer som en primær kilde til drikkevand til over 10 millioner mennesker og understøtter kunstvanding af over 2 millioner hektar. Det leverer også tusinder af søer, kilder og vådområder, og de miljøer, de plejer.

"Dataene fra nogle få prøver er rige på muligheder, og denne undersøgelse demonstrerer krypton-81's store potentiale inden for flere områder inden for geokemi, " siger Argonne National Laboratory-forsker Peter Mueller.

Men når gletsjere smelter på grund af global opvarmning, stigende havniveau truer denne vandkilde - og andre kystnære akviferer - med indtrængen af ​​saltvand. Det er mere afgørende end nogensinde at studere historien og adfærden af ​​vand i disse grundvandsmagasiner, og Floridas dynamiske vandsystemer gør det til et førsteklasses testbed.

I en undersøgelse ledet af University of Chicago, forskere anvendte en datingteknik udviklet af atomfysikere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, der bruger en radioaktiv version af elementet krypton til at studere oprindelse og strøm af ferskvand og saltvand i Floridan Aquifer. Deres fund viser løftet om denne nye teknik til at hjælpe med at forstå og forudsige virkningerne af klimaændringer på kystnære akviferer, at informere vandressourceforvaltning og afsløre indsigt i andre geologiske processer.

Tæller krypton

For at studere vandstrømmen i akvifer, forskerne brugte TRACER Center i Argonne til at udføre radiokrypton dating. Denne teknik fungerer efter de samme principper som carbon dating, hvor alderen på noget bestemmes ud fra mængden af ​​et bestemt element, der er tilbage i prøven. Men i stedet for kulstof, den bruger den radioaktive isotop krypton-81.

En lille mængde krypton-81 produceres naturligt i atmosfæren og kan opløses i vanddråberne i skyer og vandmasser. Når vandet går under jorden, det stopper med at absorbere krypton-81 fra atmosfæren, og det, der er tilbage, ændrer sig langsomt til andre elementer overarbejde.

Hvis forskere kan finde ud af forholdet mellem krypton-81 i vandet og i atmosfæren, de kan beregne, hvor længe det har været under jorden.

"Dette er ekstremt udfordrende, "sagde Peter Mueller fra Argonne's Physics division." Da krypton-81 er så sjælden, du har brug for meget følsomme måleværktøjer til at registrere den lille mængde i en prøve. "

Kun et ud af en million atomer i atmosfæren er krypton. Hvad mere er, kun ét ud af en billion kryptonatomer er specifikt krypton-81. Dette efterlader så få atomer at opdage i en prøve, at forskere tæller dem en efter en ved hjælp af en teknik kaldet Atom Trap Trace Analysis, udviklet hos Argonne.

Holdet indsamlede prøver fra otte brønde, der tappede på grundvandsmagasinet og udtog gassen opløst i vandet, inklusive krypton-81. På TRACER Center, de sendte gassen ned ad en strålelinje, hvor seks laserstråler samles for at skabe en fælde, der er unik for isotopen af ​​interesse (i dette tilfælde, krypton-81). De fangede atomer dukker op på et kamera, og forskere kan tælle dem ned til det enkelte atom.

Denne undersøgelse er den første anvendelse af radiokrypton -dating på Floridan Aquifer.

Der er gode og dårlige nyheder

Nogle af prøverne indeholdt 40, 000 år gammelt saltvand fra lige før det sidste ismaksimum omkring 25, For 000 år siden, da meget af det vand, der nu er i havet, blev fanget i enorme gletsjere. I denne periode, havniveauet var over 100 meter lavere, end det er nu.

"På grund af den globale opvarmning, havniveauet stiger, få havvand til at ødelægge ferskvandskilder, " sagde Reika Yokochi, forskningsprofessor ved University of Chicago og hovedforsker ved undersøgelsen. "Tilstedeværelsen af ​​det moderat gamle vand betyder, at saltvand forbliver i grundvandsmagasinet, når det kommer ind. Dette er dårlige nyheder. Vi er nødt til at minimere forureningshastigheden."

Mens de salte prøver angår, der er gode nyheder, også. Forskerne bekræftede, at vandet i den sydlige del af Floridas akvifer blev genopladet med ferskvand i løbet af den sidste istid (engang mellem 12. 000 til 115, 000 år siden), styrke den nuværende forståelse af ferskvandsdynamik.

"Vi fandt også en prøve med relativt ungt ferskvand, hvilket er gode nyheder for Florida, fordi det betyder, at vandet flyder aktivt og vedvarende nær det centrale Florida, " sagde Yokochi.

Ny teknik med stort potentiale

Radiokrypton dating er en relativt ny teknik, og forskerne er lige begyndt. Dette værktøj har et utroligt potentiale til at drive opdagelse inden for fysik, geologi og videre.

For eksempel, videnskabsmænd bevæbnet med radiokrypton-datering kan bruge vandet i kystnære grundvandsmagasiner som potentielle budbringere for ændringer i vandkredsløb og sammensætningen af ​​gammelt havvand. Teknikken kan også give indsigt i bevægelsen af ​​elementer på tværs af land-ocean grænser, som påvirker kuldioxid (CO ₂ ) niveauer i atmosfæren.

"Når vandet strømmer på overfladen eller under jorden, den reagerer med omgivende sten og opfanger signaturer, der fortæller en historie, "sagde Yokochi." Disse oplysninger kan hjælpe med at forbedre og validere vores modeller af Jordens systemer og elementernes cyklus, som er tæt forbundet med det globale klima."

Radiokryptondatering fungerer også som et supplement til kulstofdatering, når det udføres på de samme prøver. Forskere kan bruge resultater fra radiokrypton-datering til at kalibrere kulstofdateringsanalyse. Når den er rettet, kulstofdataene kan give yderligere indsigt, især om hastighederne på vand-carbonatreaktioner.

"Når du har et nyt værktøj som dette og anvender det for første gang, selv i en akvifer, der er blevet undersøgt meget, pludselig får du et nyt perspektiv og ny indsigt, "sagde Mueller." Dataene fra få eksempler er rige på muligheder, og denne undersøgelse demonstrerer krypton-81's store potentiale inden for flere områder inden for geokemi. "