Nós tocamos, bombeie e desenhe abaixo da superfície de cada paisagem imaginável, do deserto ao jardim suburbano bem cuidado. É o único ingrediente essencial necessário para sustentar a vida. Água.

Portanto, não é de admirar que questionemos constantemente de onde vem, para onde está indo, quanto está disponível e se é e permanecerá potável.

Graças aos isótopos extremamente raros de criptônio (Kr) e ao trabalho manual inovador de pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), agora podemos responder a muitas dessas questões que não podiam ser tratadas anteriormente com métodos mais tradicionais.

Uma única, baseado em laser, técnica de contagem de átomos chamada Análise de Traço Atom (ATTA), desenvolvido com o apoio do programa de Física Nuclear do DOE, está ajudando os físicos em Argonne a capturar e contar seletivamente os isótopos ⁸¹ Kr e ⁸⁵ Kr para determinar a idade do gelo e das águas subterrâneas. Os resultados fornecem informações valiosas sobre a dinâmica, taxas de fluxo e direção da água nos aquíferos, particularmente aquelas vitais para regiões áridas.

Refinamentos na técnica ATTA usada em Argonne estão permitindo a exploração de novos isótopos para faixas etárias intermediárias, além de disponibilizar essa tecnologia, pela primeira vez, para a comunidade de ciências da Terra em geral.

Raízes da datação de águas subterrâneas

Originalmente usado para estudar questões fundamentais de física, As técnicas de resfriamento e captura de átomos baseadas em laser para datação de águas subterrâneas foram desenvolvidas em Argonne em 1997.

Argonne continua sendo um dos dois únicos locais no mundo a empregar ATTA especificamente para medições de datação de criptônio; o outro está na Universidade de Ciência e Tecnologia da China.

Este processo de usar isótopos radioativos de criptônio para datar a matéria é chamado de datação por radiocríton, e seus benefícios complementam os de técnicas mais estabelecidas, como datação por radiocarbono.

Os isótopos radioativos são caracterizados por sua meia-vida, ou o tempo que leva para metade dos átomos decair em um elemento diferente. Nesse caso, metade do ⁸¹ Os átomos de Kr decairão no elemento bromo após 230, 000 anos. Os pesquisadores podem usar este processo para datar gelo ou água com uma faixa etária de aproximadamente 50 anos, 000 a 2 milhões de anos. Essa faixa etária é importante porque a datação por radiocarbono não pode datar amostras com mais de 50 anos, 000 anos.

"Outro benefício de ⁸¹ Kr é que é um dos gases nobres, que são quimicamente inativos. Isso significa que não se envolve em reações químicas na atmosfera ou no subsolo e não requer correções que você tem que fazer com átomos como o carbono, que é quimicamente muito ativo, "disse Jake Zappala, um pós-doutorado nomeado na divisão de Física de Argonne, que esteve intimamente envolvido nos desenvolvimentos recentes do ATTA.

Produzido naturalmente na atmosfera por meio de raios cósmicos, ⁸¹ Os átomos de Kr infiltram-se nas águas superficiais ou ficam presos no gelo durante a formação. Uma vez separado da atmosfera, esses pequenos relógios nucleares começam a funcionar, e os isótopos começam sua lenta decadência enquanto são carregados pelo movimento subterrâneo de água e gelo.

Detectando este isótopo, no entanto, é extremamente desafiador. Krypton é responsável por uma parte por milhão de todos os átomos na atmosfera, e menos de um em cada trilhão deles é um átomo de ⁸¹ Kr.

Coleta e análise de amostras

Apesar da escassez de criptônio, o processo de coleta hoje parece relativamente simples em comparação a 20 anos atrás. Onde a coleta de campo já foi uma tarefa difícil que exigia dezenas de milhares de litros de água, a nova tecnologia da instalação de encontros melhorou o processo em ordens de magnitude, explicou o físico Peter Mueller, o investigador principal da instalação.

Agora, as amostras são coletadas usando um sistema de extração de gás que varia em tamanho desde as dimensões de uma grande mochila até unidades mais robustas que cabem na cama de um SUV compacto e requerem apenas 100–200 litros de água.

A quantidade de gelo necessária para extrair uma quantidade suficiente de gás também caiu drasticamente nos últimos anos, de 300 a 20 quilogramas.

As ferramentas, na verdade, foram otimizados para o ponto em que os usuários das instalações podem ser equipados com sistemas compactos de extração de gás para seu trabalho de campo e, em seguida, enviar as amostras extraídas diretamente para Argonne para análise.

"Demonstramos que a técnica é realmente útil, "disse Mueller." Mas agora nosso objetivo é torná-lo parte do kit de ferramentas padrão para hidrólogos. "

Para determinar a idade de uma amostra, o gás criptônio purificado é injetado na linha de luz ATTA, onde a luz do laser resfria seletivamente e captura átomos de ⁸¹ Kr, ⁸⁵ Kr - um isótopo com meia-vida de 10 anos - e o isótopo estável ⁸³ Kr, ¬ sobre um ciclo alternado de 5 minutos.

Como cada isótopo tem uma estrutura eletrônica ligeiramente diferente, o laser pode ser ajustado para um específico, fornecendo seletividade perfeita. Esses átomos específicos são capturados em uma armadilha magneto-óptica 3-D no final da linha de luz, onde uma câmera sensível de dispositivo de carga acoplada (CCD) tira uma foto, fornecendo um meio pelo qual contar os átomos um de cada vez.

O número de átomos contados em um determinado tempo é diretamente proporcional à abundância desse isótopo na amostra. Uma vez que a medição da amostra é concluída - normalmente dentro de 2 a 4 horas - um gás de referência calibrado de criptônio puro contendo a abundância atmosférica natural é injetado no sistema e medido da mesma maneira para comparação.

"Se a taxa de contagem de ⁸¹ Os átomos de Kr na amostra são apenas metade daquele no gás de referência, sabemos que em média 230, 000 anos se passaram desde que a água ou o gelo entrou em contato com a atmosfera, "disse Mueller.

Aplicativos e benefícios

Usando a técnica ATTA, Os pesquisadores de Argonne já coletaram amostras de gelo e água de muitos ambientes e faixas etárias distintas. Datado em 120, 000 anos de idade, amostras antigas de gelo da geleira Taylor, na Antártica, ajudou a verificar ⁸¹ A capacidade de Kr de datar o gelo com precisão e agora são de interesse para estudos de pesquisa climática. Uma pesquisa de cerca de 70 poços em Israel ajudará a determinar o fluxo e a dinâmica de mistura em aqüíferos de até 600 anos, 000 anos e fornecem informações cruciais sobre a sustentabilidade a longo prazo deste recurso crítico.

Argonne ajudou em dezenas desses projetos, abrangendo todos os sete continentes, projetado para estudar o fluxo de água e gelo.

Para avançar o escopo de seu trabalho, a equipe de Argonne está em processo de construção de uma nova instalação de usuário e linha de luz, que serviria como o burro de carga do laboratório, efetivamente aumentando a atração da comunidade de geociências mais ampla. O instrumento existente continuará a servir como uma ferramenta de pesquisa e desenvolvimento para melhorar ainda mais a técnica de captura de átomos.