Vi trycker på den, pumpa det och rita det underifrån ytan av alla tänkbara landskap, från öken till välskött förortsgård. Det är den enda väsentliga ingrediensen som krävs för att upprätthålla livet. Vatten.

Så det är inte konstigt att vi ständigt ifrågasätter var det kommer ifrån, vart är det på väg, hur mycket som finns tillgängligt och om det är och kommer att förbli drickbart.

Tack vare ytterst sällsynta isotoper av krypton (Kr) och det innovativa handarbetet av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, vi kan nu svara på många av de frågorna som tidigare inte kunde lösas med mer traditionella metoder.

En unik, laserbaserad, atomräkningsteknik som kallas Atom Trap Trace Analysis (ATTA), utvecklad med stöd från DOE:s kärnfysikprogram, hjälper fysiker vid Argonne att selektivt fånga och räkna isotoper ⁸¹ Kr och ⁸⁵ Kr för att bestämma åldern på is och grundvatten. Resultaten ger värdefull information om dynamiken, flödeshastigheter och riktning för vattnet i akviferer, särskilt de som är avgörande för torra områden.

Förfining av ATTA-tekniken som används vid Argonne möjliggör utforskning av nya isotoper för medelåldersklasser, förutom att göra denna teknik tillgänglig, för första gången, till jordvetenskapssamfundet i stort.

Rötter av grundvatten dating

Ursprungligen användes för att studera grundläggande fysikfrågor, laserbaserade atomkylnings- och infångningstekniker för grundvattendatering utvecklades i Argonne 1997.

Argonne är fortfarande en av endast två sådana platser i världen som använder ATTA specifikt för kryptondateringsmätningar; den andra är vid University of Science and Technology i Kina.

Denna process för att använda radioaktiva isotoper av krypton till idag kallas radiokryptondatering, och dess fördelar kompletterar de mer etablerade teknikerna, som radiokoldatering.

Radioaktiva isotoper kännetecknas av sin halveringstid, eller tiden det tar för hälften av atomerna att sönderfalla till ett annat grundämne. I detta fall, hälften av ⁸¹ Kr-atomer kommer att sönderfalla till grundämnet brom efter 230, 000 år. Forskare kan använda denna process för att datera is eller vatten med ett åldersintervall på cirka 50, 000 till 2 miljoner år. Detta åldersintervall är viktigt eftersom radiokoldatering inte kan datera prover som är mer än 50, 000 år gammal.

"En annan fördel med ⁸¹ Kr är att det är en av ädelgaserna, som är kemiskt inaktiva. Det betyder att den inte blir involverad i kemiska reaktioner i atmosfären eller under jorden och inte kräver korrigeringar som du måste göra med atomer som kol, som är kemiskt mycket aktiv, sa Jake Zappala, en postdoktor vid Argonnes fysikavdelning, som har varit nära involverad i den senaste utvecklingen inom ATTA.

Produceras naturligt i atmosfären genom kosmiska strålar, ⁸¹ Kr-atomer infiltrerar ytvatten eller fångas i is under bildningen. En gång separerad från atmosfären, dessa små kärnkraftsklockor börjar ticka, och isotoperna börjar sitt långsamma förfall samtidigt som de förs med i rörelsen under ytan av vatten och is.

Detekterar denna isotop, fastän, är extremt utmanande. Krypton står för en del per miljon av alla atomer i atmosfären, och mindre än en av varje biljon av dessa är en atom av ⁸¹ Kr.

Provtagning och analys

Trots kryptons brist, processen för att samla in den idag verkar relativt okomplicerad jämfört med för 20 år sedan. Där fältinsamling en gång var ett ohanterligt företag som krävde tiotusentals liter vatten, dejtinganläggningens nya teknologi har förbättrat processen i storleksordningar, förklarade fysikern Peter Mueller, anläggningens huvudutredare.

Nu, prover samlas in med hjälp av ett gasutsugssystem som sträcker sig i storlek från storleken på en stor ryggsäck till mer robusta enheter som passar i bädden på en kompakt SUV och som bara kräver 100–200 liter vatten.

Mängden is som behövs för att utvinna en tillräcklig mängd av gasen har också sjunkit dramatiskt under de senaste åren, från 300 till 20 kg.

Verktygen, faktiskt, har effektiviserats till den punkt där anläggningsanvändare kan utrustas med kompakta gasutvinningssystem för sitt fältarbete och sedan skicka de extraherade proverna direkt till Argonne för analys.

"Vi har visat att tekniken verkligen är användbar, ", sa Mueller. "Men nu är vårt mål att göra det till en del av standardverktyget för hydrologer."

För att bestämma åldern på ett prov, den renade kryptongasen sprutas in i ATTA-strållinjen, där laserljus selektivt kyler och fångar atomer av ⁸¹ Kr, ⁸⁵ Kr — en isotop med en halveringstid på 10 år — och den stabila isotopen ⁸³ Kr, ¬ under en omväxlande 5-minuterscykel.

Eftersom varje isotop har en något annorlunda elektronisk struktur, lasern kan ställas in till en specifik, ger perfekt selektivitet. Dessa specifika atomer fångas i en 3-D magneto-optisk fälla i slutet av strållinjen, där en kamera med känslig laddningskopplad enhet (CCD) tar en bild, tillhandahålla ett sätt att räkna atomerna en i taget.

Antalet atomer som räknas under en given tid är direkt proportionell mot förekomsten av denna isotop i provet. När provmätningen är klar – vanligtvis inom 2 till 4 timmar – injiceras en kalibrerad referensgas av rent krypton innehållande det naturliga atmosfäriska överflödet i systemet och mäts på samma sätt för jämförelse.

"Om räknehastigheten på ⁸¹ Kr-atomer i provet är bara hälften av det i referensgasen, vi vet att i genomsnitt 230, 000 år har gått sedan vattnet eller isen har varit i kontakt med atmosfären, sa Mueller.

Ansökningar och förmåner

Med hjälp av ATTA-tekniken, Argonne-forskare har redan tagit prov på is och vatten från många olika miljöer och åldersintervall. Daterad till 120, 000 år gammal, gamla iskärnprover från Taylor Glacier, i Antarktis, hjälpte till att verifiera ⁸¹ Krs förmåga att exakt datera is och är nu av intresse för klimatforskning. En undersökning av ett 70-tal brunnar i Israel kommer att hjälpa till att bestämma flöde och blandningsdynamik i akviferer så gamla som 600, 000 år och ge viktig information om den långsiktiga hållbarheten för denna kritiska resurs.

Argonne har hjälpt till i dussintals av dessa projekt, som spänner över alla sju kontinenter, designad för att studera vatten- och isflöde.

För att främja omfattningen av deras arbete, Argonne-teamet håller på att bygga en ny användaranläggning och strållinje, som skulle fungera som laboratoriets arbetshäst, effektivt öka attraktionen från det bredare geovetenskapssamhället. Det befintliga instrumentet kommer att fortsätta att fungera som ett forsknings- och utvecklingsverktyg för att ytterligare förbättra tekniken för atomfångning.