Negevöknen, som täcker hälften av Israels landmassa, är så torr att delar av den får mindre än tre centimeter vatten om året. Men under det finns vatten som upprätthåller befolkningen och jordbruket i regionen. Förstå var det kom ifrån, hur mycket är det, och vad som händer med det är avgörande för säkerheten och fördelningen av den avgörande resursen.

Forskare vid Ben-Gurion University of the Negev i Israel samarbetar med kollegor vid University of Chicago och anslutna Argonne National Laboratory för att bättre förstå Nubian Sandstone Aquifer-systemet, som ligger under en stor del av Negev och andra delar av Israel.

Genom att kombinera Argonnes banbrytande radiokryptondateringsteknik med andra isotopiska signaturer av vattnets sammansättning, forskarna kan inte bara berätta när det vattnet deponerades, men varifrån den kom och klimatförhållandena som gav den upp till nästan 400, 000 år sedan. Resultatet, detaljerad i en ny studie i Förfaranden från National Academy of Sciences , markerar första gången som forskare har kunnat använda grundvatten för att bygga en bild av vattnet i forntida klimat som går så långt tillbaka.

"Rent vatten är viktigt för att upprätthålla livet, och vi måste kunna förutsäga framtida vattentillgänglighet när global uppvärmning går framåt - vilket beror på att förstå vattendistributionen under tidigare varmare och kallare perioder, "sa Reika Yokochi, forskarassistent vid Institutionen för geofysiska vetenskaper vid University of Chicago och den första författaren till studien. "Detta projekt visar oss att dessa verktyg verkligen kan vara transformerande - spåra vattenrörelser mycket längre än vi tidigare har kunnat."

Fånga atomer för ledtrådar

"Akvifererna under Negev fylls inte på idag, så tydligen fanns det tillfällen då det kom mycket mer regn i regionen som samlades under jorden, "sa Peter Mueller, en fysiker med Argonnes Trapped Radioisotope Analysis Center, eller TRACER.

För att avgöra när och hur det kan ha inträffat, laget samlade vatten från mer än 20 brunnar i området, från 900 till 4, 850 fot djup. Sedan, med hjälp av en enhet som uppfanns i Yokochis laboratorium, de skilde ut kryptongasen och analyserade den med hjälp av en teknik som heter Atom Trap Trace Analysis (ATTA).

ATTA mäter vatten för spår av den sällsynta isotopen krypton-81, som kan datera vatten upp till 1,5 miljoner år gammalt. Detta ökar det långt bortom intervallet för radiokolldatering, som inte kan nå exakt över 40, 000 år.

ATTA -analysen föreslog att vattnet i brunnarna ackumulerades med hjälp av två stora "laddnings" händelser - en om 360, 000 år sedan och en som inträffade mindre än 40, 000 år sedan. Båda perioderna sammanföll med allmänt svalare klimat. Dessa "regionala fuktiga perioder" var mogna för utvecklingen av stormar som kunde ge tillräcklig nederbörd för att fylla på Negev -vattendragen.

Teamet kopplade krypton-81-analysen till deuterium, en isotop av väte som är tyngre än den som finns i "vanligt" vatten. Eftersom deuterium har en mycket annan massa än väte, det beter sig annorlunda under avdunstning av vatten, som så småningom blir moln och regn. När avdunstningen sker snabbt, som över Medelhavet, det visar en märklig signatur jämfört med globala nederbördstrender.

Således kan forskare "fingeravtryck" en vattendrag baserat på den speciella signaturen hos dess stabila isotoper. Varje klimatmönster sätter sitt eget avtryck i den signaturen, sa forskarna. Detta hjälpte dem att förstå att den komplexa signaturen var ett resultat av att blanda två olika vattenförekomster - liksom när och var de fylldes på, och var vattnet har sitt ursprung.

Divination gammalt vatten

Genom denna process, laget bestämde att vatten från de två laddningshändelserna kom från två olika källor. Cirka 400, För 000 år sedan var regionen svalare än nuvarande, och fukt tros ha levererats från Atlanten i form av tropiska plymer. Den senaste laddningen, mindre än 40, För 000 år sedan, kan ha varit resultatet av Medelhavscykloner under den senaste tiden glaciärer var som högst, kallas Last Glacial Maximum.

"Så vitt vi vet, detta var första gången som grundvatten direkt kunde användas som ett klimatarkiv på dessa långa tidsskalor, "sa Argonne's Jake Zappala, postdoktor på TRACER Center. "Med hjälp av radiokrypton -dejting, vi kan säga när det regnade, och förhållandet tungt till lätt vatten berättar direkt något för vädermönstret. Så vi har en direkt korrelation mellan tid och regionala vädermönster. "

En annan intressant punkt är att vattnet kom från nära en jordbävningsfelzon, Sa Yokochi. "Detta kan tyda på att fel kan fungera som en" vägg "som bevarar relativt färskt vatten under hundratusentals år, "sa hon." Det är möjligt att liknande förvar kan finnas längs andra felzoner över hela världen. "

Hittills, att få tillförlitliga nederbördsdata från det förflutna har visat sig svårt, som förutsäger regionala förändringar för klimatmodeller i nuet. Kombinationen av isotopverktyg som teamet använder kan vara en del av svaret på att lösa båda.

Eftersom verktygen fortsätter att ge en mer tillförlitlig bild av tidigare klimathändelser, som de regionala vattencyklerna i Negev, forskarna tror att dessa data kan tjäna till att kalibrera dagens modeller av liknande klimatfenomen.

"Förutser din klimatmodell rätt nederbördsmönster 400, 000 år sedan? "Frågade Mueller." Med hjälp av våra uppgifter, modellerare kan räkna tillbaka i tiden för att se om deras modell stämmer. Det är en av de viktigaste sakerna som vi kan erbjuda. "