Получение надежных данных об осадках из прошлого оказалось сложным, как и прогнозирование региональных изменений для моделей климата в настоящем. Сочетание изотопных методов, разработанных исследователями из Аргонны и Калифорнийского университета в Чикаго, может помочь решить обе проблемы.
Пустыня Негев, покрывающая половину территории Израиля, настолько сухая, что некоторые ее части получают менее трех дюймов воды в год. Настолько сухой, что его климатологический термин - «гипераридный». Но, как и большинство мест на Земле, этот регион развился до своего нынешнего состояния после эонов изменений климата и геологии.
Сегодня, несмотря на высохший внешний вид, под Негевом все еще есть вода. Понимание того, откуда он взялся, сколько его осталось и что с ним происходит, имеет решающее значение для безопасности и распределения этого важнейшего ресурса.
Исследователи из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле сотрудничают с коллегами из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета, чтобы лучше понять систему водоносных горизонтов нубийских песчаников, которая находится под значительной частью Негев и другие части Израиля.
Сочетая новаторский метод датирования радиокриптона в Аргонне с другими изотопными отпечатками состава воды, исследователи могут не только сказать, когда эта вода была отложена, но и откуда она взялась, и климатические условия, которые привели к ее образованию почти 400, 000 лет назад. Результат знаменует собой первый случай, когда ученые смогли использовать подземные воды для построения картины древнего гидроклимата, существовавшего так далеко.
Статья с описанием исследования «Радиокриптон раскрывает двойные источники влаги в глубоком водоносном горизонте пустыни» была опубликована 29 июля в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Ловим атомы в поисках подсказок
«Водоносные горизонты под Негевом сегодня не пополняются, поэтому, по-видимому, были времена, когда в этом регионе было гораздо больше дождей, которые собирались под землей», - говорит Питер Мюллер, главный физик Аргоннского центра радиоизотопного анализа (ТРЕЙСЕР).
Чтобы определить, когда и как это могло произойти, команда собрала воду из более чем 20 колодцев в этом районе, затем отделила газ криптон и проанализировала его с помощью технологии, называемой анализом следов атомных ловушек (АТТА). метод, впервые разработанный в Аргонне для поддержки ядерно-физических измерений.
ATTA измеряет воду на наличие следов редкого изотопа криптона (Kr) 81Kr, который может датировать воду в диапазоне примерно от 40 000 до 1.5 миллионов лет. Это увеличивает его далеко за пределы диапазона радиоуглеродного датирования, который не может точно выйти за пределы примерно 40 000 лет.
Анализ АТТА показал, что вода в колодцах накапливалась в результате двух крупных событий «подзарядки», которые произошли менее 40 000 и около 360 000 лет назад. Оба периода совпали с более прохладным климатом. Эти «региональные влажные периоды» созрели для развития штормов, которые могли обеспечить количество осадков, достаточное для пополнения водоносных горизонтов Негева..
В то время как 81Kr обычно обеспечивает отличное окно во временной период, данные о распределении оказались неожиданно сложными и загадочными. Но он показал интересную ковариацию с дейтерием, изотопом водорода, более тяжелым, чем тот, который содержится в «обычной» воде.
«Мы искали дельта-дейтерий, который является мерой разницы в соотношении тяжелого водорода и обычного водорода», - говорит Джейк Заппала, постдокторант Центра TRACER.«Это число будет варьироваться для разных водоемов в зависимости от того, откуда поступала вода и какие были погодные условия, что очень важно».
Поскольку дейтерий имеет большую массу, чем водород, он ведет себя по-разному, испаряясь и конденсируясь при разных температурах. Например, когда испарение происходит быстро, как над Средиземным морем, оно демонстрирует своеобразную характеристику по сравнению с глобальными тенденциями осадков. Несмотря на то, что он очень редок по сравнению с водородом - только одна из десяти тысяч молекул воды содержит один атом дейтерия вместо водорода - его можно измерить очень точно.
Таким образом, ученые могут «отпечатки пальцев» таких водоемов на основе конкретных признаков его стабильных изотопов. По мнению исследователей, каждая климатическая модель оставляет свой отпечаток в этой подписи.
«Этот проект показывает нам, что эти инструменты могут быть действительно преобразующими, отслеживая движение воды намного дальше, чем мы могли раньше», - сказала Рейка Йокочи, доцент кафедры геофизических наук Чикагского университета. и первый автор нового исследования.
Йокочи, который сотрудничает с командой ATTA с 2012 года, сыграл ключевую роль в разработке некоторых методов извлечения, которые команда использует в настоящее время. Ей пришла в голову идея объединить два набора данных, чтобы найти корреляцию между 81Kr и данными по дейтерию.
Гадание по древней воде
Исходя из ковариации и пространственного распределения данных, команда определила, что вода во время двух пополнений поступала из двух разных источников. Около 400 000 лет назад в этом регионе было прохладнее, чем сейчас, и считается, что влага поступала из Атлантического океана в виде тропических шлейфов. Более поздняя подпитка, менее 40 000 лет назад, могла быть результатом средиземноморских циклонов во время самого последнего крупного оледенения или последнего ледникового максимума..
«Насколько нам известно, это был первый случай, когда подземные воды можно было напрямую использовать в качестве климатического архива в таких длительных временных масштабах», - говорит Заппала.«Используя радиокриптоновое датирование, мы можем сказать, когда шел дождь, а соотношение тяжелой и легкой воды напрямую говорит нам о погоде. Таким образом, у нас есть прямая корреляция между временем и региональными погодными условиями».
Еще один интересный момент заключается в том, что вода поступала из зоны разлома, расположенного недалеко от зоны землетрясения, отмечает Йокочи, предполагая, что разломы могут служить «стеной», которая сохраняет относительно пресную воду на протяжении сотен тысяч лет.
«Возможно, подобные хранилища воды могут существовать вдоль других зон разломов по всему миру», - говорит она.
На сегодняшний день получение надежных данных об осадках из прошлого оказалось сложным, как и прогнозирование региональных изменений для моделей климата в настоящем. Комбинация изотопных инструментов, используемых командой, может быть частью решения обеих проблем.
Поскольку инструменты продолжают давать более достоверную картину прошлых климатических явлений, таких как региональные водные циклы Негева, исследователи полагают, что эти данные могут служить для калибровки современных моделей подобных климатических явлений.
"Предсказывает ли ваша климатическая модель правильный характер осадков 400 000 лет назад?" - спрашивает Мюллер. «Используя наши данные, разработчики моделей могут выполнить расчет в прошлое, чтобы убедиться, что их модель верна. Это одна из ключевых вещей, которые мы можем предоставить».