Флорида известна водой. Штат пропитан между пляжами, болотами, штормами и влажностью. А под всей его поверхностью находится самый большой пресноводный водоносный горизонт в стране.Флоридский водоносный горизонт ежегодно производит 1,2 триллиона галлонов воды — это почти 2 миллиона бассейнов олимпийского размера.
Он служит основным источником питьевой воды для более чем 10 миллионов человек и поддерживает орошение более 2 миллионов акров. Он также обеспечивает тысячи озер, источников и водно-болотных угодий, а также окружающую среду, которую они питают.Но поскольку ледники тают из-за глобального потепления, повышение уровня моря угрожает этому источнику воды — и другим прибрежным водоносным горизонтам — проникновением соленой воды. Как никогда важно изучать историю и поведение воды в этих водоносных горизонтах, и динамические водные системы Флориды делают их основным испытательным полигоном.
В исследовании, проведенном Чикагским университетом, ученые применили метод датирования, разработанный физиками-ядерщиками Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), который использует радиоактивную версию элемента криптона для изучения происхождения и течения пресной и соленой воды. во Флоридском водоносном горизонте. Их результаты демонстрируют перспективность этого нового метода, который поможет понять и спрогнозировать последствия изменения климата для прибрежных водоносных горизонтов, предоставить информацию для управления водными ресурсами и раскрыть понимание других геологических процессов.Подсчет криптонаЧтобы изучить поток воды в водоносном горизонте, ученые использовали центр TRACER в Аргонне для проведения радиокриптонового датирования.
Этот метод работает по тем же принципам, что и углеродное датирование, когда возраст чего-либо определяется на основе количества определенного элемента, оставшегося в образце. Но вместо углерода здесь используется радиоактивный изотоп криптон-81.Небольшое количество криптона-81 естественным образом производится в атмосфере и может растворяться в каплях воды в облаках и водоемах.
Когда вода уходит под землю, она перестает поглощать криптон-81 из атмосферы, а то, что остается, со временем медленно превращается в другие элементы.Если ученые смогут выяснить соотношение между криптоном-81 в воде и атмосфере, они смогут вычислить, как долго он находится под землей.«Это чрезвычайно сложно», — сказал Питер Мюллер, ученый из отдела физики Аргонны. ? «Поскольку криптон-81 настолько редок, вам нужны очень чувствительные измерительные инструменты, чтобы обнаружить небольшое количество в образце».Только один из миллиона атомов в атмосфере — это криптон.
Более того, только один из триллионов атомов криптона — это именно криптон-81. В результате остается так мало атомов, которые необходимо обнаружить в образце, что ученые считают их один за другим, используя методику анализа следов атомных ловушек, разработанную в Аргонне.
Команда собрала пробы из восьми скважин, выходящих из водоносного горизонта, и извлекла растворенный в воде газ, включая криптон-81. В центре TRACER они направили газ по каналу пучка, где шесть лазерных лучей объединяются, чтобы создать ловушку, уникальную для интересующего изотопа (в данном случае криптона-81). Захваченные атомы отображаются на камеру, и ученые могут отсчитывать их до отдельного атома.
Это исследование является первым применением радиокриптона для датирования Флоридского водоносного горизонта.Есть хорошие новости и плохие новостиНекоторые из образцов содержали соленую воду возрастом 40 000 лет, возникшую незадолго до последнего максимума ледников примерно 25 000 лет назад, когда большая часть воды, находящейся сейчас в океане, была захвачена огромными ледниками.
В то время уровень моря был более чем на 100 метров ниже, чем сейчас.«Из-за глобального потепления уровень моря повышается, в результате чего морская вода портит источники пресной воды», — сказала Рейка Йокочи, профессор-исследователь Чикагского университета и ведущий научный сотрудник исследования. «Присутствие умеренно старой воды означает, что соленая вода остается в водоносном горизонте, как только она попадает внутрь. Это плохие новости. Мы должны свести к минимуму уровень этого загрязнения».
Хотя соленые образцы вызывают беспокойство, есть и хорошие новости. Ученые подтвердили, что вода в южной части Флоридского водоносного горизонта пополнялась пресной водой во время последнего ледникового периода (где-то между 12000 и 115000 лет назад), что укрепило нынешнее понимание динамики пресной воды.«Мы также нашли образец с относительно молодой пресной водой, что является хорошей новостью для Флориды, потому что это означает, что вода активно течет и возобновляется вблизи центральной Флориды», — сказал Йокочи.
Новая техника с большим потенциаломРадиокриптоновое датирование — относительно новый метод, и ученые только начинают его изучать.
Этот инструмент обладает невероятным потенциалом для открытий в области физики, геологии и не только.Например, ученые, вооруженные радиокриптоном, могут использовать воду в прибрежных водоносных горизонтах в качестве потенциальных проводников изменений в водных циклах и составе древней морской воды.
Этот метод также может дать представление о перемещении элементов через границы суши и океана, что влияет на уровни углекислого газа (CO2) в атмосфере.«Когда вода течет по поверхности или под землей, она вступает в реакцию с окружающими камнями и улавливает сигнатуры, которые рассказывают историю», — сказал Йокочи. «Эта информация может помочь улучшить и подтвердить наши модели систем Земли и круговорота элементов, которые тесно связаны с глобальным климатом».
Радиокриптоновое датирование также служит дополнением к углеродному датированию, когда оно проводится на одних и тех же образцах. Ученые могут использовать результаты радиокриптонового датирования для калибровки анализа углеродного датирования. После корректировки углеродные данные могут дать дополнительную информацию, особенно о скорости водно-карбонатных реакций.«Когда у вас есть новый подобный инструмент и вы применяете его впервые, даже в водоносном горизонте, который был тщательно изучен, вы внезапно получаете новую перспективу и новое понимание», — сказал Мюллер. «Данные всего нескольких образцов богаты возможностями, и это исследование демонстрирует большой потенциал криптона-81 во многих областях геохимии».
Результаты исследования опубликованы в сентябрьском выпуске журнала Earth and Planetary Science Letters. Работа была поддержана Совместной инициативой по исследованию водных ресурсов Университета Бен-Гуриона, Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета, а также Управлением ядерной физики Министерства энергетики США.