Wetenschappers krijgen diepere inzichten in hoe landbouwpraktijken het grondwater beïnvloeden, Mede dankzij een isotoop-grondwater-dateringstechniek mogelijk gemaakt door ultragevoelige stralingsmetingen in het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het Amerikaanse Department of Energy.

In een recente studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang tijdschrift, natuurkundigen van PNNL werkten samen met de Woods Hole Oceanographic Institution, Amerikaanse geologische dienst, en Argonne National Laboratory om isotopendatering te gebruiken om de leeftijd van grondwatermonsters uit de San Joaquin Valley in Californië te schatten.

Grondwaterleeftijden kunnen belangrijke aanwijzingen geven over mogelijke verontreinigingen in de watervoerende laag, en hoe vaak en uit welke bronnen de grondwaterspiegel wordt aangevuld. Wetenschappers gebruiken deze informatie om de kwetsbaarheid van grondwater voor verontreiniging en uitputting te voorspellen, grondwaterstroming beter te begrijpen, om de modelkalibratie te verbeteren, en om waterbeheerpraktijken te informeren.

De Californische studie maakte gebruik van het zeldzame vermogen van PNNL om argon-39 te meten om grondwater te identificeren dat de watervoerende laag tussen 50 en 1 is binnengekomen. 000 jaar geleden - een periode die doorgaans niet wordt gedekt door andere gebruikelijke grondwatertracers. PNNL is een van de slechts twee laboratoria ter wereld met dit vermogen.

Met de argon-39 metingen, onderzoekers begrijpen nu beter hoe landbouwpraktijken in het midden van de 20e eeuw de chemie van het grondwater hebben veranderd en, als resultaat, beïnvloedde de betrouwbaarheid van de meer conventionele koolstof-14-grondwaterdateringstechniek.

De studie was de eerste keer dat de ultragevoelige stralingsmeetmogelijkheden van PNNL werden gebruikt als onderdeel van een gezamenlijke studie om een ​​probleem in de grondwaterwetenschap op te lossen.

"Dit is een van de eerste kansen die we hebben gehad om samen te werken met ondergrondse transport- en hydrologiegemeenschappen om dit vermogen te gebruiken om een ​​vraag in de grondwaterwetenschap te beantwoorden, " zei PNNL-natuurkundige en laboratoriumgenoot Craig Aalseth. "Dit is een grote mijlpaal voor ons, maar hoe we hier kwamen is nog interessanter, omdat we stukjes van ons fundamentele natuurkundige werk en ons nationale veiligheidswerk hebben genomen om deze mogelijkheid samen te stellen."

Argon-39 vult ouderdomskloof in grondwater

"Argon-39 vult een ontbrekend stuk als onderdeel van een grotere reeks radiotracers die grondwaterwetenschappers helpen de verblijftijden van grondwater beter te begrijpen - en PNNL is daar een belangrijk onderdeel van, " zei Emily Mace, een PNNL-fysicus die heeft bijgedragen aan het onderzoek.

Het opsporen van in water opgeloste radioactieve isotopen is een gebruikelijke benadering voor het schatten van de ouderdom van het grondwater. Echter, argon-39 is van oudsher onderbenut als tracer voor grondwaterdatering. De lange halfwaardetijd en ultralage radioactiviteit van de radio-isotoop van edelgas maken het moeilijk om met conventionele technieken te meten.

Argon-39 wordt van nature in de atmosfeer geproduceerd en komt via regenwater in de watervoerende laag terecht.

"Door te kijken naar de afname van de radioactiviteit van de tracer in vergelijking met het veronderstelde constante atmosferische niveau, je kunt zien hoe lang dat water niet in contact is geweest met de atmosfeer, ' zei Mace.

Omdat bepaalde isotopen met bekende snelheden vervallen, wetenschappers kunnen het radioactieve verval van verschillende tracers meten om te schatten wanneer het water de aquifer binnenkwam.

Koolstof-14 en tritium behoren tot de twee meest voorkomende radiotracers die worden gebruikt voor het dateren van grondwater. Koolstof-14 heeft een halfwaardetijd van ongeveer 5, 000 jaar en wordt gebruikt om water te identificeren dat tussen 1 000 en 30, 000 jaar geleden. Tritium heeft een halfwaardetijd van slechts 12 jaar en is nuttig voor het dateren van jong water van ongeveer tien jaar oud.

Met koolstof-14 en tritium aan weerszijden van de tijdschaal, er was een groot leeftijdsverschil in de verblijftijd van grondwater - totdat PNNL tussenbeide kwam om het te vullen.

