La fisica nucleare utilizza una nuova tecnica di datazione, che si avvale di una versione radioattiva dell’elemento krypton per comprendere sia i processi geologici, sia gli effetti dei cambiamenti climatici sulle falde acquifere costiere.
Sotto la superficie della Florida si trova la più grande falda acquifera d’acqua dolce della nazione. Non a caso, questa località è famosa in tutto il mondo per le sue immense e splendide spiagge e per essere totalmente circondata dalle acque, che si tratti del mare cristallino o di una palude.
Inoltre, è famosa per le sue violente tempeste e per possedere un alto grado di umidità. Purtroppo, l’aumento del livello del mare minaccia le aree costiere e gli scienziati, nel tentativo di arginare il problema, stanno usando una tecnica emergente di datazione nucleare per tracciare lo scorrimento dell’acqua.
La falda acquifera della Florida produce 1,2 trilioni di galloni d’acqua ogni anno, cioè quasi 2 milioni di piscine olimpioniche. Serve come fonte primaria di acqua potabile per oltre 10 milioni di persone e supporta l’irrigazione di oltre 2 milioni di acri. Apporta nutrimento anche a migliaia di laghi, sorgenti, zone umide, e agli ambienti circostanti.
Ma con lo scioglimento dei ghiacciai a causa del riscaldamento globale, l’aumento del livello del mare minaccia questa fonte d’acqua – e altre falde acquifere costiere – con l’apporto di acqua salata. È fondamentale più che mai studiare la storia e il comportamento dell’acqua in queste zone, e i sistemi idrici dinamici della Florida rappresentano un ottimo banco di prova.
Fisica nucleare – il krypton
In uno studio condotto dall’Università di Chicago, gli scienziati hanno applicato una tecnica di datazione sviluppata dai fisici nucleari dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), che utilizza una versione radioattiva dell’elemento krypton per studiare l’origine e il flusso dell’acqua dolce e salata nell’acquifero floridiano.
Il risultato dimostra che questa nuova tecnica è promettente per aiutare a capire e prevedere gli effetti del cambiamento climatico sulle falde acquifere costiere, per fornire informazioni sulla gestione delle risorse idriche e per rivelare intuizioni su altri processi geologici
Fisica Nucleare: il centro TRACER di Argonne
Per studiare il flusso nella falda acquifera, gli scienziati hanno utilizzato il centro TRACER di Argonne per eseguire la datazione al Radiokrypton. Questa tecnica funziona secondo gli stessi principi della datazione al carbonio, dove si determina l’età di un elemento in base alla quantità di un certo materiale rimasto nel campione. Ma invece del carbonio, utilizza l’isotopo radioattivo krypton-81.
Una piccola quantità di krypton-81 è prodotta naturalmente nell’atmosfera e può dissolversi nelle goccioline d’acqua nelle nuvole e nei corpi liquidi. Una volta che l’acqua va sottoterra, smette di assorbire il krypton-81 dall’atmosfera, e quello che rimane si trasforma lentamente in altri elementi nel corso del tempo.
Se gli scienziati possono capire il rapporto tra il krypton-81 nell’acqua e nell’atmosfera, possono calcolare quanto tempo è stato sottoterra.
Peter Mueller, uno scienziato della divisione di Fisica di Argonne, commenta:
” È estremamente impegnativo. Poiché il krypton-81 è così raro, servono strumenti di misurazione molto sensibili per rilevare la minuscola quantità all’interno di un campione. Solo uno su un milione di atomi nell’atmosfera è krypton. Inoltre, solo uno su un trilione di atomi di krypton è specificamente krypton-81”.
Questo lascia così pochi atomi da rilevare in un campione, che gli scienziati li contano uno per uno usando una tecnica chiamata Atom Trap Trace Analysis sviluppata ad Argonne.
