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          借助氚/氦-3技術管理水資源預算

          源自《國際原子能機構通報》
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          科學家利用同位素技術研究摩洛哥北部泉水的年齡和來源。(圖/摩洛哥國家核能、科學和技術中心)

          管理水就像管理您銀行賬戶的資金一樣:您需要確切知道有多少錢進入,有多少可以取出,以及可能導致變化的原因。錯誤估計可能會產生嚴重的、可能持久的后果。在水世界中,這可能意味著水短缺或者水資源被污染、無法使用。

          為了建立可靠的水資源預算,關鍵因素之一是了解水的確切年齡。對于更容易受當前氣候條件和污染影響的新生水,科學家們使用氚/氦-3技術。通過這項技術和其他技術,來自23個國家的科學家正在與原子能機構合作收集有關水資源的數據。

          “水的年齡可以說明它最可能的來源、補給速度以及被污染的可能性,”摩洛哥國家核能、科學和技術中心科學主任 Hamid Marah說。“利用氚/氦-3技術,我們可以知道水是1年、5年還是25年,而不僅僅認為它是新生、古老,或兩者兼而有之。”

          水的年齡可以從幾個月到幾百萬年不等。例如,如果水是一年,這意味著它需要一年的時間來補充,更有可能受到當前氣候條件和污染物的影響。如果水已有5萬年的歷史,則需要5萬年的時間進行補充,并且不太可能受到當前氣候變化的污染或影響。

          幾乎所有世界上可用的淡水供應都存在于含水層中,含水層是地球表面下的多孔滲透性巖層。它們含有的水被稱為地下水。隨著地下水的補給或補充,它最終流入大海或自然地流入地球表面,如河流、泉水和湖泊。

          “對地下水的需求不斷增長,加上農業、氣候變化和人類活動的影響,使可持續性變得更加重要,” Marah說。“從含水層過多地提取水,水位會下降,這可能是災難性的。我們談的不是從現在起10到20年:它的影響持續幾代。”

          氚/氦-3技術是研究新生水即60年以下的水的最常用技術之一。從這些研究中收集的數據可以幫助決策者制定更有針對性和可持續性的水資源管理戰略和政策。

          “利用核技術進行水資源研究正在打破范式并改變我們對控制水文過程的關鍵驅動因素的傳統理解,”哥斯達黎加國立大學同位素水文學家兼副教授 Ricardo Sánchez-Murillo說。“例如,在哥斯達黎加,使用同位素技術獲得的結果正在為制訂水管理計劃和決定提供輸入,幫助該國在2030年前實現聯合國有關水問題的“可持續發展目標6”。

          更準確的預算

          在過去十年中,氚/氦-3技術已成為一種越來越重要的技術,之前僅使用氚的方法變得越來越不實用。

          “氚可以告訴我們地下水的年齡以及它是否正在得到補給,這是非常重要的信息,但單靠氚無法為我們提供所需的詳細程度。決策者需要了解更多:水新生意味著什么?多少年算新生?” Marah說。由于20世紀50年代熱核裝置的大氣試驗,大氣中氚的含量在20世紀60年代急劇增加,此后逐漸下降。“從20世紀60年代到90年代,氚是一種良好的示蹤劑,但目前大氣中的氚含量較少,因為它已經衰變成氦-3,因此我們現在更多地關注氚與氦-3的比率,這更確切。”

          存在于水中的天然存在的放射性同位素(例如氚(3H)和碳-14(14C))以及溶解于水中的惰性氣體同位素(例如氪-81(81Kr))可用于估計地下水年齡。(圖片來源:國際原子能機構)

          氦是一種惰性氣體,也就是說它是穩定的,不會與巖石或水中的其他元素發生化學反應。這使其成為一致且可靠的參考點。通過了解氚衰變后產生的氦即氦-3與水中氦總量的比率,以及其他惰性氣體的濃度,科學家們可以確定新生水的確切年齡。

          “惰性氣體在水研究方面的應用不斷增加,因為現在分析裝置的改進足以檢測出進入的極少量這些氣體,”原子能機構同位素分析師 Takuya Matsumoto說,“但是,對于許多國家來說,建立自己的實驗室進行這些分析是不經濟或不可行的。原子能機構同位素水文學實驗室向各國提供這項服務,使他們能夠從這種復雜的技術中受益。”

          原子能機構同位素水文學實驗室是世界上少數幾個能夠進行這些分析的實驗室之一。從2010年開始,原子能機構的一個小組和來自10個國家的外部專家花了6年的時間來建立、校準和測試原子能機構的質譜儀以及用于分析結果的數學模型。他們還制定了使用氚/氦-3技術的導則。從那時起,該實驗室一直在全天候處理來自世界各國的樣品,每年達300到400個。

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