Los científicos están obteniendo conocimientos más profundos sobre cómo las prácticas agrícolas afectan las aguas subterráneas, gracias en parte a una técnica de datación por edad isotópica de las aguas subterráneas que fue posible gracias a las mediciones de radiación ultrasensibles en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. (PNNL).

En un estudio reciente publicado en Avances de la ciencia revista, físicos de la PNNL se asociaron con la Institución Oceanográfica Woods Hole, Servicio Geológico de EE. UU., y el Laboratorio Nacional Argonne para usar la datación isotópica para estimar la edad de las muestras de agua subterránea del Valle de San Joaquín de California.

Las edades de las aguas subterráneas pueden revelar pistas importantes sobre posibles contaminantes en el acuífero, y con qué frecuencia y de qué fuentes se repone el nivel freático. Los científicos utilizan esta información para predecir la vulnerabilidad del agua subterránea a la contaminación y el agotamiento, para comprender mejor el flujo de agua subterránea, para mejorar la calibración del modelo, e informar sobre las prácticas de gestión del agua.

El estudio de California aprovechó la rara capacidad de PNNL para medir el argón-39 para identificar el agua subterránea que ingresó al acuífero entre 50 y 1, Hace 000 años, un período de tiempo que por lo general no cubren otros trazadores de aguas subterráneas comunes. PNNL es uno de los dos únicos laboratorios del mundo con esta capacidad.

Con las mediciones de argón-39, Los investigadores ahora comprenden mejor cómo las prácticas agrícolas de mediados del siglo XX pueden haber cambiado la química del agua subterránea y, como resultado, afectó la confiabilidad de la técnica más convencional de datación de aguas subterráneas por carbono-14.

El estudio fue la primera vez que se utilizaron las capacidades de medición de radiación ultrasensible de PNNL como parte de un estudio colaborativo para resolver un problema en la ciencia de las aguas subterráneas.

"Esta es una de las primeras oportunidades que hemos tenido de trabajar con las comunidades de hidrología y transporte subterráneo para utilizar esta capacidad para responder una pregunta en la ciencia de las aguas subterráneas, ", dijo el físico de PNNL y miembro de laboratorio Craig Aalseth." Este es un gran hito para nosotros, pero cómo llegamos aquí es aún más interesante, porque tomamos partes de nuestro trabajo de física fundamental y nuestro trabajo de seguridad nacional para poner esta capacidad en conjunto ".

Argon-39 llena la brecha de edad del agua subterránea

"El argón-39 llena una pieza faltante como parte de un conjunto más grande de radiotrazadores que ayudan a los científicos del agua subterránea a comprender mejor los tiempos de residencia del agua subterránea, y el PNNL es una parte clave de eso, "dijo Emily Mace, un físico de PNNL que contribuyó al estudio.

El rastreo de isótopos radiactivos disueltos en agua es un método común para estimar la edad del agua subterránea. Sin embargo, El argón-39 ha sido históricamente infrautilizado como trazador para la datación de aguas subterráneas. La larga vida media del radioisótopo de gas noble y la radiactividad ultrabaja dificultan la medición con técnicas convencionales.

El argón-39 se produce naturalmente en la atmósfera y entra al acuífero a través del agua de lluvia.

"Al observar la disminución de radiactividad del trazador en comparación con el nivel atmosférico constante supuesto, puede saber cuánto tiempo ha estado el agua fuera de contacto con la atmósfera, "Dijo Mace.

Debido a que ciertos isótopos se desintegran a velocidades conocidas, los científicos pueden medir la desintegración radiactiva de varios trazadores para estimar cuándo entró el agua en el acuífero.

El carbono-14 y el tritio se encuentran entre los dos radiotrazadores más comunes que se utilizan para fechar las aguas subterráneas. El carbono 14 tiene una vida media de alrededor de 5, 000 años y se utiliza para identificar el agua que ingresó al acuífero entre 1, 000 y 30, Hace 000 años. El tritio tiene una vida media de solo 12 años y es útil para fechar agua joven alrededor de una década.

Con carbono-14 y tritio en extremos opuestos de la escala de tiempo, ha habido una gran brecha de edad en los tiempos de residencia de las aguas subterráneas, hasta que la PNNL intervino para llenarla.