Fisica Nucleare: il krypton-81
Il team ha raccolto campioni da otto pozzi che toccano la falda acquifera e ha estratto il gas disciolto nell’acqua, compreso il krypton-81. Al centro TRACER, hanno inviato il gas lungo una linea di luce dove sei raggi laser si uniscono per creare una trappola unica per l’isotopo di interesse (in questo caso, il krypton-81). Gli atomi intrappolati appaiono in una telecamera, e gli scienziati possono contarli fino al singolo atomo.
Questo studio è la prima applicazione della datazione al Radiokrypton sulla falda acquifera della Florida.
I risultati dello studio sono stati pubblicati in un comunicato nel numero di settembre di Earth and Planetary Science Letters.
Ecco cosa si evince dal documento
Alcuni dei campioni contenevano acqua salata risalente a 40.000 anni fa, poco prima dell’ultimo massimo glaciale, circa 25.000 anni fa, quando gran parte dell’acqua che ora si trova nell’oceano fu catturata da enormi ghiacciai. Durante questo periodo, il livello del mare era oltre 100 metri più basso di quello attuale.
“A causa del riscaldamento globale, il livello del mare si sta alzando, inducendo l’acqua marina a contaminare le fonti di acqua dolce“, ha spiega Reika Yokochi, professoressa di ricerca presso l’Università di Chicago e scienziato principale dello studio. “La presenza dell’acqua moderatamente datata significa che l’esistenza di acqua salata persiste nella falda acquifera una volta entrata. Questa è una cattiva notizia. Dobbiamo ridurre al minimo il tasso di questo inquinamento“.
Anche se questi campioni salati sono preoccupanti, ci sono anche buone notizie. Gli scienziati hanno confermato che l’acqua nella parte meridionale dell’acquifero floridiano è stata ricaricata con acqua dolce durante l’ultimo periodo glaciale (tra 12.000 e 115.000 anni fa), rafforzando l’attuale comprensione delle dinamiche dell’acqua dolce.
“Abbiamo anche trovato un campione con acqua dolce relativamente giovane, che è una buona notizia per la Florida perché significa che l’acqua scorre attivamente ed è rinnovabile vicino alla Florida centrale“, ha aggiunto Yokochi.
Fisica Nucleare: Una nuova tecnica con un grande potenziale
La datazione al Radiokrypton è una tecnica relativamente nuova, e gli scienziati soddisfatti sostengono che questo è solo l’inizio. Questo strumento ha un potenziale incredibile per guidare la scoperta in fisica, geologia e oltre.
Per esempio, gli scienziati armati di datazione al Radiokrypton possono usare l’acqua delle falde acquifere costiere come potenziali messaggeri dei cambiamenti nei cicli dell’acqua e nella composizione dell’acqua marina di vecchia data. La tecnica può anche fornire informazioni sul movimento degli elementi attraverso i confini terra-oceano, che ha un impatto sui livelli di anidride carbonica (CO2) nell’atmosfera.
Fisica nucleare: Radiokrypton
“Quando l’acqua scorre in superficie o nel sottosuolo, reagisce con la roccia circostante e raccoglie le firme che raccontano una storia“, asserisce Yokochi. “Queste informazioni possono aiutare a migliorare e convalidare i nostri modelli dei sistemi terrestri e il ciclo degli elementi, che sono strettamente legati al clima globale”.
“La datazione al Radiokrypton serve anche come complemento alla datazione al carbonio quando viene eseguita sugli stessi campioni. Gli scienziati possono usare i risultati della datazione al Radiokrypton per calibrare l’analisi della datazione al carbonio. Una volta corretti, i dati al carbonio possono fornire ulteriori informazioni, specialmente sui tassi di reazione acqua-carbonato“.
“Quando hai un nuovo strumento come questo e lo applichi per la prima volta, anche in una falda acquifera che è stata molto studiata, improvvisamente ottieni una nuova prospettiva e una nuova comprensione“, conclude Mueller. “I dati di pochi campioni sono ricchi di opportunità e questo studio dimostra il grande potenziale del krypton-81 in molteplici campi della geochimica”.
