中国科学技术大学教授卢征天:氪-81同位素定年对探索地下水有积极作用

中国科学技术大学教授卢征天:氪-81同位素定年对探索地下水有积极作用
2019年12月07日 18:22 《财经》杂志

原标题:中国科学技术大学教授卢征天:氪-81同位素定年对探索地下水有积极作用

“平常看地下水流的很慢,没有办法直接观测,通过同位素定年可以定下来,地下水定年非常重要,因为水资源管理非常重要。”12月7日,XXXX在“三亚·财经国际论坛——全球格局变化下的应对与抉择”上如是表示。

卢征天,中国科学技术大学教授、美国青年科学家总统奖得主

卢征天表示,氪81是放射性同位素,宇宙射线大气中产生,一方面不断产生,另外一方面核一直衰变,两方面达到一个平衡。长数,美国空气,中国空气,南极洲空气里面氪81数量一样。我们测过。表面水跟空气交换,表面水氪81数目也一样,但是一旦当水流入地下或者当水结成冰,好比瓶盖拧紧不再有新鲜氪81补充进来,那时候起同位素钟开始走,氪81的数目会随时间推移越来越少,不同的地方这个水打起来测里面氪81的数目,可以知道这个水体年龄。水本身没有年龄,但水体什么年龄,水和空气隔开多少时间,这个信息非常重要,有这一个信息可以知道地下水怎么流,就可以搞清楚。

以下是嘉宾发言实录:

张燕冬:下面我们有请中国科学技术大学教授,美国青年科学家总统奖得主卢征天先生为我们做分享,探索古老的冰河地下水,神奇的氪81,以前跟卢教授交流时,他跟我说过咱们华北非常缺水,现在已经接触到晚年以前结的冰川水,所以这说明我们缺水还是非常严峻的。下面我们有请卢征天老师。

卢征天:非常感谢,我们一起数原子,1.5升瓶里面装8×10的22次方的原子,里面有氧气,氮气,二氧化碳,惰性气体,里面有一个氪,这个元素周期表最后里面,第36位,不产生化学反映,所以我们叫做惰性气体。这一个氪元素里面又有不同的同位素,这是什么概念?同样一个氪原子,36个电子,36个电子,电子结构一样,化学性质也一样,但是两个氪之间,这一个核重量不一样,氪83,核重量等于83个氢原子那么重,氪81少两个中子,所以像36个氢原子那么重。

不光不一样重,两个核的稳定性完全不同,氪83是完全稳定的,这一个瓶子里面氪83原子,它在地球形成的时候,就已经存在了,到处在晃,今天恰好跑到三亚。氪81因为少两个中子,不稳定,会衰变,半衰期23万年,比如说我们把这一个瓶子封起来,这个盖子拧紧,拧紧后等一个半衰期23万年以后再数,氪83原子一个没有少,是稳定的,氪81原子会少一半,原来4万原子变成两万个。我们再等23万年他会变成1万个原子,两倍两倍的减。原子数目好比一口钟可以用两定年。什么时候瓶子拧紧那时候那个钟开始走。这就是放射性同位素定年的原理,非常有用,可以地下水,洋流,冰川,环境监测和核安全方面的应用,朋友们可能已经看出来,我对数原子非常有激情,今天有这个机会非常感谢财经杂志和张燕冬总给我这个机会跟大家聊数原子。

这是我在科大同事和学生的合影,我们是中科大激光痕量探测与精密测量实验室,我们得到中科院,科技部,基金委大力支持。通过数原子做同位素定年,为研究全球和区域水循环提供关键时间信息,水循环地球表面时间尺度非常大,非常不同,比如洋流时间尺度从几年到几千年,冰川可以几年到几十万年,地下水浅层几年,深层水可以地下流上百万年,研究这些水循环系统,首先得知道时间信息,这是比较一个基本信息。

我们以地下水为例解决氪81定年的原理,氪81是放射性同位素,宇宙射线大气中产生,一方面不断产生,另外一方面核一直衰变,两方面达到一个平衡。长数,美国空气,中国空气,南极洲空气里面氪81数量一样。我们测过。

