Gli scienziati stanno acquisendo informazioni più approfondite su come le pratiche agricole influenzano le acque sotterranee, grazie in parte a una tecnica di datazione dell'età delle acque sotterranee degli isotopi resa possibile dalle misurazioni delle radiazioni ultrasensibili presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

In un recente studio pubblicato su Progressi scientifici rivista, fisici del PNNL hanno collaborato con la Woods Hole Oceanographic Institution, US Geological Survey, e l'Argonne National Laboratory di utilizzare la datazione isotopica per stimare l'età dei campioni di acque sotterranee della San Joaquin Valley in California.

L'età delle acque sotterranee può rivelare importanti indizi sui potenziali contaminanti nella falda acquifera, e con quale frequenza e da quali fonti la falda acquifera si rifornisce. Gli scienziati utilizzano queste informazioni per prevedere la vulnerabilità delle acque sotterranee alla contaminazione e all'esaurimento, per comprendere meglio il flusso delle acque sotterranee, per migliorare la calibrazione del modello, e per informare le pratiche di gestione dell'acqua.

Lo studio della California ha sfruttato la rara capacità del PNNL di misurare l'argon-39 per identificare le acque sotterranee che sono entrate nella falda acquifera tra 50 e 1, 000 anni fa, un periodo di tempo generalmente non coperto da altri comuni traccianti delle acque sotterranee. PNNL è uno dei due soli laboratori al mondo con questa capacità.

Con le misurazioni dell'argon-39, i ricercatori ora comprendono meglio come le pratiche agricole della metà del XX secolo possano aver cambiato la chimica delle acque sotterranee e, di conseguenza, influenzato l'affidabilità della più convenzionale tecnica di datazione delle acque sotterranee al carbonio-14.

Lo studio è stata la prima volta che le capacità di misurazione delle radiazioni ultrasensibili del PNNL sono state utilizzate come parte di uno studio collaborativo per risolvere un problema nella scienza delle acque sotterranee.

"Questa è una delle prime opportunità che abbiamo avuto di lavorare con le comunità dei trasporti sotterranei e dell'idrologia per utilizzare questa capacità per rispondere a una domanda nella scienza delle acque sotterranee, " ha detto il fisico PNNL e ricercatore di laboratorio Craig Aalseth. "Questo è un grande traguardo per noi, ma come siamo arrivati ​​qui è ancora più interessante, perché abbiamo preso pezzi del nostro lavoro di fisica fondamentale e del nostro lavoro di sicurezza nazionale per mettere insieme questa capacità".

Argon-39 colma il divario di età delle acque sotterranee

"Argon-39 riempie un pezzo mancante come parte di una suite più ampia di radiotraccianti che aiutano gli scienziati delle acque sotterranee a comprendere meglio i tempi di residenza delle acque sotterranee, e il PNNL è una parte fondamentale di ciò, " ha detto Emily Mace, un fisico del PNNL che ha contribuito allo studio.

Il tracciamento degli isotopi radioattivi disciolti nell'acqua è un approccio comune per stimare l'età delle acque sotterranee. Però, argon-39 è stato storicamente sottoutilizzato come tracciante per la datazione delle acque sotterranee. La lunga emivita e la radioattività ultrabassa del radioisotopo del gas nobile rendono difficile la misurazione con le tecniche convenzionali.

L'argon-39 è prodotto naturalmente nell'atmosfera ed entra nella falda acquifera attraverso l'acqua piovana.

"Osservando la diminuzione della radioattività del tracciante rispetto al presunto livello atmosferico costante, puoi dire da quanto tempo quell'acqua è stata fuori contatto con l'atmosfera, " disse Mace.

Poiché alcuni isotopi decadono a velocità note, gli scienziati possono misurare il decadimento radioattivo di vari traccianti per stimare quando l'acqua è entrata nella falda acquifera.

Il carbonio-14 e il trizio sono tra i due radiotraccianti più comuni utilizzati per datare le acque sotterranee. Il carbonio-14 ha un'emivita di circa 5, 000 anni e viene utilizzato per identificare l'acqua che è entrata nella falda acquifera tra 1, 000 e 30, 000 anni fa. Il trizio ha un'emivita di soli 12 anni ed è utile per datare l'acqua giovane intorno ai dieci anni.

Con carbonio-14 e trizio alle estremità opposte della scala temporale, c'è stato un grande divario di età nei tempi di residenza delle acque sotterranee, fino a quando il PNNL è intervenuto per colmarlo.

