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                同位素水文学★是如何发挥作用的?

                来源:广东省辐射防护协会 发布时间: 2019-08-20 10:30:00

                同位素技术让科学家能够了解水循环的构成,帮助他们更好地评价水量、水质和水的可持续性。

                在水循环方面,人们了解最少的是地下水。科学家利用天然存在的▓放射性同位素作为示踪剂来查明地下水是否在得到补给、从何而来、在地下如何运动、是否容易受到污染和∑ 不断变化的气候状况的影ㄨ响。

                不同地方的水具有不同的同位素特征或△独特的“指纹”。科学家利用这些“指纹”追踪整个水循环过程中水在流经◣路径上☆的运动:从蒸发、沉淀、渗滤到径流和蒸腾,然后回到海洋或大ζ气,如此往复。

                什么是同位素?

                化学元素(如氢)完全由一种原子构成,而同一种原子的种类各有不同,这些不同种类的原子就是同位素,它们具有相同』的化学特性,有相同数量的质子和电子,但中子数不同。中子数的差别使得每种同位素的重量不同,而此重量差别就是︾水文研究的关键。

                同位素水文学既使用稳定同▆位素,也使■用不稳定同位▆素。稳定同位素具有非放射性,也就是说它们不发出①辐射。不稳定同位素(亦称为放射性同位素)经历放射性△衰变,因此具有放射♂性。

                那么同位素水文学科学是如何工作的?

                水循环中水的←来源和输运

                每一个水分子(H2O)都是由两个氢(H)原子〗和一个氧(O)原子组成,但它们并非完全相同:有些原子的同位素较轻∴,有些则较重。科学家们使用精确的分析设备测量水样品中这些微小的重♀量差异。为什么呢?

                在海水蒸发过程中,具有较轻同位素的分子ㄨ往往优先上升,形成具有特定同位素◥特征的云。这些云层混合了水分子,水分子以←雨的形式降落。具有较重同位〇素的水分子最先落下。随后,云失去〖这些较重同位素,并进一㊣步向内陆移动№,较轻同位素以更大比例落下。

                水落到地上】↓,充满湖泊、河流和含水层。通过测量这些水体中重同位素与轻同位素的』比率,科学家可以破译水的来源和运动。

                地下水年龄

                同位素是估算水资源年龄、脆弱性和可持续性的最直接和最有力的工具。含水层∮中的地下水“年老”,意味着水流缓慢,且含水层需要长时间才能得到补给。相反,“年轻”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断变化的气候状况的影响。了解水的年龄使科学家和政府◥能够很好地掌握含水层的补给率。

                在水文学〇中,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)和惰性气体放射性同位素,被用于估算→地下水年龄。此年龄可能从数月到数百万年不等。

                这些@ 同位素随着时间衰减,其丰度也逐年减少。较高的值意味着水“较年轻”,而较◆低的值意味着水“较年老”。例如,可检测到氚含量的地下水可能有60年左右的历史,而不含氚的地下水则必︻然更古老。氚用于测定新近补给的地下水,即小于60年的地下水,而碳-14用于测定4万年以上√的水,氪-81用于测定百万年以上的︼水。

                水质

                地表水和地▃下水中的污染物来源多种多样,如农业、工业和人类排泄物,也可能由于含水层中发生的地球化学々过程而自然存在。农业、工业和家庭产生的污染物种类各不相同。通过研究污染物的化学和同位素组成,科学家可以确定其来源。

                例如,由氮和氧形成的▓硝酸根离子(NO3)是一种常见的污染物。氮有两种不同重量的稳定同位素。人类排泄物和肥料中氮的重量差别是不同的。肥料用的是空︼气中的氮,而人类和动物则经过一个生物过程将氮转〓化为不同的形式。因此,可以根据这些同位素的重量差别来识别不同来源的污染物。 (作者 Laura Gil)