表面水跟空气交换,表面水氪81数目也一样,但是一旦当水流入地下或者当水结成冰,好比瓶盖拧紧不再有新鲜氪81补充进来,那时候起同位素钟开始走,氪81的数目会随时间推移越来越少,不同的地方这个水打起来测里面氪81的数目,可以知道这个水体年龄。水本身没有年龄,但水体什么年龄,水和空气隔开多少时间,这个信息非常重要,有这一个信息可以知道地下水怎么流,就可以搞清楚。平常看地下水流的很慢,有时候一年菜流一米,没有办法直接观测,通过同位素定年可以定下来,地下水定年非常重要,因为水资源管理非常重要。在华北平原,我们城市需要用地下水,生活用地下水大概占60%左右,农村是90%,所以北京地区是靠地下水生活的,这不是我们国家独特问题,美国,以色列等国家都需要地下水生活,这一个地下水的管理非常重要,需要同位素定年。

这个定原子需求六十年代就提出来了,没有好的方法,我们通过原子物理方法找到一个可以适用的数原子方法。这一个原子阱本身不是我提出来的。是朱棣文提出的,他得了诺贝尔奖,发明了原子阱,我当时是学生,拿着新发明的量子技术提出来用它数原子,这是我提出来的,方法非常灵敏,氪气从一个管子输入我们可以激光素投入进去把这个原子抓住。这个光把手上有推动力,手很重感觉不出来,原子本身非常轻,光这么微弱力都可以把原子慢下来抓住,这是激光在原子效应。原子抓在阱里是发光亮的,可以看清楚。一百个原子肉眼也可以看清楚,一个原子看不见,我们通常用CCD相机可以把单个原子看的清楚。前提要在真空腔里面做。角落大圆筒带红色底是真空泵,比较复杂和高级的风扇,可以把气都抽走,抽走后在腔里面真空,这样原子数可以从一头跑到另外一头不被碰掉,所以这是一个真空腔,我们基本技术。

仔细看这一边有好多光学,激光光学元件,做实验好比搭积木一样,一个元件设计好搭起来可以捉原子。我们在实验室一个方面发展这些技术,同时国际上地球科学家和我们合作,已经开始做一些应用。其实事情才刚刚起步,再过五年,我如果再来讲的话,那个点会布的密密麻麻,大部分地下水,但有冰川,海洋的应用。

举个例子,这是澳大利亚大荒漠,Outback,底下有巨大地下水,可能世界巨大的,我们在那里取水,这一个井已经打好,是畜牧用的,我们在这里取水,我跟地下水工作合作做以后,我原来在实验室里面做,做激光,原子物理,参加这个工作才体会到研究地下水是非常好的职业,为什么?因为你看这里,方圆几十公里,别的地方都没有水,不光我们知道,野生动物全都知道,鸟全部知道,所以你要看野生动物的话,就找到一个水源,在那里等着,它们会来。这是在以色列的Negev desert,这也是一个地下水的水井,钢管打下去两千米把水引上来,这是矿藏,工业用水。这是以色列水文学家Eilon带我们做的。通过这一个地下水测年,我们发现以色列地下水两个水源。一个36万年注入地下大西洋来的水,另外近期注入地下地中海地下水,通过水定年可以把水源头搞清楚,这个文章今年刚刚发表在美国科学院院刊上,也上了封面,非常难得,我的工作上封面曾经有过几次,但这一张照片我自己拍的,这是头一次也可能最后一次能够上封面。

我们国家也开展这些工作,这是中国地质科学院水文学家陈中宇老师做的工作,这是从地下把水取出来的机器,我们不用把水运到实验室,很重,直接现场把水里面气脱出来,就可以定水的年。有年以后,水文学家可以做地下水的模型,这是中科院地质地球所水文学家庞忠和做关中平原盆地地下水流动模型,有模型可以预测水资源管理方面一些信息所需要的。水文学家看到百万年老的水,看到以后很激动,马上发文章,但其实是一个很不好的消息,为什么?老的水说明补给慢,补给少,用掉就没有了。但是有的地方我们确确实实希望看到老的水,在哪儿?在甘肃北山,为什么?这是我们国家放射性地质处置首选预选区,放射性的核废料,需要有一个地方埋下去,但埋的时候有一个考虑,就是你担心这一个地下水慢慢把东西传到周边环境去,所以要找什么?找一个地方,地下水特别老的,就说明那一个地方流动很慢,这一个地方是好地方,所以甘肃北山我们做这方面的工作,这是核工业北京地质研究院一起合作。我们在美国和日本开展这方面工作,将来氪81会变成一个标准评估手段,这不是我说的,这是国际原子能组织IAEA定的,他们已经启动了一个12个国家,六大洲合作项目,所有照片里面就我一个做物理,其他都是做水文的,12个国家要把地下水送到我们科大由我们定年,成功后要在全世界推广。

