Os cientistas estão obtendo percepções mais profundas sobre como as práticas agrícolas afetam as águas subterrâneas, graças em parte a uma técnica de datação de água subterrânea de isótopos possibilitada por medições de radiação ultrassensível no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA (PNNL).

Em um estudo recente publicado em Avanços da Ciência revista, físicos do PNNL fizeram parceria com a Woods Hole Oceanographic Institution, U.S. Geological Survey, e o Argonne National Laboratory para usar a datação de isótopos para estimar a idade das amostras de água subterrânea do vale de San Joaquin, na Califórnia.

As idades da água subterrânea podem revelar pistas importantes sobre potenciais contaminantes no aquífero, e com que frequência e de quais fontes o lençol freático é reabastecido. Os cientistas usam essas informações para prever a vulnerabilidade das águas subterrâneas à contaminação e esgotamento, para entender melhor o fluxo de água subterrânea, para melhorar a calibração do modelo, e para informar as práticas de gestão da água.

O estudo da Califórnia explorou a capacidade rara do PNNL de medir o argônio-39 para identificar a água subterrânea que entrou no aquífero entre 50 e 1, 000 anos atrás - um período de tempo normalmente não coberto por outros traçadores de água subterrânea comuns. PNNL é um dos dois únicos laboratórios no mundo com essa habilidade.

Com as medições de argônio-39, pesquisadores agora entendem melhor como as práticas agrícolas de meados do século 20 podem ter mudado a química das águas subterrâneas e, como resultado, afetou a confiabilidade da técnica de datação de água subterrânea por carbono-14 mais convencional.

O estudo foi a primeira vez que os recursos de medição de radiação ultrassensível do PNNL foram usados ​​como parte de um estudo colaborativo para resolver um problema na ciência das águas subterrâneas.

"Esta é uma das primeiras oportunidades que tivemos de trabalhar com comunidades de transporte subterrâneo e hidrologia para usar essa capacidade de responder a uma pergunta na ciência da água subterrânea, "disse o físico do PNNL e companheiro de laboratório Craig Aalseth." Este é um grande marco para nós, mas como chegamos aqui é ainda mais interessante, porque pegamos pedaços de nosso trabalho de física fundamental e nosso trabalho de segurança nacional para colocar essa capacidade em conjunto. "

Argon-39 preenche lacuna de idade da água subterrânea

"Argon-39 preenche uma peça que faltava como parte de um conjunto maior de radiotraçadores que ajudam os cientistas da água subterrânea a entender melhor os tempos de residência da água subterrânea - e o PNNL é uma parte fundamental disso, "disse Emily Mace, um físico PNNL que contribuiu para o estudo.

O rastreamento de isótopos radioativos dissolvidos na água é uma abordagem comum para estimar a idade da água subterrânea. Contudo, o argônio-39 tem sido historicamente subutilizado como marcador para a datação de águas subterrâneas. A longa meia-vida do radioisótopo de gás nobre e a radioatividade ultrabaixa tornam-no difícil de medir com técnicas convencionais.

O argônio-39 é produzido naturalmente na atmosfera e entra no aquífero através da água da chuva.

"Ao observar a diminuição da radioatividade do traçador em comparação com o nível atmosférico constante assumido, você pode dizer há quanto tempo essa água está fora de contato com a atmosfera, "Mace disse.

Porque certos isótopos decaem em taxas conhecidas, os cientistas podem medir a decadência radioativa de vários marcadores para estimar quando a água entrou no aquífero.

O carbono-14 e o trítio estão entre os dois radiotraçadores mais comuns usados ​​para datar as águas subterrâneas. O carbono-14 tem meia-vida de cerca de 5, 000 anos e é usado para identificar a água que entrou no aquífero entre 1, 000 e 30, 000 anos atrás. O trítio tem meia-vida de apenas 12 anos e é útil para datação de águas jovens com cerca de uma década de idade.

Com carbono-14 e trítio em extremos opostos da escala de tempo, tem havido uma grande diferença de idade nos tempos de residência da água subterrânea - até que o PNNL interveio para preenchê-la.

