Nous le tapotons, le pomper et le tirer du dessous de la surface de tous les paysages imaginables, du désert à la cour de banlieue bien entretenue. C'est le seul ingrédient essentiel requis pour maintenir la vie. L'eau.

Il n'est donc pas étonnant que nous nous demandions constamment d'où il vient, où ça va, quelle quantité est disponible et si elle est et restera potable.

Grâce aux isotopes extrêmement rares du krypton (Kr) et au travail manuel innovant des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE), nous pouvons maintenant répondre à bon nombre de ces questions qui ne pouvaient pas être traitées auparavant avec des méthodes plus traditionnelles.

Un unique, au laser, technique de comptage d'atomes appelée Atom Trap Trace Analysis (ATTA), développé avec le soutien du programme de physique nucléaire du DOE, aide les physiciens d'Argonne à capturer et à compter sélectivement les isotopes ⁸¹ Kr et ⁸⁵ Kr pour déterminer l'âge de la glace et des eaux souterraines. Les résultats fournissent des informations précieuses sur la dynamique, débits et direction de l'eau dans les aquifères, en particulier celles vitales pour les régions arides.

Les perfectionnements de la technique ATTA utilisée à Argonne permettent l'exploration de nouveaux isotopes pour les tranches d'âge intermédiaires, ainsi que la mise à disposition de cette technologie, pour la première fois, à la communauté des sciences de la Terre dans son ensemble.

Racines de la datation des eaux souterraines

Utilisé à l'origine pour étudier les questions de physique fondamentale, Des techniques de refroidissement et de piégeage des atomes par laser pour la datation des eaux souterraines ont été développées à Argonne en 1997.

Argonne reste l'un des deux seuls sites au monde à utiliser ATTA spécifiquement pour les mesures de datation au krypton; l'autre est à l'Université des sciences et technologies de Chine.

Ce processus d'utilisation d'isotopes radioactifs du krypton pour dater la matière est appelé datation au radiokrypton, et ses avantages complètent ceux de techniques plus établies, comme la datation au radiocarbone.

Les isotopes radioactifs sont caractérisés par leur demi-vie, ou le temps qu'il faut pour que la moitié des atomes se désintègrent en un élément différent. Dans ce cas, la moitié de la ⁸¹ Les atomes de Kr se désintègrent en l'élément brome après 230, 000 ans. Les chercheurs peuvent utiliser ce processus pour dater de la glace ou de l'eau avec une tranche d'âge d'environ 50 ans, 000 à 2 millions d'années. Cette tranche d'âge est importante car la datation au radiocarbone ne permet pas de dater des échantillons de plus de 50 ans, 000 ans.

« Un autre avantage de ⁸¹ Kr est que c'est l'un des gaz nobles, qui sont chimiquement inactifs. Cela signifie qu'il n'est pas impliqué dans des réactions chimiques dans l'atmosphère ou sous terre et ne nécessite pas de corrections que vous devez faire avec des atomes comme le carbone, qui est chimiquement très actif, " dit Jake Zappala, un post-doctorant au pôle Physique d'Argonne, qui a été étroitement impliqué dans les récents développements de l'ATTA.

Produit naturellement dans l'atmosphère par les rayons cosmiques, ⁸¹ Les atomes de Kr s'infiltrent dans les eaux de surface ou sont piégés dans la glace pendant la formation. Une fois séparé de l'atmosphère, ces petites horloges nucléaires commencent à tourner, et les isotopes commencent leur lente désintégration tout en étant entraînés par le mouvement souterrain de l'eau et de la glace.

Détecter cet isotope, bien que, est extrêmement difficile. Le krypton représente une partie par million de tous les atomes de l'atmosphère, et moins d'un sur chaque billion de ceux-ci est un atome de ⁸¹ Kr.

