Kỹ thuật đồng vị cho phép các nhà khoa học không chỉ hiểu về chu trình nước trên trái đất, mà còn giúp con người đánh giá chuẩn hơn về cả số lượng và chất lượng nước từ đó có giải pháp sử dụng nước một cách bền vững.
Trong chu trình nước trên trái đất thì nước ngầm là thành phần khó đánh giá nhất. Từ lâu, các nhà khoa học đã sử dụng các đồng vị xuất hiện tự nhiên làm chất đánh dấu để tìm hiểu xem liệu nước ngầm có được bổ cập hay không, nguồn gốc từ đâu, cách nó di chuyển dưới lòng đất và liệu nó có dễ bị ô nhiễm và hay thay đổi do khí hậu thay đổi hay không.
Nước có xuất xứ từ những địa điểm khác nhau có đặc trưng đồng vị khác nhau và được coi như là “dấu vân tay”. Các nhà khoa học sử dụng những dấu vân tay này để theo dõi sự chuyển động của nước dọc theo đường đi của nó trong toàn bộ chu trình nước: từ bay hơi, mưa xuống, thấm, đến thoát nước và thoát hơi nước, sau đó quay trở lại đại dương hoặc khí quyển và lặp lại.
Đồng vị là những nguyên tố hóa học có số lượng proton và electron bằng nhau do vậy có cùng tính chất hóa học, nhưng khác nhau về số lượng neutron. Sự khác biệt về số lượng neutron làm cho mỗi đồng vị có khối lượng khác nhau và sự khác biệt về khối lượng này là chìa khóa cho các nghiên cứu thủy văn. Thủy văn đồng vị sử dụng cả đồng vị bền và phóng xạ
Xác định tuổi nước ngầm
Bằng cách đo tỷ lệ giữa các đồng vị nặng và nhẹ trong các vùng nước ngầm, các nhà khoa học có thể giải mã nguồn gốc và chuyển động của khối nước ngầm. Thực tế, đồng vị là các thông số có sẵn (không phải thêm vào), trực tiếp, và hiệu quả hàng đầu trong ước tính tuổi cũng như khả năng dễ bị tổn thương và tính bền vững của các nguồn tài nguyên nước. Khi nước ngầm trong tầng ngậm nước ‘cũ’, điều này có nghĩa là dòng nước chậm và tầng chứa nước có thể mất nhiều thời gian để bổ cập. Ngược lại, nước ngầm trẻ dễ dàng và nhanh chóng được làm mới bằng nước mưa, nhưng cũng có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm hoặc bị thay đổi theo các điều kiện khí hậu. Những hiểu biết về niên đại của nước mang lại cho các nhà khoa học và các cấp quản lý những giải pháp tốt để làm tăng cường tốc độ bổ cập cho các tầng nước ngầm đang khai thác.
Trong thủy văn, một số đồng vị phóng xạ xuất hiện tự nhiên có trong nước, chẳng hạn như đồng vị phóng xạ khí triti (H), carbon-14 (14C), được sử dụng để ước tính tuổi nước ngầm. Tuổi này có thể từ một vài tháng đến cả triệu năm. Do các đồng vị này phân rã theo thời gian, hàm lượng của chúng giảm dần theo năm tháng. Hàm lượng cao hơn có nghĩa là nước ‘trẻ hơn’, trong khi hàm lượng thấp hơn có nghĩa là nước ‘già’. Ví dụ, nước ngầm có lượng triti có thể phát hiện được có thể lên tới khoảng 60 tuổi, trong khi đó nước ngầm không có triti phải cũ hơn. Trong khi triti được sử dụng để xác định niên đại nước ngầm được bổ cập trong thời gian gần đây (khoảng 60 năm trở lại), carbon-14 được sử dụng cho nước có tuổi thọ lên tới 40 000 năm và krypton-81 cho nước có thể lên đến cả triệu năm.
Hành trình của 14C trong chu trình thủy văn
Xác định chất lượng nước
Chất ô nhiễm trong nước mặt và nước ngầm đến từ nhiều nguồn khác nhau như nông
nghiệp, công nghiệp hoặc chất thải của con người hoặc có thể có mặt tự nhiên do các quá trình địa hóa diễn ra trong các tầng chứa nước.
Nông nghiệp, công nghiệp và hộ gia đình mỗi nơi sản sinh ra các loại chất ô nhiễm khác nhau. Bằng cách nghiên cứu thành phần hóa học và đồng vị của chất ô nhiễm, các nhà khoa học có thể xác định nguồn gốc của nó. Biết nguồn gốc của các chất ô nhiễm là bước đầu tiên để giải quyết các vấn đề với chất lượng nước. Các nhà thủy văn đồng vị dữ liệu thu thập rất hữu ích cho các nhà hoạch định chính sách trong việc hoạch định chiến lược và quản lý tài nguyên nước.
Minh họa các hoạt động của con người gây ô nhiễm nguồn nước ngầm
Ví dụ như ion nitrat (NO3-), được tạo thành từ nitơ và oxy, là một chất gây ô nhiễm phổ biến. Nitơ có hai đồng vị ổn định có khối lượng khác nhau. Sự khác biệt về khối lượng này không giống nhau trong chất thải của con người và trong phân bón. Phân bón sử dụng nitơ từ không khí, trong khi con người và động vật trải qua một quá trình sinh học thay đổi nitơ thành các dạng khác nhau. Do đó, các chất ô nhiễm có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau có thể được xác định dựa trên những khác biệt về khối lượng đồng vị này.
TS.Trịnh Anh Đức