ISOTOPOS RADIACTIVOS

Isotopos de la molécula del agua: tritio(³H,T)

Origen, variabilidad y contenido en agua

El tritio es el isotopo más pesado del H. Se desintegra emitiendo partículas β y convirtiéndose en He, que es estable (³He).

³H ― β + ³He

Las partículas beta tienen muy baja energía(1,2,3), lo cual origina problemas de detección cuando están diluida y la necesidad de concentrar la muestra mediante electrolisis.

El periodo de semi desintegración del tritio es de 12,32 años.

Las concentraciones de ³H en agua se expresan en UT (Unidades de Tritio). Una UT corresponde a átomos de tritio por cada átomo de H ( 1 UT = T/H)

El tritio puede ser de origen natural o producido antrópicamente. La producción natural tiene lugar en las capas altas de la atmosfera por diferentes factores:

• Incorporación de ³H emitido directamente por el Sol.

• Interacción de los neutrones de la radiación cósmica con N.

N + n ― N(radiactivo) ― C + H

Los átomos de Hse oxidan sobre moléculas de agua y estas se mezclan con la lluvia, entrando así al ciclo hidrológico.

Al entrar en la zona no saturada, el tritio se aísla de la atmosfera y la concentración inicial comienza a disminuir por desintegración. Esto permite su uso como herramienta para datar el agua.

Sin embargo la mayoría de los acuíferos tienen una capacidad de almacenamiento superior a la recarga anual, el agua se va acumulando y mezclando a lo largo de los años. Así, la concentración de tritio medida en una muestra no suele indicar una edad absoluta, sino una edad promedio(tiempo de permanencia)

Una fuente artificial de producción de tritio es por efecto de la actividad termonuclear.

Las concentraciones de H en la lluvia presentan una variabilidad espacial grande (de 3 a 25 UT), que viene condicionado por:

1. Continentalidad: La lluvia de la costa tiene menores concentraciones que la del continente.
2. Latitud: El contenido de tritio aumenta con la latitud.
3. Estacionalidad: El contenido de tritio es mayor en las precipitaciones de verano que en las de invierno.
4. Hemisferica: Mayor contenido en el hemisferio norte que en el Sur.

Contenidos de Tritio esperable en distintos cuerpos de agua

H en ríos: Los ríos de alimentación superficial reflejan aproximadamente los contenidos naturales de tritio, aportados por la lluvia. Los ríos de alimentación subterránea reflejan los contenidos de tritio en las aguas del acuífero.

H en mar: El contenido de tritio es pequeña pero varia con la latitud y la profundidad. En la superficie el contenido es inferior a 5 UT, mientras que en profundidad va disminuyendo hasta 0.

H en lagos: El contenido de tritio es variable, ya que depende del origen del agua (acuíferos, lluvias, etc.).

H en aguas subterráneas: El contenido de tritio es variable ya que el acuífero contiene aguas recargadas en distintas épocas.

Uso de tritio como trazador para datar el agua

El uso del tritio en el agua subterránea se puede realizar a dos niveles:

1. Datación semiacuatica, para tener una idea previa de si el agua es de recarga muy reciente (menos de 40 años).
2. Datación cuantitativa. La variación temporal de tritio en lluvia más la mezcla de aguas que se produce en el terreno hace necesarios una función de entrada y un modelo conceptual de flujo que permita interpretar los datos de tritio en el agua subterránea.

Función de entrada de tritio a un acuífero

a) H medido en agua de lluvia: si no existe ninguna estación local con una serie temporal de tritio en la lluvia, se toman muestras de la lluvia en la zona de recarga del acuífero en estudio que comprendan, si es posible, varios años y, mediante la obtención de una función de correlación con los datos de otras estaciones, se elabora una función de entrada sintética de lluvia local.

b) H medido ponderado por la cantidad de lluvia: los valores medios anuales de tritio en la lluvia están calculados con medias mensuales ponderadas por la precipitación del mes caída en la zona de estudio.

Tp : Contenido medio de H (en UT) en la precipitación del año o del periodo del año en el que se produjo la recarga

T : Contenido de H en la lluvia del mes (UT)

P : Precipitación del mes (mm.)

c) H en el agua infiltrada en el terreno: en este caso los valores medios anuales de H no corresponden a la lluvia sino a la fracción de esta que se convierte en recarga. Se calcula ponderando los valores mensuales de H en lluvia con los valores de recarga (R, en mm) calculado para cada mes del año en la zona de estudio:

Tr : Contenido medio de H (en UT) en la recarga del año o del periodo del año en el que se produjo la recarga

T : Contenido de H en la lluvia del mes (UT)

R : Recarga calculada para el mes (mm.)

