Lo tocamos bombearlo y sacarlo de debajo de la superficie de cada paisaje imaginable, desde el desierto hasta el jardín suburbano bien cuidado. Es el único ingrediente esencial que se requiere para mantener la vida. Agua.

Así que no es de extrañar que constantemente nos preguntemos de dónde viene, a donde va, cuánto hay disponible y si es y seguirá siendo potable.

Gracias a los isótopos extremadamente raros de criptón (Kr) y al innovador trabajo manual de los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ahora podemos responder muchas de esas preguntas que antes no se podían abordar con métodos más tradicionales.

Una única, basado en láser, técnica de conteo de átomos llamada Atom Trap Trace Analysis (ATTA), desarrollado con el apoyo del programa de Física Nuclear del DOE, está ayudando a los físicos de Argonne a capturar y contar de forma selectiva los isótopos ⁸¹ Kr y ⁸⁵ Kr para determinar la edad del hielo y las aguas subterráneas. Los resultados proporcionan información valiosa sobre la dinámica, caudales y dirección del agua en los acuíferos, particularmente los vitales para las regiones áridas.

Los perfeccionamientos de la técnica ATTA utilizada en Argonne están permitiendo la exploración de nuevos isótopos para rangos de edad intermedios, además de poner esta tecnología a disposición, por primera vez, a la comunidad científica de la Tierra en general.

Raíces de la datación de las aguas subterráneas

Originalmente utilizado para estudiar cuestiones de física fundamental, En 1997 se desarrollaron en Argonne técnicas de captura y enfriamiento de átomos basadas en láser para la datación de las aguas subterráneas.

Argonne sigue siendo uno de los dos únicos lugares de este tipo en el mundo que emplean ATTA específicamente para las mediciones de datación con criptón; el otro está en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China.

Este proceso de usar isótopos radiactivos de criptón para fechar la materia se llama datación por radiocriptón. y sus beneficios complementan los de técnicas más establecidas, como la datación por radiocarbono.

Los isótopos radiactivos se caracterizan por su vida media, o el tiempo que tarda la mitad de los átomos en descomponerse en un elemento diferente. En este caso, mitad de ⁸¹ Los átomos de Kr se descompondrán en el elemento bromo después de 230, 000 años. Los investigadores pueden utilizar este proceso para fechar el hielo o el agua con un rango de edad de aproximadamente 50 años. 000 a 2 millones de años. Este rango de edad es importante porque la datación por radiocarbono no puede fechar muestras de más de 50 años. 000 años.

"Otro beneficio de ⁸¹ Kr es que es uno de los gases nobles, que son químicamente inactivos. Eso significa que no se involucra en reacciones químicas en la atmósfera o bajo tierra y no requiere correcciones que tengas que hacer con átomos como el carbono. que es químicamente muy activo, "dijo Jake Zappala, un postdoctoral designado en la división de Física de Argonne, quien ha estado estrechamente involucrado en los desarrollos recientes de ATTA.

Producido naturalmente en la atmósfera a través de rayos cósmicos, ⁸¹ Los átomos de Kr se infiltran en el agua superficial o quedan atrapados en el hielo durante la formación. Una vez separado de la atmósfera, estos pequeños relojes nucleares comienzan a funcionar, y los isótopos comienzan su lenta descomposición mientras son transportados junto con el movimiento subsuperficial del agua y el hielo.

Detectando este isótopo, aunque, es extremadamente desafiante. El criptón representa una parte por millón de todos los átomos de la atmósfera, y menos de uno en cada billón de ellos es un átomo de ⁸¹ Kr.

Recolección y análisis de muestras

A pesar de la escasez de kriptón, el proceso para recolectarlo hoy parece relativamente sencillo en comparación con hace 20 años. Donde la recolección en el campo alguna vez fue una empresa difícil de manejar que requirió decenas de miles de litros de agua, la nueva tecnología de la instalación de citas ha mejorado el proceso en órdenes de magnitud, explicó el físico Peter Mueller, investigador principal de la instalación.

Ahora, las muestras se recolectan mediante un sistema de extracción de gas que varía en tamaño desde las dimensiones de una mochila grande hasta unidades más robustas que caben en la cama de un SUV compacto y solo requieren de 100 a 200 litros de agua.

La cantidad de hielo necesaria para extraer una cantidad suficiente de gas también se ha desplomado drásticamente en los últimos años. de 300 a 20 kilogramos.

Las herramientas, De hecho, se han simplificado hasta el punto en que los usuarios de las instalaciones pueden equiparse con sistemas compactos de extracción de gas para su trabajo de campo y luego enviar las muestras extraídas directamente a Argonne para su análisis.

"Hemos demostrado que la técnica es realmente útil, ", dijo Mueller." Pero ahora nuestro objetivo es convertirlo en parte del juego de herramientas estándar para los hidrólogos ".

Para determinar la edad de una muestra, el gas kriptón purificado se inyecta en la línea de luz ATTA, donde la luz láser enfría y atrapa selectivamente átomos de ⁸¹ Kr, ⁸⁵ Kr, un isótopo con una vida media de 10 años, y el isótopo estable ⁸³ Kr, ¬ en un ciclo alterno de 5 minutos.

Debido a que cada isótopo tiene una estructura electrónica ligeramente diferente, el láser se puede ajustar a uno específico, proporcionando una selectividad perfecta. Esos átomos específicos se capturan en una trampa magnetoóptica tridimensional al final de la línea de luz, donde una cámara sensible con dispositivo de carga acoplada (CCD) toma una fotografía, proporcionando un medio por el cual contar los átomos uno a la vez.

El número de átomos contados en un tiempo determinado es directamente proporcional a la abundancia de este isótopo en la muestra. Una vez finalizada la medición de la muestra, por lo general en 2 a 4 horas, se inyecta en el sistema un gas de referencia calibrado de criptón puro que contiene la abundancia atmosférica natural y se mide de la misma manera para comparar.

"Si la tasa de conteo de ⁸¹ Los átomos de Kr en la muestra son solo la mitad de los del gas de referencia, sabemos que en promedio 230, Han pasado 000 años desde que el agua o el hielo ha estado en contacto con la atmósfera, "dijo Mueller.

Aplicaciones y beneficios

Usando la técnica ATTA, Los investigadores de Argonne ya han tomado muestras de hielo y agua de muchos entornos y rangos de edad distintos. Con fecha de 120, 000 años, antiguas muestras de núcleos de hielo del glaciar Taylor, en la Antártida, ayudó a verificar ⁸¹ La capacidad de Kr para fechar con precisión el hielo y ahora son de interés para los estudios de investigación climática. Un estudio de unos 70 pozos en Israel ayudará a determinar la dinámica de flujo y mezcla en acuíferos tan antiguos como 600, 000 años y proporcionan información crucial sobre la sostenibilidad a largo plazo de este recurso fundamental.

Argonne ha colaborado en decenas de estos proyectos, que abarca los siete continentes, diseñado para estudiar el flujo de agua y hielo.

Para avanzar en el alcance de su trabajo, el equipo de Argonne está en proceso de construir una nueva instalación para el usuario y una nueva línea de luz, que serviría como caballo de batalla del laboratorio, aumentar efectivamente la atracción de la comunidad de geociencias en general. El instrumento existente continuará sirviendo como una herramienta de investigación y desarrollo para mejorar aún más la técnica de captura de átomos.