"Argon-39 è un tracciante dell'età intermedia che colma quella lacuna proprio nel mezzo, " Mace ha detto. "Con un'emivita di 269 anni, ci permette di guardare le cose su una scala di 100 anni, quindi si adatta davvero a una nicchia mancante per gli scienziati delle acque sotterranee".

Le misurazioni dell'argon-39 aiutano gli scienziati a ripensare alle stime delle acque sotterranee

I ricercatori dello studio sulle acque sotterranee della California hanno utilizzato una serie di traccianti radioattivi per datare campioni provenienti da 17 pozzi nella San Joaquin Valley. La grande regione agricola dipende in larga misura dalle acque sotterranee per l'irrigazione.

Includendo le misurazioni dell'argon-39 nello studio, gli scienziati sono stati in grado di osservare più da vicino come le attività agricole della metà del 20 ° secolo, come gli emendamenti del suolo con carbonato e i metodi di irrigazione, hanno influenzato gli alti livelli di carbonato della falda acquifera e, a sua volta, potenzialmente oscura l'affidabilità dei risultati delle tecniche di datazione al carbonio-14 ampiamente utilizzate.

L'utilizzo di strumenti come l'argon-39 "fornisce vincoli chiave per districare gli impatti della miscelazione delle acque sotterranee e del carbonio inorganico disciolto sul carbonio-14, " hanno detto gli autori.

I ricercatori hanno scoperto che la datazione convenzionale al carbonio-14 delle acque sotterranee della San Joaquin Valley "sostanzialmente sopravvaluta il tempo di residenza e quindi sottovaluta la suscettibilità alla moderna contaminazione. Poiché gli emendamenti carbonatici del suolo sono onnipresenti, altre regioni agricole dipendenti dalle acque sotterranee potrebbero essere colpite allo stesso modo".

PNNL è tra i pochi al mondo a misurare l'argon-39

Il PNNL è uno dei due soli laboratori al mondo con le competenze scientifiche e gli strumenti specializzati per effettuare misurazioni a bassissimo livello di argon-39 osservando il suo decadimento radioattivo. L'altro è l'Università di Berna in Svizzera.

"Argon-39 è storicamente difficile da misurare per molte ragioni, " Ha detto Aalseth. "Non ha una firma molto specifica (impronta digitale isotopica), richiede chimica dell'argon specializzata, e il tasso di radioattività è molto basso a causa della lunga emivita, quindi hai bisogno di una misurazione molto bassa.

"Sono tutte cose che PNNL è stata in grado di mettere insieme per questo studio, " Egli ha detto.

La capacità del PNNL di misurare l'argon-39 è resa possibile dai rilevatori di radiazioni altamente sensibili progettati e realizzati in rame ultrapuro dagli scienziati del PNNL. Le misurazioni ultrasensibili vengono effettuate a 60 piedi sottoterra nello Shallow Underground Laboratory del PNNL. La struttura è dotata di strumentazione di rilevamento a radiazione ultra bassa che riduce del 99% le interferenze da radiazioni di fondo, o radiazioni che si verificano nell'ambiente naturale.

Il lavoro di PNNL con l'argon-39 deriva dal suo programma di misurazioni nucleari ultrasensibili, che include lo sviluppo di strumenti di rilevamento delle radiazioni altamente sensibili per supportare la non proliferazione nucleare come parte della missione di sicurezza nazionale del PNNL.

Una tecnologia, più applicazioni

"Si scopre che la stessa tecnologia che usiamo per rilevare l'argon-37, un isotopo che ha un'emivita molto più breve, per fornire strumenti per monitorare cose come la conformità con il Trattato di divieto totale dei test nucleari è anche particolarmente utile per misurare argon-39 e ideale per determinare scale temporali come quelle importanti per le acque sotterranee, " disse Aalseth, che guida il programma di misurazioni nucleari ultrasensibili.

Aalseth ha affermato che la collaborazione allo studio delle acque sotterranee è un esempio di ciò che può accadere quando team multidisciplinari lavorano insieme per sviluppare soluzioni basate sulla scienza che possono essere applicate per affrontare sfide difficili in tutti gli spazi di missione, dalla sicurezza nazionale alle scienze della Terra alla fisica fondamentale.

"Vediamo la misurazione dell'età dell'argon-39 come un indicatore di quali altre cose potrebbero essere possibili, " ha detto. "Per esempio, ci sono altre misurazioni isotopiche che potrebbero essere molto preziose per la comunità delle scienze ambientali, e quelli sono ponti che vorremmo molto costruire".