Modelos de flujo

Para interpretar los datos de tritio en agua subterránea se requiere disponer de un modelo conceptual de como se mueve el agua en el terreno. Este modelo debe contemplar las distintas situaciones que existen que puedan producir mezcla de distintas líneas de flujo, así como sus causas.

Modelo de flujo de pistón

El agua de desplaza en frentes, como empujada por un embolo a lo largo de una tubería larga y estrecha. Cada frente se desplaza por el sistema en el mismo orden cronológico en el que entro, de forma que las aguas precedentes son mas antiguas que las subsiguientes.

En el agua que forma cada frente se produce una disminución de la actividad de los isotopos radioactivos debido únicamente al tiempo transcurrido entre el ingreso del agua al sistema y la salida a través del muestreo.

Como esta disminución de actividad sigue la ley de desintegración radioactiva, el contenido de tritio en cualquier punto del acuífero es:

= actividad del agua de recarga.

t = tiempo que hace que se recargó.

El cálculo de la edad de una muestra según un modelo de flujo se realiza en dos pasos.

1. A partir de los datos de la función de entrada disponible se calcula cuales serán los contenidos residuales de tritio para cada frente o capa, es decir, cada porción de agua recargada en un año distinto; tras desintegración en el acuífero desde su año de entrada hasta el muestreo.
2. Los contenidos de tritio medidos en las muestras de agua subterránea en el año X se comparan con los de tritio residual, calculados para este mismo año, en la recarga que tuvo lugar cada año desde antes del inicio de las pruebas termonucleares hasta el momento de muestreo y se averigua la fecha mas probable de recarga.

Modelo exponencial o de mezcla total

En el interior del acuífero no se sabe que pasa: solo se conoce la existencia de una mezcla total de agua recargada en distintas épocas y con distintos contenidos residuales de tritio. En cambio se conoce lo que entra, función de entrada, y lo que sale, contenido de tritio medidos en las muestras de agua.

En el caso teorico de un acuífero en el cual el volumen de agua almacenada es constante, o bien porque se trata de un acuífero cautivo; la recarga R tiene una concentración constante de tritio y en el interior del acuífero existe una mezcla perfecta. El tiempo de residencia de cualquier muestra de agua saliente del acuífero se puede calcular como:

tr = V/Q

tr : tiempo de residencia (años)

V : volumen de agua contenida en el acuífero (constante)

Q : Flujo de agua en el acuífero, igual al flujo entrante y al flujo saliente.

Pero si la concentración de tritio en la recarga no es constante, cada muestra de agua saliente, por muestreo, tiene su propio tiempo de residencia. La distribución de edades en cada muestra puede aproximarse por una función exponencial basándose en la asunción de que la mezcla contiene infinitos componentes de diferentes edades cuya proporción en la misma decrece al aumentar la edad.

Para um acuífero con flujo de tipo mezcla total y entrada decreciente de tritio en el agua de recarga, conocida, se tuiene que el contenido de tritio en una muestra de agua en el momento de muestreo t, para una función de entrada escalonada en intervalo de un año, es:

Ct : concentración de H en el tiempo t (el año de muestreo)

Cn : concentración de H en el agua de recarga en el intervalo de tiempo n (C1959, C1960, …)

t : tiempo de residencia de cada Cn en el acuífero ( en años)

: constante de desintegración del tritio.

n : numero de intervalos de tiempo del total de los considerados en la función de entrada.

Isótopos de carbono 14 en el ciclo hidrológico:

El carbono 14 (14C) es un isótopo radiactivo del carbono que emite radiaciones b con una energía máxima (Emax = 156 KeV) y posee un tiempo de vida media t1/2 = 5730 años. Al igual que el tritio, se produce en la atmósfera superior por acción de los rayos cósmicos (neutrones), los cuales reaccionan con el nitrógeno. El carbono es oxidado a 14CO2 y mezclado con CO2 atmosférico. Los ensayos nucleares han añadido una considerable concentración de este isótopo en la atmósfera.

Carbono-14 en las aguas subterráneas:

Para calcular el tiempo de residencia del agua en un acuífero mediante 14C es necesario tener en cuenta las diferentes formas químicas del carbono en las aguas subterráneas y las diferentes interacciones que tienen lugar en ese medio. El carbono está presente en e agua subterránea en forma de CO₂ disuelto, HCO₃^- y CO₃^2- y la concentración relativa de éstos depende del pH. A valores de pH normalmente presentes en las aguas subterráneas (6 - 7) esta última es muy escasa, siendo necesario considerar sólo las dos primeras.

Date: 2015-01-29; view: 1265