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同位素水文学是□□如何发挥作用的▓?

发布日期:2019-08-20 信息来源:广东省辐射防护协会 字号:【

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。 (编辑 Laura Gil)

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