Prélèvement et analyse d'échantillons

Malgré la rareté du krypton, le processus de collecte semble aujourd'hui relativement simple par rapport à il y a 20 ans. Là où la collecte sur le terrain était autrefois une entreprise lourde qui nécessitait des dizaines de milliers de litres d'eau, la nouvelle technologie de l'établissement de rencontres a amélioré le processus de plusieurs ordres de grandeur, a expliqué le physicien Peter Mueller, le chercheur principal de l'établissement.

Maintenant, les échantillons sont collectés à l'aide d'un système d'extraction de gaz dont la taille va des dimensions d'un grand sac à dos à des unités plus robustes qui tiennent dans le lit d'un SUV compact et ne nécessitent que 100 à 200 litres d'eau.

La quantité de glace nécessaire pour extraire une quantité suffisante de gaz a également chuté de façon spectaculaire au cours des dernières années, de 300 à 20 kilogrammes.

Les outils, En réalité, ont été rationalisés au point où les utilisateurs de l'installation peuvent être équipés de systèmes d'extraction de gaz compacts pour leur travail sur le terrain, puis envoyer les échantillons extraits directement à Argonne pour analyse.

"Nous avons démontré que la technique est vraiment utile, ", a déclaré Mueller. "Mais maintenant, notre objectif est d'en faire une partie de la boîte à outils standard pour les hydrologues."

Pour déterminer l'âge d'un échantillon, le gaz krypton purifié est injecté dans la ligne ATTA, où la lumière laser refroidit sélectivement et piège les atomes de ⁸¹ Kr, ⁸⁵ Kr - un isotope avec une demi-vie de 10 ans - et l'isotope stable ⁸³ Kr, sur un cycle alterné de 5 minutes.

Parce que chaque isotope a une structure électronique légèrement différente, le laser peut être réglé sur un laser spécifique, offrant une parfaite sélectivité. Ces atomes spécifiques sont capturés dans un piège magnéto-optique 3-D à l'extrémité de la ligne de lumière, où une caméra sensible à dispositif à couplage de charge (CCD) prend une photo, fournissant un moyen par lequel compter les atomes un à la fois.

Le nombre d'atomes comptés dans un temps donné est directement proportionnel à l'abondance de cet isotope dans l'échantillon. Une fois la mesure de l'échantillon terminée, généralement dans les 2 à 4 heures, un gaz de référence calibré de krypton pur contenant l'abondance atmosphérique naturelle est injecté dans le système et mesuré de la même manière à des fins de comparaison.

« Si le taux de comptage de ⁸¹ Les atomes de Kr dans l'échantillon ne représentent que la moitié de ceux du gaz de référence, nous savons qu'en moyenne 230, 000 ans se sont écoulés depuis que l'eau ou la glace ont été en contact avec l'atmosphère, " dit Mueller.

Applications et avantages

En utilisant la technique ATTA, Les chercheurs d'Argonne ont déjà échantillonné de la glace et de l'eau dans de nombreux environnements et tranches d'âge distincts. Daté de 120, 000 ans, d'anciens échantillons de carottes de glace du glacier Taylor, en Antarctique, aidé à vérifier ⁸¹ La capacité de Kr à dater avec précision la glace et présente maintenant un intérêt pour les études de recherche sur le climat. Une étude de quelque 70 puits en Israël aidera à déterminer la dynamique d'écoulement et de mélange dans des aquifères aussi vieux que 600, 000 ans et fournir des informations cruciales sur la durabilité à long terme de cette ressource critique.

Argonne a accompagné des dizaines de ces projets, couvrant les sept continents, conçu pour étudier l'écoulement de l'eau et de la glace.

Pour faire avancer la portée de leur travail, l'équipe d'Argonne est en train de construire une nouvelle installation utilisateur et une nouvelle ligne de lumière, qui servirait de cheval de bataille au laboratoire, augmenter efficacement l'attrait de la communauté géoscientifique au sens large. L'instrument existant continuera à servir d'outil de recherche et de développement permettant d'améliorer encore la technique de piégeage d'atomes.