Wij tikken erop, pomp het en teken het van onder het oppervlak van elk denkbaar landschap, van woestijn tot goed onderhouden tuin in de voorsteden. Het is het enige essentiële ingrediënt dat nodig is om het leven in stand te houden. Water.

Het is dus geen wonder dat we ons voortdurend afvragen waar het vandaan komt, waar het heen gaat, hoeveel er beschikbaar is en of het drinkbaar is en blijft.

Dankzij buitengewoon zeldzame isotopen van krypton (Kr) en het innovatieve handwerk van onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), we kunnen nu veel van die vragen beantwoorden die voorheen niet met meer traditionele methoden konden worden beantwoord.

Een uniek, op laser gebaseerd, atoomteltechniek genaamd Atom Trap Trace Analysis (ATTA), ontwikkeld met steun van DOE's Nuclear Physics-programma, helpt natuurkundigen in Argonne om selectief de isotopen te vangen en te tellen ⁸¹ Kr and ⁸⁵ Kr om de leeftijd van ijs en grondwater te bepalen. De resultaten geven waardevolle informatie over de dynamiek, stroomsnelheden en richting van water in aquifers, vooral die welke van vitaal belang zijn voor droge gebieden.

Verfijningen van de ATTA-techniek die in Argonne wordt gebruikt, maken de verkenning van nieuwe isotopen voor tussenliggende leeftijdsgroepen mogelijk, naast het beschikbaar stellen van deze technologie, Voor de eerste keer, voor de aardwetenschappelijke gemeenschap in het algemeen.

Wortels van grondwater dating

Oorspronkelijk gebruikt om fundamentele natuurkundige vragen te bestuderen, in Argonne werden in 1997 lasergebaseerde atoomkoelings- en vangtechnieken voor grondwaterdatering ontwikkeld.

Argonne blijft een van de slechts twee van dergelijke locaties ter wereld waar ATTA specifiek wordt gebruikt voor krypton-dateringsmetingen; de andere is aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie in China.

Dit proces van het gebruik van radioactieve isotopen van krypton tot op heden wordt radiokrypton-datering genoemd. en de voordelen ervan vormen een aanvulling op die van meer gevestigde technieken, zoals radiokoolstofdatering.

Radioactieve isotopen worden gekenmerkt door hun halfwaardetijd, of de tijd die nodig is voor de helft van de atomen om in een ander element te vervallen. In dit geval, de helft van ⁸¹ Kr-atomen zullen na 230 vervallen tot het element broom, 000 jaar. Onderzoekers kunnen dit proces gebruiken om ijs of water te dateren met een leeftijdsbereik van ongeveer 50, 000 tot 2 miljoen jaar. Deze leeftijdscategorie is belangrijk omdat radiokoolstofdatering geen monsters kan dateren die ouder zijn dan 50, 000 jaar oud.

"Een ander voordeel van ⁸¹ Kr is dat het een van de edelgassen is, die chemisch inactief zijn. Dat betekent dat het niet betrokken raakt bij chemische reacties in de atmosfeer of onder de grond en geen correcties vereist die je moet maken met atomen zoals koolstof, die chemisch zeer actief is, " zei Jake Zappala, een postdoctoraal aangestelde in de natuurkunde-divisie van Argonne, die nauw betrokken is geweest bij de recente ATTA-ontwikkelingen.

Natuurlijk geproduceerd in de atmosfeer door kosmische straling, ⁸¹ Kr-atomen infiltreren in oppervlaktewater of worden tijdens de vorming in ijs gevangen. Eenmaal gescheiden van de atmosfeer, deze kleine nucleaire klokken beginnen te tikken, en de isotopen beginnen hun langzame verval terwijl ze worden meegevoerd met de ondergrondse beweging van water en ijs.

Deze isotoop detecteren, Hoewel, is enorm uitdagend. Krypton is verantwoordelijk voor één deel per miljoen van alle atomen in de atmosfeer, en minder dan één op elke biljoen daarvan is een atoom van ⁸¹ Kr.

