Подземные воды составляют около 30 процентов мировых запасов пресной воды. Это делает их важным ресурсом для решения актуальных глобальных вопросов, связанных с ростом населения планеты, расширением сельского хозяйства и увеличением расхода воды в различных отраслях, таких как добыча нефти и газа, горнодобывающая промышленность, производство одежды и текстиля, а также животноводство. Чтобы обезопасить подземные воды от угроз чрезмерной добычи или загрязнения, а также для обеспечения устойчивого управления ими в будущем, важно понимать, откуда берутся подземные воды в тех или иных местах, каково их качество и как быстро они восполняются. Ученые могут проводить такие исследования, анализируя «отпечатки пальцев» воды, называемые изотопами, которые представляют собой вариации атомов в молекуле воды.
Что такое подземные воды?
Подземные воды — это водные ресурсы, находящиеся под землей. Они могут быть скрыты в трещинах и пространствах в скальных породах и осадочных отложениях, образуя подземный ресурс, содержащийся в так называемых водоносных горизонтах. В зависимости от особенностей водоносного горизонта, подземные воды могут быть извлечены через насосные скважины для использования в целях водоснабжения, водоснабжения промышленных предприятий, орошения, а также для других связанных с жизнедеятельностью человека целей.
Как формируются водоносные горизонты и почему настолько важно использовать их разумно?
Подземные воды являются частью круговорота воды. После дождя часть воды впитывается в почву и под воздействием силы тяжести оседает вниз через подпочву и движется до тех пор, пока не достигнет плотной, непроницаемой породы, известной как водоупор. Многие водоносные горизонты связаны с реками и другими поверхностными водоемами, которые поддерживают их в сухой сезон. В сезон дождей эта система может работать в обратном направлении: подземные воды возвращаются в реки и озера и пополняют их.
Скорость восполнения водоносного горизонта зависит от климата и окружающей среды в том месте, где оно происходит. Водоносные горизонты в районах с небольшим количеством осадков могут восполняться веками. В то же время неглубокие водоносные горизонты в районах с большим количеством осадков могут восполняться практически мгновенно. Таким образом изменение климата, которое приводит к более интенсивным засухам и к более интенсивному выпадению осадков, влияет на скорость восполнения водоносных горизонтов, а также на объем подземных водных ресурсов, доступных для устойчивого использования.
Активное использование подземных вод для нужд человечества, например, в сельском хозяйстве или промышленности, в масштабах, не соответствующих скорости восполнения водоносных горизонтов, может поставить под угрозу не только их сохранность (в случае осушения они могут исчезнуть), но и привести к уменьшению общего количества воды, доступной человеку, поскольку подземные воды составляют значительную часть имеющихся в мире запасов пресной воды.
Кроме того, подземные воды не всегда могут быть достаточно чистыми для использования человеком. Деятельность человека, такая как сброс сточных вод или чрезмерное использование пестицидов и удобрений, включая навоз животных, является одним из основных источников загрязнения подземных вод. Поэтому определение происхождения загрязняющих веществ является первым шагом на пути к решению проблем, связанных с качеством воды. Проект технического сотрудничества МАГАТЭ посвящен изучению влияния изменения климата и деятельности человека на подземные водоносные горизонты в странах Восточной Европы и Центральной Азии. Чтобы узнать больше, перейдите по ссылке.
Что такое изотопы и как они могут помочь ученым оценить состояние воды?
Молекулы воды состоят из атомов кислорода и водорода. Некоторые разновидности атомов одного и того же химического элемента, называемые изотопами, могут быть использованы для изучения круговорота воды, в том числе, подземных вод.
Изотопы — это атомы одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.
Различные «изотопные» методы используются для измерения количества и соотношения изотопов, а также для отслеживания их происхождения, истории, источников и взаимодействий в окружающей среде.
В зависимости от того, откуда она поступает, вода имеет уникальные изотопные «отпечатки пальцев», также называемые изотопной сигнатурой. Ученые анализируют изотопы, чтобы проследить движение и источники загрязнения воды на разных этапах ее круговорота.
Как изотопы помогают ученым выявить чрезмерное использование подземных вод?
Ученые используют изотопы в масштабных исследованиях водных ресурсов, чтобы оценить их количество, возраст и происхождение, а также установить, является ли устойчивым объем воды, используемый людьми.
К примеру, естественные радиоизотопы, содержащиеся в подземных водах, такие как тритий, углерод-14 и инертные газы гелий-3, гелий-4 и криптон-81, используются для получения информации о возрасте подземных вод и временных циклах, связанных с их движением. Анализируя концентрацию различных комбинаций стабильных изотопов и радиоизотопов, ученые могут рассчитать, когда именно происходит пополнение запасов воды в водоносных горизонтах, как быстро движутся потоки подземных вод и сколько времени требуется для их восполнения. Благодаря этим данным можно установить, в частности, не расходуется ли в отдельно взятом сельскохозяйственном районе больше подземных водных ресурсов, чем может быть своевременно восполнено для обеспечения ирригации в долгосрочной перспективе.
Как ученые используют изотопы для изучения загрязнения подземных вод?
Для обнаружения загрязняющих веществ, включая нитраты и сульфаты, ученые используют определенные изотопы, такие как азот-15, кислород-18 и сера-34. Кроме того, эти изотопы используются для определения пригодности подземных вод в том или ином месте к использованию человеком.
Ученые могут установить, что источником загрязнения воды, содержащей избыточное количество нитратов, являются отходы жизнедеятельности человека или удобрения. Нитрат-ионы состоят из азота и кислорода, причем азот имеет два изотопа, а кислород — три. Соотношение этих изотопов в отходах жизнедеятельности человека и в удобрениях отличается, и с помощью этого различия можно определить источник загрязнения. Установление источника загрязнения воды является важным шагом к улучшению ее качества и повышению устойчивости управления водными ресурсами.
Какую роль играет МАГАТЭ?
МАГАТЭ применяет изотопную гидрологию для поддержки государств-членов в оценке водных ресурсов и устойчивом управлении водными ресурсами. Кроме того, через посредство своей Лаборатории изотопной гидрологии Агентство предоставляет помощь и обучение лабораториям и специалистам в сфере аналитических услуг.
МАГАТЭ разработало широкий спектр учебных курсов, на которых проводится обучение основам изотопной гидрологии и изотопному анализу стабильных изотопов, трития и благородных газов.
В рамках своей программы технического сотрудничества МАГАТЭ тесно сотрудничает с государствами-членами с целью повысить доступность и устойчивость пресноводных ресурсов путем проведения научно обоснованных комплексных оценок водных ресурсов.
В партнерстве со Всемирной метеорологической организацией МАГАТЭ управляет Глобальной сетью «Изотопы в осадках» (ГСИО), которая предоставляет научные консультации, логистическую и техническую поддержку в области изотопной гидрологии.