När stigande havsnivåer hotar kustområdena, forskare använder en framväxande nukleär dateringsteknik för att spåra vattenflödets in- och utgångar.

Florida är känt för vatten. Mellan dess stränder, träsk, stormar och fukt, staten är genomblöt. Och under hela dess yta ligger den största sötvattenakvifären i landet.

Floridan Aquifer producerar 1,2 biljoner liter vatten varje år-det är nästan 2 miljoner olympiska simbassänger. Det fungerar som en primär källa till dricksvatten för över 10 miljoner människor och stöder bevattning av över 2 miljoner hektar. Den försörjer också tusentals sjöar, källor och våtmarker, och de miljöer de vårdar.

"Data från bara några få prover är rik på möjligheter, och denna studie visar den stora potentialen hos krypton-81 inom flera områden av geokemi, " säger Argonne National Laboratory-forskaren Peter Mueller.

Men när glaciärerna smälter på grund av den globala uppvärmningen, stigande havsnivåer hotar denna vattenkälla – och andra kustvattenmagasin – med inträngning av saltvatten. Det är viktigare än någonsin att studera vattnets historia och beteende i dessa akviferer, och Floridas dynamiska vattensystem gör det till en utmärkt testbädd.

I en studie ledd av University of Chicago, forskare tillämpade en dateringsteknik utvecklad av kärnfysiker vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory som använder en radioaktiv version av grundämnet krypton för att studera ursprunget och flödet av sötvatten och saltvatten i Floridas akvifär. Deras resultat visar löftet med denna nya teknik för att hjälpa till att förstå och förutsäga effekterna av klimatförändringar på kustnära akviferer, att informera vattenresursförvaltningen och att avslöja insikt i andra geologiska processer.

Räknar krypton

För att studera vattenflödet i akvifern, forskarna använde TRACER Center i Argonne för att utföra radiokryptondatering. Denna teknik fungerar enligt samma principer som koldatering, där åldern på något bestäms utifrån mängden av ett visst element som finns kvar i provet. Men istället för kol, den använder den radioaktiva isotopen krypton-81.

En liten mängd krypton-81 produceras naturligt i atmosfären och kan lösas upp i vattendropparna i moln och vattendrag. När vattnet väl går under jorden, det slutar absorbera krypton-81 från atmosfären, och det som återstår förändras långsamt till andra element övertid.

Om forskare kan räkna ut förhållandet mellan krypton-81 i vattnet och i atmosfären, de kan beräkna hur länge det har legat under jorden.

"Det här är extremt utmanande, " sa Peter Mueller från Argonnes fysikavdelning. "Eftersom krypton-81 är så sällsynt, du behöver mycket känsliga mätverktyg för att upptäcka den lilla mängden i ett prov."

Endast en av en miljon atomer i atmosfären är krypton. Vad mer, endast en av en biljon kryptonatomer är specifikt krypton-81. Detta lämnar så få atomer att upptäcka i ett prov att forskare räknar dem en efter en med en teknik som kallas Atom Trap Trace Analysis, utvecklat på Argonne.

Teamet samlade in prover från åtta brunnar som tappade akvifären och extraherade gasen löst i vattnet, inklusive krypton-81. På TRACER Center, de skickade gasen nerför en strållinje där sex laserstrålar samlas för att skapa en fälla unik för isotopen av intresse (i det här fallet, krypton-81). De fångade atomerna dyker upp på en kamera, och forskare kan räkna ner dem till den enskilda atomen.

Denna studie är den första tillämpningen av radiokryptondatering på Floridas akvifer.

Det finns goda och dåliga nyheter

Några av proverna innehöll 40, 000 år gammalt saltvatten från strax före det sista glaciala maximum vid cirka 25, 000 år sedan, när mycket av vattnet som nu finns i havet fångades upp i enorma glaciärer. Under denna period, havsnivån var över 100 meter lägre än den är nu.

"På grund av den globala uppvärmningen, havsnivån stiger, orsakar havsvatten att förstöra sötvattenkällor, " sa Reika Yokochi, forskarprofessor vid University of Chicago och huvudforskare i studien. "Närvaron av det måttligt gamla vattnet betyder att saltvatten kvarstår i akvifären när det väl kommer in. Detta är dåliga nyheter. Vi måste minimera graden av denna förorening."

Medan de salta proverna handlar om, det finns goda nyheter, för. Forskarna bekräftade att vattnet i den södra delen av Floridas akvifär laddades upp med sötvatten under den senaste istiden (någon gång mellan 12, 000 till 115, 000 år sedan), stärka den nuvarande förståelsen av sötvattensdynamik.

"Vi hittade också ett prov med relativt ungt sötvatten, vilket är goda nyheter för Florida eftersom det betyder att vattnet är aktivt flödande och förnybart nära centrala Florida, sa Yokochi.

Ny teknik med stor potential

Radiokrypton-dejting är en relativt ny teknik, och forskarna har precis börjat. Detta verktyg har en otrolig potential att driva upptäckter inom fysik, geologi och vidare.

Till exempel, vetenskapsmän beväpnade med radiokryptondatering kan använda vattnet i kustnära akviferer som potentiella budbärare för förändringar i vattenkretslopp och sammansättningen av forntida havsvatten. Tekniken kan också ge insikt om rörelsen av element över land-ocean gränser, som påverkar koldioxid (CO ₂ ) nivåer i atmosfären.

"När vattnet rinner på ytan eller under jorden, den reagerar med omgivande sten och plockar upp signaturer som berättar en historia, ", sa Yokochi. "Denna information kan hjälpa till att förbättra och validera våra modeller av jordens system och elementens cykel, som är nära kopplade till det globala klimatet."

Radiokryptondatering fungerar också som ett komplement till koldatering när den utförs på samma prover. Forskare kan använda resultat från radiokryptondatering för att kalibrera koldateringsanalys. En gång rättad, koldata kan ge ytterligare insikt, speciellt på hastigheten för vatten-karbonatreaktioner.

"När du har ett nytt verktyg som detta och använder det för första gången, även i ett akvifer som har studerats mycket, plötsligt får du ett nytt perspektiv och ny insikt, "sa Mueller." Uppgifterna från bara några prov är rika på möjligheter, och denna studie visar den stora potentialen för krypton-81 inom flera områden inom geokemi. "