De Negev-woestijn, die de helft van Israëls landmassa beslaat, is zo droog dat delen ervan minder dan vijf centimeter water per jaar krijgen. Maar eronder is water dat de mensen en de landbouw in de regio ondersteunt. Begrijpen waar het vandaan komt, hoeveel is er, en wat ermee gebeurt, is van cruciaal belang voor de veiligheid en toewijzing van die cruciale hulpbron.

Onderzoekers van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev in Israël werken samen met collega's van de Universiteit van Chicago en het gelieerde Argonne National Laboratory om het Nubian Sandstone Aquifer-systeem beter te begrijpen, die onder een groot deel van de Negev en andere delen van Israël ligt.

Door de baanbrekende radiokrypton-dateringstechniek van Argonne te combineren met andere isotopenkenmerken van de samenstelling van het water, de onderzoekers kunnen niet alleen zien wanneer dat water is afgezet, maar waar het vandaan kwam en de klimatologische omstandigheden die het tot bijna 400 produceerden, 000 jaar geleden. Het resultaat, gedetailleerd in een nieuwe studie in de Proceedings van de National Academy of Sciences , is de eerste keer dat wetenschappers grondwater hebben kunnen gebruiken om een ​​beeld te vormen van het water van oude klimaten die zo ver teruggaan.

"Schoon water is van vitaal belang voor het in stand houden van het leven, en we moeten de toekomstige beschikbaarheid van water kunnen voorspellen naarmate de opwarming van de aarde vordert - wat afhangt van het begrijpen van de waterverdeling tijdens voorbije warmere en koudere periodes, " zei Reika Yokochi, onderzoek universitair hoofddocent bij de afdeling Geofysische Wetenschappen aan de Universiteit van Chicago en de eerste auteur van de studie. "Dit project laat ons zien dat deze tools echt transformatief kunnen zijn - waterbeweging veel verder traceren dan we eerder konden."

Atomen vangen voor aanwijzingen

"De watervoerende lagen onder de Negev worden vandaag niet aangevuld, dus blijkbaar waren er tijden dat er veel meer regen was in de regio die ondergronds verzamelde, " zei Peter Müller, een fysicus bij Argonne's Trapped Radioisotope Analysis Center, of TRACER.

Om te bepalen wanneer en hoe dat kan zijn gebeurd, het team verzamelde water uit meer dan 20 putten in het gebied, variërend van 900 tot 4, 850 meter diep. Vervolgens, met behulp van een apparaat uitgevonden in Yokochi's lab, ze scheidden het kryptongas af en analyseerden het met behulp van een technologie genaamd Atom Trap Trace Analysis (ATTA).

ATTA meet water op sporen van de zeldzame isotoop krypton-81, die water tot 1,5 miljoen jaar oud kan dateren. Dit verhoogt het veel verder dan het bereik van radiokoolstofdatering, die niet nauwkeurig kan reiken dan ongeveer 40, 000 jaar.

De ATTA-analyse suggereerde dat het water in de putten zich ophoopte door middel van twee grote "oplaadbeurten" - een van ongeveer 360, 000 jaar geleden en een die minder dan 40 plaatsvond, 000 jaar geleden. Beide perioden vielen samen met over het algemeen koelere klimaten. Deze "regionale vochtige perioden" waren rijp voor de ontwikkeling van stormen die voldoende regen konden leveren om de watervoerende lagen van de Negev aan te vullen.

Het team combineerde de krypton-81-analyse met deuterium, een isotoop van waterstof zwaarder dan die in "gewoon" water. Omdat deuterium een ​​heel andere massa heeft dan waterstof, het gedraagt ​​zich anders tijdens waterverdamping, die uiteindelijk wolken en regen worden. Wanneer de verdamping snel gebeurt, als over de Middellandse Zee, het vertoont een eigenaardige signatuur in vergelijking met wereldwijde neerslagtrends.

Zo kunnen wetenschappers een waterlichaam "vingerafdrukken" op basis van de specifieke handtekening van zijn stabiele isotopen. Elk klimaatpatroon plaatst zijn eigen stempel in die handtekening, aldus de onderzoekers. Dit hielp hen erachter te komen dat de complexe signatuur het resultaat was van het mengen van twee verschillende waterlichamen - en ook wanneer en waar ze werden aangevuld, en waar het water vandaan komt.

Duiken in het oude water

Door dit proces, het team stelde vast dat het water van de twee oplaadevenementen uit twee verschillende bronnen kwam. ongeveer 400, 000 jaar geleden was de regio koeler dan nu, en er wordt aangenomen dat er vocht uit de Atlantische Oceaan is aangevoerd in de vorm van tropische pluimen. De meer recente herlading, minder dan 40, 000 jaar geleden, mogelijk het gevolg zijn van cyclonen in de Middellandse Zee tijdens de laatste keer dat gletsjers op hun hoogst waren, het laatste glaciale maximum genoemd.

"Voor zover we weten, dit was de eerste keer dat grondwater direct kon worden gebruikt als klimaatarchief op deze lange tijdschalen, " zei Jake Zappala van Argonne, postdoctoraal aangestelde bij het TRACER Center. "Met behulp van de radiokrypton-datering, we kunnen zeggen wanneer het regende, en de verhouding tussen zwaar en licht water vertelt ons direct iets over het weerpatroon. We hebben dus een directe correlatie tussen tijd en regionale weerpatronen."

Een ander interessant punt is dat het water uit de buurt van een aardbevingsbreukzone kwam, zei Yokochi. "Dit kan erop wijzen dat breuken kunnen dienen als een 'muur' die relatief zoet water gedurende honderdduizenden jaren vasthoudt, "zei ze. "Het is mogelijk dat soortgelijke opslagplaatsen bestaan ​​langs andere breukzones over de hele wereld."

Daten, het verkrijgen van betrouwbare neerslaggegevens uit het verleden is moeilijk gebleken, net als het voorspellen van regionale veranderingen voor klimaatmodellen in het heden. De combinatie van isotopentools die door het team worden gebruikt, kan een deel van het antwoord zijn om beide op te lossen.

Aangezien de tools een betrouwbaarder beeld blijven geven van klimaatgebeurtenissen in het verleden, zoals de regionale waterkringlopen van de Negev, de onderzoekers geloven dat deze gegevens kunnen dienen om hedendaagse modellen van vergelijkbare klimaatfenomenen te kalibreren.

"Voorspelt jouw klimaatmodel het juiste neerslagpatroon 400, 000 jaar geleden?" vroeg Mueller. "Met behulp van onze gegevens, modelbouwers kunnen terug in de tijd rekenen om te zien of hun model klopt. Dat is een van de belangrijkste dingen die we kunnen bieden."