借助氪81绘制地下水图
2012年11月1日
     美国阿贡国家实验室、伊利诺伊大学芝加哥分校科研人员和国际原子能机构的同行一道,正在进一步研究借助氪81测定水龄,绘制地下水图。

    世界上大约有五分之一人口的饮用水来自地下,部分农作物同样依靠地下水灌溉。在许多干旱地区,地表水蒸发速度之快,地下水成了唯一的水源。有专家认为去年全球粮食短缺与地下水的减少不无关系。

    水透过沙层、岩石缝隙流入地下是一个漫长的过程,在有的地区甚至需要上千年。为公正有效地管理水源,消费者需要了解水的补充速度。然而,一块地表面积往往是上万平方公里,加之部分地区的地貌复杂,很难研发出一个既完整又准确的水系模型,可以让人们根据植被、土壤、干旱和季风的变化预测水量。

    长期以来,科研人员力求研发出一种测算水龄的方法,以确定特定区域的水到底在地下沉睡了多少年。研究发现水在地表时还是获得了微乎其微的同位素痕迹,其中之一就是氪81,一个衰落极其缓慢的原子。这类似与用碳测定化石年代。当你知道氪81何其缓慢衰落,你就能测算水中残留的氪81的原子量,从而计算出它从在地表起至今已有多少年的历史。

    氪81的寿命特别长,可以比借助碳追溯的时代更久远,或许可追溯一百万年。自二十世纪六十年代,科研人员就希望借助氪81,但大气中的氪81极为稀少,科研人员需要找到一种测量极其微少原子量的方法。

    从1997年起,美国阿贡国家实验室的科研人员开始运用朱棣文的激光冷却捕捉原子技术,清点氪81原子。由此获得的成果被称之为原子捕捉痕迹分析(ATTA),又结合激光和照相设备研制出专门分析仪。

    分析仪采用六束激光室捕捉单个原子。为使分析仪只捕捉氪81,科研人员将激光频率与氪81的特定共振匹配。原子振动频率,对每一个同位素都是特定的,当原子受到共振光碰撞时振动加快,这时在相机上便显示出一块光斑。

    阿贡国家实验室和伊利诺伊大学芝加哥分校的科研团队已运用此项技术对撒哈拉沙漠努比亚地下水样本进行测定,其结果与独立水模型一致,确认了水是东北流向的,并且标明流动率为每年1米左右。目前两校相关科研人员正在与国际原子能机构同位素水文科联手,进行更大规模的研究。去年他们从巴西取来水样,在阿贡国家实验室进行研究。倘若研究获得成功,此项技术可能会用于绘制世界地下水图。




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