刚才说的是地下水,以下时间给大家讲一下冰川方面工作。我们给冰川定年,冰是地球气候档案柜,一层层冰包含当年地球空气,所以说通过分析空气,可以了解到当年气候情况是什么样的,所以冰川研究,气候研究里面很多都是冰川的记录,但是你要研究,必须要知道这一个冰的年龄,是哪一年结的,需要氪81定年,我们和美国科学家合作,在南极洲一个(英文)发现12万年老的冰。最近我们仪器进步了,不但表面的冰可以定年,深层也可以定。欧盟和俄国联合国在南极洲可以把冰钻到2.2英里,三千多米深,把里面冰取上来,需要我们定年。结果刚刚出来,大概已经到了一百万年的冰,从分析可以了解到一百万年前空气是什么样。

北极方面我们也已经开始开展合作研究,格林蓝聚集北极冰,存在哥本哈根波若研究所的冰库,我们跟丹麦科学家也在谈合作,预计2020年做这方面工作。我们两个人手上托着的冰很可能是几十万年前的冰。我们和中科院青藏高原研究所一起合作,做青藏高原冰川定年,我们想回答什么问题?青藏高原冰川最古老冰是多少,哪一年开始发育的。

最后说一下海洋方面的研究,这一位先生2019年去世,是Wally broecker,生前是哥伦比亚教授,他提出全球变暖概念。他改变了人类对气候变化的认识。他推进用同位素定年做洋流测绘,洋流一改气候会突变,这不是预测,过去曾经发生过很多很多次。所以说他非常关心洋流的测绘,这需要用同位素定年方法,而且和同事在一起,已经在大西洋收集900个海洋样品,所以说等着有这么一个技术可以数原子,我们今年终于把这个数原子方法搞出来,我就讲到这里,谢谢大家。

提问:我想问一下卢教授,您刚刚说的氪81给水和给冰数原子,无疑给人类生命提供后备一个水源,就现在我听说在我们新疆地域,有很多大量的水存在,我不知道这一个问题问的是不是准确的。

卢征天:是的,有大量的水存在。现在用的量也非常大,所以说现在用的量,大大超过了补给的量,所以说我们整个地下水资源在减少,这是一个大的问题。不光我们国家的问题,全世界都有这个问题。我去以色列,以色列也这样,澳大利亚也这样,包括美国,美国加州地下水沉降非常厉害。

提问:给水,给冰数原子,跟地理勘探学家所做工作能够达到一样效果吗?

卢征天:勘探学家可能是发现新的水源,我们不是发现新的水源,我们是知道这一个地方有水,我们想搞清楚水的来龙去脉。

提问:谢谢您。

卢征天:我拿到话筒,稍微对人工智能这些我完全不是专家,我只是一个平常做物理的,我们机器现在确实没有到完全超过人类的时候,但我相信那一刻会到来。

卢征天:非常高兴参加,早上参加中美论坛,下午参加女性论坛,都是我比较关注的几个点,我也学到了很多,早上有一位嘉宾说,在争斗过程当中,要了解对方的想法,不要最后信息单元化,跟我有共鸣。比如说我们很多国外的网页我们看不见,但一个我特别在乎的网页就是维基百科,全球最权威百科全书,什么东西都有,任何一个物理概念,化学反应,数学公式,维基百科上面都有,国外研究生不但看维基百科,而且为它添砖加瓦,每个人都可以贡献,我们的同学们如果不知道有这一个知识窗口,甚至不知道有这么回事儿的话,我觉得会在竞争当中输在起跑线上,所以我非常想看到,我们国家开通维基百科。

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