"Argon-39 é um rastreador de idade intermediária que preenche essa lacuna bem no meio, "Mace disse." Com uma meia-vida de 269 anos, nos permite olhar para as coisas em uma escala de 100 anos, então realmente se encaixa em um nicho que faltava para cientistas de águas subterrâneas. "

Medições de argônio-39 ajudam os cientistas a repensar as estimativas da água subterrânea

Os pesquisadores do estudo de águas subterrâneas da Califórnia usaram um conjunto de traçadores radioativos para datar amostras de 17 poços no Vale de San Joaquin. A grande região agrícola depende fortemente de água subterrânea para irrigação.

Ao incluir medições de argônio-39 no estudo, os cientistas foram capazes de olhar mais de perto como as atividades agrícolas de meados do século 20 - como corretivos de solo com carbonato e métodos de irrigação - influenciaram os altos níveis de carbonato do aquífero e, por sua vez, potencialmente obscurece a confiabilidade dos resultados de técnicas de datação por carbono-14 amplamente utilizadas.

O uso de ferramentas como o argônio-39 "fornece restrições importantes para desemaranhar os impactos da mistura das águas subterrâneas e do carbono inorgânico dissolvido no carbono-14, "disseram os autores.

Os pesquisadores descobriram que a datação convencional por carbono-14 das águas subterrâneas do Vale de San Joaquin "superestima substancialmente o tempo de residência e, portanto, subestima a suscetibilidade à contaminação moderna. Como os corretivos carbonáticos do solo são onipresentes, outras regiões agrícolas dependentes de água subterrânea podem ser afetadas da mesma forma. "

PNNL está entre os poucos em todo o mundo a medir argônio-39

PNNL é um dos únicos dois laboratórios no mundo com conhecimento científico e ferramentas especializadas para fazer medições de nível ultrabaixo de argônio-39, observando sua decadência radioativa. A outra é a Universidade de Berna, na Suíça.

"O Argon-39 é historicamente difícil de medir por muitos motivos, "Aalseth disse." Não tem uma assinatura muito específica (impressão digital do isótopo), requer química de argônio especializada, e a taxa de radioatividade é muito baixa por causa da longa meia-vida, então você precisa de uma medição de fundo muito baixo.

"Essas são todas as coisas que o PNNL foi capaz de reunir para este estudo, " ele disse.

A capacidade do PNNL de medir o argônio-39 é possibilitada por detectores de radiação altamente sensíveis projetados e construídos a partir de cobre ultrapuro pelos cientistas do PNNL. As medições ultrassensíveis são feitas a 18 metros de profundidade no Laboratório Subterrâneo Raso do PNNL. A instalação está equipada com instrumentação de detecção de radiação ultrabaixa que reduz a interferência da radiação de fundo - ou radiação que ocorre no ambiente natural - em 99%.

O trabalho do PNNL com argônio-39 vem de seu Programa de Medições Nucleares Ultra-Sensíveis, que inclui o desenvolvimento de ferramentas de detecção de radiação altamente sensíveis para apoiar a não proliferação nuclear como parte da missão de segurança nacional do PNNL.

Uma tecnologia, vários aplicativos

"Acontece que a mesma tecnologia que usamos para detectar argônio-37 - um isótopo que tem meia-vida muito mais curta - para fornecer ferramentas para monitorar coisas como a conformidade com o Tratado de Proibição de Testes Nucleares Abrangentes também é particularmente boa para medição argônio-39 e ideal para determinar escalas de tempo como as importantes para as águas subterrâneas, "disse Aalseth, que lidera o Programa de Medições Nucleares Ultra-Sensíveis.

Aalseth disse que a colaboração no estudo da água subterrânea é um exemplo do que pode acontecer quando equipes multidisciplinares trabalham juntas para desenvolver soluções baseadas na ciência que podem ser aplicadas para enfrentar desafios difíceis em espaços de missão - da segurança nacional às ciências da Terra à física fundamental.

"Vemos a medição da datação por argônio 39 como um indicador sobre o que outras coisas podem ser possíveis, "disse ele." Por exemplo, existem outras medições isotópicas que podem ser muito valiosas para a comunidade científica ambiental, e essas são pontes que gostaríamos muito de construir. "