Aangezien de stijgende zeespiegel kustgebieden bedreigt, wetenschappers gebruiken een opkomende nucleaire dateringstechniek om de ins en outs van de waterstroom te volgen.

Florida staat bekend om water. Tussen de stranden, moerassen, stormen en vochtigheid, de staat is doorweekt. En onder het hele oppervlak ligt de grootste zoetwateraquifer van het land.

De Floridan Aquifer produceert elk jaar 1,2 biljoen gallons water - dat zijn bijna 2 miljoen olympische zwembaden. Het dient als een primaire bron van drinkwater voor meer dan 10 miljoen mensen en ondersteunt de irrigatie van meer dan 2 miljoen hectare. Het bevoorraadt ook duizenden meren, bronnen en moerassen, en de omgevingen die ze koesteren.

"De gegevens van slechts een paar voorbeelden zijn rijk aan mogelijkheden, en deze studie demonstreert het grote potentieel van krypton-81 op meerdere gebieden van geochemie, ", zegt Argonne National Laboratory-wetenschapper Peter Mueller.

Maar als gletsjers smelten door de opwarming van de aarde, stijgende zeespiegels bedreigen deze waterbron - en andere watervoerende lagen aan de kust - met het binnendringen van zout water. Het is belangrijker dan ooit om de geschiedenis en het gedrag van water in deze watervoerende lagen te bestuderen. en de dynamische watersystemen van Florida maken het tot een uitstekend testbed.

In een onderzoek onder leiding van de Universiteit van Chicago, wetenschappers pasten een dateringstechniek toe die is ontwikkeld door kernfysici van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), dat een radioactieve versie van het element krypton gebruikt om de oorsprong en stroming van zoet en zout water in de Floridan Aquifer te bestuderen. Hun bevindingen tonen de belofte aan van deze nieuwe techniek om de effecten van klimaatverandering op kustwatervoerende lagen te helpen begrijpen en voorspellen, om waterbeheer te informeren en inzicht te geven in andere geologische processen.

Krypton tellen

Om de stroming van water in de aquifer te bestuderen, de wetenschappers gebruikten het TRACER Center in Argonne om radiokrypton-datering uit te voeren. Deze techniek werkt volgens dezelfde principes als koolstofdatering, waarbij de ouderdom van iets wordt bepaald op basis van de hoeveelheid van een bepaald element dat nog in het monster aanwezig is. Maar in plaats van koolstof, het maakt gebruik van de radioactieve isotoop krypton-81.

Een kleine hoeveelheid krypton-81 wordt van nature in de atmosfeer geproduceerd en kan oplossen in de waterdruppels in wolken en watermassa's. Zodra het water ondergronds gaat, het stopt met het absorberen van krypton-81 uit de atmosfeer, en wat overblijft verandert in de loop van de tijd langzaam in andere elementen.

Als wetenschappers de verhouding tussen de krypton-81 in het water en in de atmosfeer kunnen achterhalen, ze kunnen berekenen hoe lang het onder de grond heeft gelegen.

"Dit is een enorme uitdaging, " zei Peter Mueller van de afdeling Natuurkunde van Argonne. "Omdat krypton-81 zo zeldzaam is, je hebt zeer gevoelige meetinstrumenten nodig om de kleine hoeveelheid in een monster te detecteren."

Slechts één op de miljoen atomen in de atmosfeer is krypton. Bovendien, slechts één op een biljoen krypton-atomen is specifiek krypton-81. Dit laat zo weinig atomen over om te detecteren in een monster dat wetenschappers ze één voor één tellen met behulp van een techniek genaamd Atom Trap Trace Analysis, ontwikkeld in Argonne.

Het team verzamelde monsters uit acht putten die uit de watervoerende laag tapten en haalde het in het water opgeloste gas eruit. inclusief de krypton-81. In het TRACER-centrum, ze stuurden het gas door een bundellijn waar zes laserstralen samenkomen om een ​​val te creëren die uniek is voor de isotoop van belang (in dit geval, krypton-81). De gevangen atomen verschijnen op een camera, en wetenschappers kunnen ze aftellen tot het individuele atoom.

Deze studie is de eerste toepassing van radiokrypton-datering op de Floridan Aquifer.

Er is goed nieuws en slecht nieuws

Sommige van de monsters bevatten 40, 000 jaar oud zout water van net voor het laatste glaciale maximum rond de 25, 000 jaar geleden, toen veel van het water dat zich nu in de oceaan bevindt, werd gevangen in enorme gletsjers. Gedurende deze periode, de zeespiegel was meer dan 100 meter lager dan nu.

"Vanwege de opwarming van de aarde, de zeespiegel stijgt, waardoor zeewater zoetwaterbronnen bederft, " zei Reika Yokochi, onderzoeksprofessor aan de Universiteit van Chicago en hoofdwetenschapper van het onderzoek. "Door de aanwezigheid van het matig oude water blijft er zout water in de aquifer als het eenmaal binnenkomt. Dit is slecht nieuws. We moeten de mate van deze vervuiling tot een minimum beperken."

Hoewel de zoute monsters zorgwekkend zijn, er is goed nieuws, te. De wetenschappers bevestigden dat het water in het zuidelijke deel van de Floridan Aquifer tijdens de laatste ijstijd (ergens tussen 12, 000 tot 115, 000 jaar geleden), het huidige begrip van zoetwaterdynamiek versterken.

"We vonden ook een monster met relatief jong zoetwater, wat goed nieuws is voor Florida, want het betekent dat het water actief stroomt en hernieuwd wordt in de buurt van centraal Florida, ' zei Yokochi.

Nieuwe techniek met groot potentieel

Radiokrypton-dating is een relatief nieuwe techniek, en de wetenschappers zijn nog maar net begonnen. Deze tool heeft een ongelooflijk potentieel om ontdekkingen in de natuurkunde te stimuleren, geologie en daarbuiten.

Bijvoorbeeld, wetenschappers gewapend met radiokrypton-datering kunnen het water in kustwatervoerende lagen gebruiken als potentiële boodschappers van veranderingen in watercycli en de samenstelling van oud zeewater. De techniek kan ook inzicht verschaffen in de beweging van elementen over land-oceaangrenzen heen, die invloed heeft op kooldioxide (CO ₂ ) niveaus in de atmosfeer.

"Als water aan de oppervlakte of ondergronds stroomt, het reageert met omringende rotsen en pikt handtekeningen op die een verhaal vertellen, " zei Yokochi. "Deze informatie kan helpen bij het verbeteren en valideren van onze modellen van de systemen van de aarde en de cyclus van de elementen, die nauw verbonden zijn met het mondiale klimaat."

Radiokrypton-datering dient ook als aanvulling op koolstofdatering wanneer uitgevoerd op dezelfde monsters. Wetenschappers kunnen resultaten van radiokrypton-datering gebruiken om koolstofdateringsanalyse te kalibreren. Eenmaal gecorrigeerd, de koolstofgegevens kunnen extra inzicht geven, vooral op de snelheden van water-carbonaatreacties.

"Als je zo'n nieuw hulpmiddel hebt en het voor de eerste keer toepast, zelfs in een watervoerende laag die veel is bestudeerd, ineens krijg je een nieuw perspectief en nieuw inzicht, "zei Mueller. "De gegevens van slechts een paar voorbeelden zijn rijk aan mogelijkheden, en deze studie toont het grote potentieel van krypton-81 op meerdere gebieden van de geochemie aan."