通過捕獲原子認識全球的地下水

原子阱痕量分析方法能檢測同位素丰度低至10-16的原子，實現可靠的定年。

利用放射性氪同位素進行定年的夢想始於 1969年，瑞士伯爾尼大學的Loosli和Oeschger首先發現了空氣中存在81Kr。這種半衰期為23萬年的核素由宇宙射線產生，在大氣中分布十分均勻，同位素丰度約6×10-13。小部分氪氣會溶於水或被凍在冰里，其中的81Kr由於衰變將簡單地隨著時間而減少，因此它對測定 10萬到 100萬年間水或冰的年代十分理想。而此年代範圍超出了14C(半衰期為 5700年)所能應用的範圍。

四十多年來，物理學家們曾經嘗試了各種辦法來實現81Kr測年。一種全新的方法——「原子阱痕量分析方法(ATTA)」，從 15年前起就在美國阿貢國家實驗室逐漸發展起來，並建成了 ATTA-3裝置 。它目前每個月測量約 10 個氪氣樣品，而每個樣品提取自約 200 升的地下水或 100 公斤的冰。它的應用開擴了研究方向，並將帶來許多全新的認識，尤其是在氣候變化研究以及水資源管理方面。

ATTA 方法利用激光原子阱來捕獲特定的同位素原子，進行原子計數。激光的頻率準確地匹配目標同位素原子的躍遷頻率，使得激光僅和該同位素原子強烈地作用，並實現捕獲。一個被捕獲的原子將不斷地散射光子，成為一個明亮的光點，從而被相機記錄下來，其特徵又如此明顯，使得絕不可能發生誤報。

除了81Kr，地球大氣中還包含另外兩種長壽命的惰性氣體同位素：85Kr，半衰期為10.8年，同位素丰度約2×10-11，產生於核裂變反應，主要在核燃料再處理時進入大氣；39Ar，半衰期為 269 年，丰度約 8×10-16，由宇宙射線在大氣中產生。這兩種核素也可用於地質分析，並覆蓋不同的年代應用範圍。ATTA 實驗裝置可以準確無誤地挑出同位素丰度僅 10-16的39Ar原子，而不受其他任何原子或分子的干擾。然而為了達到實際應用的要求，還需通過樣品預富集等方法，將39Ar探測效率再提高10—100倍。

ATTA 方法將為從冰川到火山研究的諸多領域提供全新的機會：

極地冰芯研究，可以幫助地質學家們重現早至 80 萬年前地球的氣候以及大氣成分。古冰不僅存在於冰層深處，還有很多因剝蝕作用而暴露在冰層表面。這些表面的古冰可以像深層冰芯一樣，用於古氣候研究。在2012年，由冰川學家和物理學家組成的一個聯合小組，用 ATTA-3 分析了南極泰勒冰川的樣品，證實了對古冰81Kr測年的可能性和準確性。

洋流循環是地球氣候動態系統的主要組成之一，其典型的區域性循環周期恰好和39Ar的半衰期相當。因此，39Ar測年能讓科學家們做出更高解析度的洋流分布圖。系統性地測量溶解在洋流中的39Ar，並和14C數據結合在一起，能填補在深層洋流循環和混合認識上的一大空白，它還可以幫助海洋學家更好地預測海洋中封存的二氧化碳。

放射性稀有氣體同位素測年在水文學領域已經取得了很大進步。通過對大量水井所提取的樣品進行測年，水文學家可以繪製出整個水系的地下補給圖，從而更好地理解、甚至預測自然和人類活動(如抽取地下水)對地下含水層的影響。這將有助於更好地管理和利用水資源。利用 ATTA 測81Kr的方法，已經先後測量了非洲努比亞含水層、澳大利亞大自流盆地和南美瓜拉尼含水層，所得數據成為建立水流模型的基礎。水文學家們正計劃對世界主要水系進行採樣和81Kr測量。此外，在美國新墨西哥州的核廢料封存區，81Kr測量還幫助檢驗了其地下水的隔離性。科學家們還能利用半衰期較短的85Kr，評價年齡在 60年以內的淺層「年輕」地下水的流動和受化學污染的影響。進一步發展ATTA方法，將使得39Ar測年也成為地下水研究的標準工具。對於100—1000年這個十分重要年代範圍，39Ar是目前唯一可用的示蹤劑，因此其意義不言而喻。

(中國科學技術大學 胡水明 編譯自 Zheng-Tian Lu. Physics Today, 2013,(3): 74)

本文選自《物理》2013年第3期

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