"Argon-39 is een middelmatige leeftijdstracer die dat gat in het midden opvult, " zei Mace. "Met een halfwaardetijd van 269 jaar, het stelt ons in staat om naar dingen te kijken op een schaal van 100 jaar, dus het past echt in een ontbrekende niche voor grondwaterwetenschappers."

Argon-39-metingen helpen wetenschappers om schattingen van grondwater te heroverwegen

De onderzoekers van het grondwateronderzoek in Californië gebruikten een reeks radioactieve tracers om monsters te dateren uit 17 putten in de San Joaquin Valley. Het grote landbouwgebied is sterk afhankelijk van grondwater voor irrigatie.

Door argon-39-metingen in het onderzoek op te nemen, de wetenschappers konden nader bekijken hoe landbouwactiviteiten in het midden van de 20e eeuw - zoals carbonaatbodemveranderingen en irrigatiemethoden - de hoge carbonaatniveaus van de watervoerende laag beïnvloedden en, beurtelings, vertroebelt mogelijk de betrouwbaarheid van de resultaten van veelgebruikte koolstof-14-dateringstechnieken.

Het gebruik van hulpmiddelen zoals argon-39 "biedt belangrijke beperkingen voor het ontwarren van de effecten van het mengen van grondwater en opgeloste anorganische koolstof op koolstof-14, " zeiden de auteurs.

De onderzoekers ontdekten dat conventionele koolstof-14-datering van het grondwater van de San Joaquin Valley "de verblijftijd aanzienlijk overschat en daardoor de gevoeligheid voor moderne verontreiniging onderschat. Omdat carbonaatbodemveranderingen alomtegenwoordig zijn, andere grondwaterafhankelijke landbouwgebieden kunnen op soortgelijke wijze worden beïnvloed."

PNNL is een van de weinige wereldwijd die argon-39 . meet

PNNL is een van de slechts twee laboratoria ter wereld met de wetenschappelijke expertise en gespecialiseerde hulpmiddelen om ultra-lage metingen van argon-39 te doen door te kijken naar het radioactieve verval ervan. De andere is de Universiteit van Bern in Zwitserland.

"Argon-39 is historisch moeilijk te meten om vele redenen, "Zei Aalseth. "Het heeft geen erg specifieke handtekening (isotoopvingerafdruk), het vereist gespecialiseerde argonchemie, en de snelheid van radioactiviteit is erg laag vanwege de lange halfwaardetijd, dus je hebt een zeer lage achtergrondmeting nodig.

"Dat zijn allemaal dingen die PNNL voor dit onderzoek bij elkaar heeft kunnen brengen, " hij zei.

Het vermogen van PNNL om argon-39 te meten wordt mogelijk gemaakt door zeer gevoelige stralingsdetectoren die door wetenschappers van PNNL zijn ontworpen en gebouwd van ultrapuur koper. De ultragevoelige metingen worden 60 voet onder de grond genomen in het Shallow Underground Laboratory van PNNL. De faciliteit is uitgerust met ultra-lage stralingsdetectie-instrumenten die interferentie van achtergrondstraling - of straling die in de natuurlijke omgeving voorkomt - met 99% vermindert.

PNNL's werk met argon-39 komt van zijn Ultra-Sensitive Nuclear Measurements Program, waaronder het ontwikkelen van zeer gevoelige stralingsdetectietools om nucleaire non-proliferatie te ondersteunen als onderdeel van de nationale veiligheidsmissie van PNNL.

één technologie, meerdere toepassingen

"Het blijkt dat dezelfde technologie die we gebruiken voor het detecteren van argon-37 - een isotoop met een veel kortere halfwaardetijd - om instrumenten te bieden om zaken als de naleving van het Comprehensive Nuclear-Test-Ban-verdrag te controleren, ook bijzonder goed is voor het meten van argon-39 en ideaal voor het bepalen van tijdschalen zoals die belangrijk zijn voor grondwater, " zei Aalseth, die het programma voor ultragevoelige nucleaire metingen leidt.

Aalseth zei dat de samenwerking op het gebied van grondwateronderzoek een voorbeeld is van wat er kan gebeuren als multidisciplinaire teams samenwerken om op wetenschap gebaseerde oplossingen te ontwikkelen die kunnen worden toegepast om moeilijke uitdagingen in missieruimten aan te pakken - van nationale veiligheid tot aardwetenschappen tot fundamentele fysica.

"We zien de argon-39-leeftijdsdateringsmeting als een indicator voor wat er nog meer mogelijk is, "zei hij. "Bijvoorbeeld, er zijn andere isotopenmetingen die zeer waardevol kunnen zijn voor de milieuwetenschappelijke gemeenschap, en dat zijn bruggen die we heel graag willen bouwen."