lo tocchiamo, pompalo e disegnalo da sotto la superficie di ogni paesaggio immaginabile, dal deserto al cortile suburbano ben curato. È l'unico ingrediente essenziale richiesto per sostenere la vita. Acqua.

Quindi non c'è da meravigliarsi se ci chiediamo costantemente da dove provenga, dove sta andando, quanto è disponibile e se è e rimarrà potabile.

Grazie agli isotopi estremamente rari di krypton (Kr) e all'innovativo lavoro manuale dei ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ora possiamo rispondere a molte di quelle domande che non potevano essere affrontate in precedenza con metodi più tradizionali.

Un unico, a base di laser, tecnica di conteggio atomico chiamata Atom Trap Trace Analysis (ATTA), sviluppato con il supporto del programma di fisica nucleare del DOE, sta aiutando i fisici dell'Argonne a catturare e contare selettivamente gli isotopi ⁸¹ Kr e ⁸⁵ Kr per determinare l'età del ghiaccio e delle acque sotterranee. I risultati forniscono preziose informazioni sulle dinamiche, portate e direzione dell'acqua nelle falde acquifere, in particolare quelli vitali per le regioni aride.

I perfezionamenti della tecnica ATTA utilizzata ad Argonne stanno consentendo l'esplorazione di nuovi isotopi per fasce di età intermedie, oltre a rendere disponibile questa tecnologia, per la prima volta, alla comunità scientifica della Terra in generale.

Radici di datazione delle acque sotterranee

Originariamente utilizzato per studiare questioni di fisica fondamentale, Le tecniche di raffreddamento e intrappolamento dell'atomo basate su laser per la datazione delle acque sotterranee sono state sviluppate ad Argonne nel 1997.

Argonne rimane uno dei due soli luoghi di questo tipo al mondo ad impiegare ATTA specificamente per le misurazioni di datazione del krypton; l'altro è presso l'Università della Scienza e della Tecnologia in Cina.

Questo processo di utilizzo degli isotopi radioattivi del krypton per datare la materia è chiamato datazione radiokrypton, e i suoi benefici completano quelli di tecniche più consolidate, come la datazione al radiocarbonio.

Gli isotopi radioattivi sono caratterizzati dalla loro emivita, o il tempo impiegato dalla metà degli atomi per decadere in un elemento diverso. In questo caso, metà del ⁸¹ Gli atomi di Kr decadranno nell'elemento bromo dopo 230, 000 anni. I ricercatori possono utilizzare questo processo per datare ghiaccio o acqua con una fascia di età di circa 50 anni, 000 a 2 milioni di anni. Questa fascia di età è importante perché la datazione al radiocarbonio non può datare campioni che superano i 50 anni, 000 anni.

"Un altro vantaggio di ⁸¹ Kr è che è uno dei gas nobili, che sono chimicamente inattivi. Ciò significa che non viene coinvolto nelle reazioni chimiche nell'atmosfera o nel sottosuolo e non richiede correzioni che devi apportare con atomi come il carbonio, che è chimicamente molto attivo, "ha detto Jake Zappalà, un postdottorato nella divisione di fisica di Argonne, che è stato strettamente coinvolto nei recenti sviluppi di ATTA.

Prodotto naturalmente nell'atmosfera attraverso i raggi cosmici, ⁸¹ Gli atomi di Kr si infiltrano nell'acqua superficiale o rimangono intrappolati nel ghiaccio durante la formazione. Una volta separato dall'atmosfera, questi piccoli orologi nucleari iniziano a ticchettare, e gli isotopi iniziano il loro lento decadimento mentre vengono trasportati insieme al movimento sotto la superficie dell'acqua e del ghiaccio.

Rilevando questo isotopo, anche se, è estremamente impegnativo. Krypton rappresenta una parte per milione di tutti gli atomi nell'atmosfera, e meno di uno su ogni trilione di questi è un atomo di ⁸¹ Kr.