Monsterverzameling en analyse

Ondanks de schaarste van krypton, het proces om het vandaag te verzamelen lijkt relatief eenvoudig in vergelijking met 20 jaar geleden. Waar verzamelen in het veld ooit een onpraktische onderneming was waarvoor tienduizenden liters water nodig waren, de nieuwe technologie van de datingfaciliteit heeft het proces met ordes van grootte verbeterd, verklaarde natuurkundige Peter Mueller, hoofdonderzoeker van de instelling.

Nutsvoorzieningen, monsters worden verzameld met behulp van een gasextractiesysteem dat in grootte varieert van de afmetingen van een grote rugzak tot robuustere units die in het bed van een compacte SUV passen en slechts 100-200 liter water nodig hebben.

De hoeveelheid ijs die nodig is om voldoende gas te winnen, is de afgelopen jaren ook dramatisch gedaald, van 300 tot 20 kilogram.

Het gereedschap, in feite, zijn gestroomlijnd tot het punt waarop gebruikers van de faciliteiten kunnen worden uitgerust met compacte gasextractiesystemen voor hun veldwerk en de gewonnen monsters vervolgens rechtstreeks naar Argonne kunnen sturen voor analyse.

"We hebben aangetoond dat de techniek echt nuttig is, "zei Mueller. "Maar nu is ons doel om het onderdeel te maken van de standaard toolkit voor hydrologen."

Om de leeftijd van een monster te bepalen, het gezuiverde kryptongas wordt in de ATTA-bundellijn geïnjecteerd, waar laserlicht selectief afkoelt en atomen van ⁸¹ Kr, ⁸⁵ Kr - een isotoop met een halfwaardetijd van 10 jaar - en de stabiele isotoop ⁸³ Kr, ¬over een afwisselende cyclus van 5 minuten.

Omdat elke isotoop een iets andere elektronische structuur heeft, de laser kan worden afgestemd op een specifieke, perfecte selectiviteit bieden. Die specifieke atomen worden gevangen in een 3D magneto-optische val aan het einde van de bundellijn, waar een camera met gevoelige ladingsgekoppelde apparaten (CCD) een foto maakt, een manier bieden om de atomen één voor één te tellen.

Het aantal atomen dat in een bepaalde tijd wordt geteld, is recht evenredig met de overvloed van deze isotoop in het monster. Zodra de monstermeting is voltooid - meestal binnen 2 tot 4 uur - wordt een gekalibreerd referentiegas van zuiver krypton met de natuurlijke atmosferische overvloed in het systeem geïnjecteerd en op dezelfde manier gemeten ter vergelijking.

"Als de telsnelheid van ⁸¹ Kr-atomen in het monster is slechts de helft van die in het referentiegas, we weten dat gemiddeld 230, 000 jaar zijn verstreken sinds het water of ijs in contact is geweest met de atmosfeer, ' zei Muller.

Toepassingen en voordelen

Met behulp van de ATTA-techniek, Argonne-onderzoekers hebben al ijs en water bemonsterd uit veel verschillende omgevingen en leeftijdscategorieën. Gedateerd op 120, 000 jaar oud, oude ijskernmonsters van Taylor Glacier, op Antartica, hielp verifiëren ⁸¹ Kr's vermogen om ijs nauwkeurig te dateren en zijn nu van belang voor klimaatonderzoeksstudies. Een onderzoek van zo'n 70 putten in Israël zal helpen bij het bepalen van de stroming en mengdynamiek in watervoerende lagen zo oud als 600, 000 jaar en verschaffen cruciale informatie over de duurzaamheid op lange termijn van deze cruciale hulpbron.

Argonne heeft bij tientallen van deze projecten geassisteerd, verspreid over alle zeven continenten, ontworpen om water- en ijsstroming te bestuderen.

Om de reikwijdte van hun werk te vergroten, het Argonne-team is bezig met het bouwen van een nieuwe gebruikersfaciliteit en beamline, die zou dienen als het werkpaard van het laboratorium, waardoor de aantrekkingskracht van de bredere geowetenschappengemeenschap effectief wordt vergroot. Het bestaande instrument zal blijven dienen als onderzoeks- en ontwikkelingsinstrument om de techniek van het vangen van atomen verder te verbeteren.