Сверхчувствительные детекторы радиации позволяют глубже изучить подземные воды

Ученые получают более глубокое понимание того, как сельскохозяйственные практики влияют на подземные воды, благодаря методике датирования возраста воды по изотопам, которая стала возможной благодаря сверхчувствительным измерениям радиации в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, физики из PNNL совместно с Океанографическим институтом Вудс-Хоул, Геологической службой США (USGS) и Национальной лабораторией Аргонн использовали изотопное датирование для оценки возраста проб подземных вод из долины Сан-Хоакин в Калифорнии. Возраст грунтовых вод может раскрыть важные подсказки о потенциальных загрязнителях в водоносном горизонте, а также о частоте и источниках пополнения водного горизонта. Эта информация используется для прогнозирования уязвимости вод к загрязнению и истощению, улучшения калибровки моделей и информирования практик управления водными ресурсами.

Исследование в Калифорнии задействовало редкую возможность PNNL измерять аргон-39 для идентификации воды, попавшей в водоносный горизонт от 50 до 1000 лет назад — период, обычно не охватываемый другими распространенными трассерами. PNNL — одна из всего двух лабораторий в мире с такой возможностью. Благодаря измерениям аргона-39 исследователи теперь лучше понимают, как сельскохозяйственные практики середины XX века могли изменить химический состав подземных вод и, как следствие, повлиять на надежность более традиционной методики датирования по углероду-14.

Аргон-39 заполняет пробел в определении возраста грунтовых вод

Аргон-39 заполняет недостающий элемент в составе набора радиотрассеров, помогая ученым лучше понять время пребывания воды в водоносном горизонте. Этот благородный газообразный радиоизотоп естественным образом образуется в атмосфере и попадает в водоносный горизонт с дождевой водой. По уменьшению его радиоактивности по сравнению с предполагаемым постоянным атмосферным уровнем можно определить, как долго эта вода не контактировала с атмосферой.

Наиболее распространенными трассерами для датирования являются углерод-14 (период полураспада ~5000 лет, определяет воду возрастом 1000–30000 лет) и тритий (период полураспада 12 лет, для молодой воды). Аргон-39 с периодом полураспада 269 лет является промежуточным трассером, заполняющим пробел в масштабе около 100 лет.

Измерения аргона-39 заставляют пересмотреть оценки

В исследовании использовался набор радиоактивных трассеров для датирования проб из 17 скважин в долине Сан-Хоакин. Включение измерений аргона-39 позволило ученым детальнее изучить, как сельскохозяйственная деятельность середины XX века (например, внесение карбонатных мелиорантов в почву и методы орошения) повлияла на высокий уровень карбонатов в водоносном горизонте. Это, в свою очередь, может искажать надежность результатов широко используемого датирования по углероду-14.

Исследователи обнаружили, что обычное датирование по углероду-14 для вод долины «существенно завышает время пребывания и, тем самым, недооценивает подверженность современному загрязнению». Поскольку карбонатные мелиоранты широко распространены, другие сельскохозяйственные регионы, зависящие от подземных вод, могут быть затронуты аналогично.

PNNL — одна из немногих лабораторий в мире, способных измерить аргон-39

PNNL обладает научным опытом и специализированным оборудованием для проведения сверхнизкоуровневых измерений аргона-39 по его радиоактивному распаду. Эта способность обеспечивается высокочувствительными детекторами радиации, созданными учеными PNNL из сверхчистой меди. Измерения проводятся на глубине 60 футов под землей в Неглубокой подземной лаборатории PNNL, где оборудование снижает фоновое излучение на 99%.

Работа с аргоном-39 ведется в рамках Программы сверхчувствительных ядерных измерений PNNL, которая изначально развивала инструменты для поддержки ядерного нераспространения в рамках миссии национальной безопасности. Технология, используемая для обнаружения аргона-37 (с гораздо меньшим периодом полураспада) для контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, оказалась идеально подходящей и для измерений аргона-39.