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同位素水文學是如何發揮作用的?

來源:廣東省輻射防護協會 發布時間: 2019-08-20 10:30:00

同位素技術讓科學家能夠了解水循環的構成,幫助他們更好地評價水量、水質和水的可持續性。

在水循環方面,人們了解最少的是地下水。科學家利用天然存在的放射性同位素作為示蹤劑來查明地下水是否在得到補給、從何而來、在地下如何運動、是否容易受到污染和不斷變化的氣候狀況的影響。

不同地方的水具有不同的同位素特征或獨特的“指紋”。科學家利用這些“指紋”追蹤整個水循環過程中水在流經路徑上的運動:從蒸發、沉淀、滲濾到徑流和蒸騰,然后回到海洋或大氣,如此往復。

什么是同位素?

化學元素(如氫)完全由一種原子構成,而同一種原子的種類各有不同,這些不同種類的原子就是同位素,它們具有相同的化學特性,有相同數量的質子和電子,但中子數不同。中子數的差別使得每種同位素的重量不同,而此重量差別就是水文研究的關鍵。

同位素水文學既使用穩定同位素,也使用不穩定同位素。穩定同位素具有非放射性,也就是說它們不發出輻射。不穩定同位素(亦稱為放射性同位素)經歷放射性衰變,因此具有放射性。

那么同位素水文學科學是如何工作的?

水循環中水的來源和輸運

每一個水分子(H2O)都是由兩個氫(H)原子和一個氧(O)原子組成,但它們并非完全相同:有些原子的同位素較輕,有些則較重。科學家們使用精確的分析設備測量水樣品中這些微小的重量差異。為什么呢?

在海水蒸發過程中,具有較輕同位素的分子往往優先上升,形成具有特定同位素特征的云。這些云層混合了水分子,水分子以雨的形式降落。具有較重同位素的水分子最先落下。隨后,云失去這些較重同位素,并進一步向內陸移動,較輕同位素以更大比例落下。

水落到地上,充滿湖泊、河流和含水層。通過測量這些水體中重同位素與輕同位素的比率,科學家可以破譯水的來源和運動。

地下水年齡

同位素是估算水資源年齡、脆弱性和可持續性的最直接和最有力的工具。含水層中的地下水“年老”,意味著水流緩慢,且含水層需要長時間才能得到補給。相反,“年輕”地下水很容易迅速得到雨水更新,但也很容易受到污染和不斷變化的氣候狀況的影響。了解水的年齡使科學家和政府能夠很好地掌握含水層的補給率。

在水文學中,存在于水中的一些天然存在的放射性同位素,如氚(3H)、碳-14(14C)和惰性氣體放射性同位素,被用于估算地下水年齡。此年齡可能從數月到數百萬年不等。

這些同位素隨著時間衰減,其豐度也逐年減少。較高的值意味著水“較年輕”,而較低的值意味著水“較年老”。例如,可檢測到氚含量的地下水可能有60年左右的歷史,而不含氚的地下水則必然更古老。氚用于測定新近補給的地下水,即小于60年的地下水,而碳-14用于測定4萬年以上的水,氪-81用于測定百萬年以上的水。

水質

地表水和地下水中的污染物來源多種多樣,如農業、工業和人類排泄物,也可能由于含水層中發生的地球化學過程而自然存在。農業、工業和家庭產生的污染物種類各不相同。通過研究污染物的化學和同位素組成,科學家可以確定其來源。

例如,由氮和氧形成的硝酸根離子(NO3)是一種常見的污染物。氮有兩種不同重量的穩定同位素。人類排泄物和肥料中氮的重量差別是不同的。肥料用的是空氣中的氮,而人類和動物則經過一個生物過程將氮轉化為不同的形式。因此,可以根據這些同位素的重量差別來識別不同來源的污染物。 (作者 Laura Gil)


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