同位素水文學：綜述

化學元素（如氫）完全由一種原子構成，而同一種原子的種類各有不同，這些不同種類的原子就是同位素，它們具有相同的化學特性，有相同數量的質子和電子，但中子數不同。中子數的差別使得每種同位素的重量不同，而此重量差別就是水文研究的關鍵。

同位素水文學既使用穩定同位素，也使用不穩定同位素。穩定同位素具有非放射性，也就是說它們不發出輻射。不穩定同位素（亦稱為放射性同位素）經歷放射性衰變，因此具有放射性。

下面簡述同位素水文學科學是如何工作的。

每一個水分子（H₂O）都是由兩個氫（H）原子和一個氧（O）原子組成，但它們并非完全相同：有些原子的同位素較輕，有些則較重。科學家們使用精確的分析設備測量水樣品中這些微小的重量差異。為什么呢？

在海水蒸發過程中，具有較輕同位素的分子往往優先上升，形成具有特定同位素特征的云。這些云層混合了水分子，水分子以雨的形式降落。具有較重同位素的水分子最先落下。隨后，云失去這些較重同位素，并進一步向內陸移動，較輕同位素以更大比例落下。

水落到地上，充滿湖泊、河流和含水層。通過測量這些水體中重同位素與輕同位素的比率，科學家可以破譯水的來源和運動。

同位素是估算水資源年齡、脆弱性和可持續性的最直接和最有力的工具。含水層中的地下水“年老”，意味著水流緩慢，且含水層需要長時間才能得到補給。相反，“年輕”地下水很容易迅速得到雨水更新，但也很容易受到污染和不斷變化的氣候狀況的影響。了解水的年齡使科學家和政府能夠很好地掌握含水層的補給率。

在水文學中，存在于水中的一些天然存在的放射性同位素，如氚（3H）、碳-14（14C）和惰性氣體放射性同位素，被用于估算地下水年齡。此年齡可能從數月到數百萬年不等。

這些同位素隨著時間衰減，其豐度也逐年減少。較高的值意味著水“較年輕”，而較低的值意味著水“較年老”。例如，可檢測到氚含量的地下水可能有60年左右的歷史，而不含氚的地下水則必然更古老。氚用于測定新近補給的地下水，即小于60年的地下水，而碳-14用于測定4萬年以上的水，氪-81用于測定百萬年以上的水。

地表水和地下水中的污染物來源多種多樣，如農業、工業和人類排泄物，也可能由于含水層中發生的地球化學過程而自然存在。農業、工業和家庭產生的污染物種類各不相同。通過研究污染物的化學和同位素組成，科學家可以確定其來源。

例如，由氮和氧形成的硝酸根離子（NO₃）是一種常見的污染物。氮有兩種不同重量的穩定同位素。人類排泄物和肥料中氮的重量差別是不同的。肥料用的是空氣中的氮，而人類和動物則經過一個生物過程將氮轉化為不同的形式。因此，可以根據這些同位素的重量差別來識別不同來源的污染物。

了解污染物的來源是解決水質問題的第一步。同位素水文學家收集的數據對決策者的戰略研究很有幫助。

原子能機構通過促進同位素技術應用，將科學專門技術傳授給當地水專業人員，為世界各地的科學家提供支持。

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本文登載于《國際原子能機構通報》2019年4月刊《水》

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