"Argon-39 es un trazador de edad intermedia que llena ese vacío justo en el medio, ", Dijo Mace." Con una vida media de 269 años, nos permite mirar las cosas en una escala de 100 años, por lo que realmente encaja en un nicho que falta para los científicos de aguas subterráneas ".

Las mediciones de argón-39 ayudan a los científicos a repensar las estimaciones del agua subterránea

Los investigadores del estudio de aguas subterráneas de California utilizaron un conjunto de trazadores radiactivos para fechar muestras de 17 pozos en el Valle de San Joaquín. La gran región agrícola depende en gran medida del agua subterránea para el riego.

Al incluir mediciones de argón-39 en el estudio, los científicos pudieron observar más de cerca cómo las actividades agrícolas de mediados del siglo XX, como las enmiendas del suelo con carbonato y los métodos de riego, influyeron en los altos niveles de carbonato del acuífero y, Sucesivamente, potencialmente oscurece la confiabilidad de los resultados de las técnicas de datación por carbono-14 ampliamente utilizadas.

El uso de herramientas como argón-39 "proporciona limitaciones clave para desenredar los impactos de la mezcla de agua subterránea y el carbono inorgánico disuelto en el carbono-14, "dijeron los autores.

Los investigadores encontraron que la datación convencional por carbono-14 del agua subterránea del Valle de San Joaquín "sobrestima sustancialmente el tiempo de residencia y, por lo tanto, subestima la susceptibilidad a la contaminación moderna. Debido a que las enmiendas de carbonato del suelo son ubicuas, otras regiones agrícolas que dependen del agua subterránea pueden verse afectadas de manera similar ".

PNNL es uno de los pocos en todo el mundo que mide el argón-39

PNNL es uno de los dos únicos laboratorios en el mundo con la experiencia científica y las herramientas especializadas para tomar mediciones de niveles ultrabajos de argón-39 al observar su desintegración radiactiva. La otra es la Universidad de Berna en Suiza.

"Históricamente, el argón-39 es difícil de medir por muchas razones, ", Dijo Aalseth." No tiene una firma muy específica (huella dactilar isotópica), requiere química de argón especializada, y la tasa de radiactividad es muy baja debido a la larga vida media, por lo que necesita una medición de fondo muy baja.

"Esas son todas las cosas que PNNL pudo reunir para este estudio, " él dijo.

La capacidad de PNNL para medir argón-39 es posible gracias a detectores de radiación altamente sensibles diseñados y construidos a partir de cobre ultrapuro por científicos de PNNL. Las mediciones ultrasensibles se toman a 60 pies bajo tierra en el Laboratorio Subterráneo Poco Profundo de PNNL. La instalación está equipada con instrumentación de detección de radiación ultrabaja que reduce la interferencia de la radiación de fondo, o la radiación que se produce en el entorno natural, en un 99%.

El trabajo de PNNL con argón-39 proviene de su Programa de Mediciones Nucleares Ultra Sensibles, que incluye el desarrollo de herramientas de detección de radiación altamente sensibles para apoyar la no proliferación nuclear como parte de la misión de seguridad nacional de la PNNL.

Una tecnología múltiples aplicaciones

"Resulta que la misma tecnología que usamos para detectar argón-37, un isótopo que tiene una vida media mucho más corta, para proporcionar herramientas para monitorear cosas como el cumplimiento del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares también es particularmente buena para medir argón-39 e ideal para determinar escalas de tiempo como las importantes para las aguas subterráneas, "dijo Aalseth, quien lidera el Programa de Mediciones Nucleares Ultra Sensibles.

Aalseth dijo que la colaboración del estudio del agua subterránea es un ejemplo de lo que puede suceder cuando los equipos multidisciplinarios trabajan juntos para desarrollar soluciones basadas en la ciencia que se pueden aplicar para abordar desafíos difíciles en los espacios de la misión, desde la seguridad nacional hasta las ciencias de la Tierra y la física fundamental.

"Vemos la medición de la datación por edad del argón-39 como un indicador de qué otras cosas podrían ser posibles, ", dijo." Por ejemplo, hay otras mediciones isotópicas que podrían ser muy valiosas para la comunidad científica ambiental, y esos son puentes que nos gustaría mucho construir ".