Raccolta e analisi dei campioni

Nonostante la scarsità di krypton, il processo per raccoglierlo oggi sembra relativamente semplice rispetto a 20 anni fa. Laddove un tempo la raccolta in campo era un'impresa ingombrante che richiedeva decine di migliaia di litri d'acqua, la nuova tecnologia della struttura di incontri ha migliorato il processo di ordini di grandezza, ha spiegato il fisico Peter Mueller, investigatore principale della struttura.

Ora, i campioni vengono raccolti utilizzando un sistema di estrazione del gas che varia in dimensioni dalle dimensioni di un grande zaino a unità più robuste che si adattano al letto di un SUV compatto e richiedono solo 100-200 litri di acqua.

Anche la quantità di ghiaccio necessaria per estrarre una quantità sufficiente di gas è diminuita drasticamente negli ultimi anni, da 300 a 20 chilogrammi.

Gli attrezzi, infatti, sono stati ottimizzati al punto in cui gli utenti della struttura possono essere dotati di sistemi di estrazione del gas compatti per il loro lavoro sul campo e quindi inviare i campioni estratti direttamente ad Argonne per l'analisi.

"Abbiamo dimostrato che la tecnica è davvero utile, " ha detto Mueller. "Ma ora il nostro obiettivo è renderlo parte del kit di strumenti standard per gli idrologi".

Per determinare l'età di un campione, il gas krypton purificato viene iniettato nella linea di luce ATTA, dove la luce laser raffredda selettivamente e intrappola gli atomi di ⁸¹ Kr, ⁸⁵ Kr—un isotopo con un'emivita di 10 anni—e l'isotopo stabile ⁸³ Kr, ¬per un ciclo alternato di 5 minuti.

Poiché ogni isotopo ha una struttura elettronica leggermente diversa, il laser può essere sintonizzato su uno specifico, fornendo una perfetta selettività. Questi atomi specifici vengono catturati in una trappola magneto-ottica 3-D alla fine della linea di luce, dove una fotocamera sensibile con dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) scatta una foto, fornendo un mezzo per contare gli atomi uno alla volta.

Il numero di atomi contati in un dato tempo è direttamente proporzionale all'abbondanza di questo isotopo nel campione. Una volta terminata la misurazione del campione, in genere entro 2-4 ore, un gas di riferimento calibrato di cripto puro contenente l'abbondanza atmosferica naturale viene iniettato nel sistema e misurato allo stesso modo per il confronto.

"Se il tasso di conteggio di ⁸¹ Gli atomi di Kr nel campione sono solo la metà di quelli nel gas di riferimento, sappiamo che in media 230, Sono passati 000 anni da quando l'acqua o il ghiaccio sono entrati in contatto con l'atmosfera, " disse Mueller.

Applicazioni e vantaggi

Utilizzando la tecnica ATTA, I ricercatori di Argonne hanno già campionato ghiaccio e acqua da molti ambienti distinti e fasce di età. Datato al 120, 000 anni, antichi campioni di carote di ghiaccio dal ghiacciaio Taylor, in Antartide, aiutato a verificare ⁸¹ La capacità di Kr di datare con precisione il ghiaccio e sono ora di interesse per gli studi di ricerca sul clima. Un'indagine su circa 70 pozzi in Israele aiuterà a determinare il flusso e le dinamiche di miscelazione in falde acquifere vecchie di 600, 000 anni e forniscono informazioni cruciali sulla sostenibilità a lungo termine di questa risorsa fondamentale.

Argonne ha assistito a dozzine di questi progetti, che abbraccia tutti e sette i continenti, progettato per studiare il flusso di acqua e ghiaccio.

Per far avanzare lo scopo del loro lavoro, il team di Argonne sta costruendo una nuova struttura per gli utenti e una linea di luce, che servirebbe da cavallo di battaglia del laboratorio, aumentando efficacemente l'attrazione da parte della più ampia comunità delle geoscienze. Lo strumento esistente continuerà a fungere da strumento di ricerca e sviluppo per migliorare ulteriormente la tecnica di intrappolamento atomico.