Gestión del balance hidrológico mediante la técnica del tritio/helio 3

Artículo del Boletín del OIEA

Gestionar el agua es como administrar el dinero que tenemos en el banco: hay que saber exactamente cuánto ingresaremos, cuánto podemos gastar y qué podría provocar un cambio en la situación

Nicole Jawerth, Oficina de Información al Público y Comunicación
Científicos utilizan técnicas isotópicas para estudiar la edad y la procedencia del agua de manantiales del norte de Marruecos(Fotografía: CNESTEN)

Gestionar el agua es como administrar el dinero que tenemos en el banco: hay que saber exactamente cuánto ingresaremos, cuánto podemos gastar y qué podría provocar un cambio en la situación. Un error de cálculo podría tener consecuencias graves y potencialmente duraderas. En el ámbito del agua, esto podría traducirse en una escasez de agua o en la contaminación de los recursos hídricos y la imposibilidad de utilizarlos.

Uno de los factores clave para establecer un balance hidrológico fiable es conocer la edad exacta del agua. En el caso del agua joven, que es más susceptible de verse afectada por las condiciones climáticas actuales y la contaminación, los científicos utilizan la técnica del tritio/helio 3. Empleando esta y otras técnicas, científicos de 23 países están colaborando con el OIEA para recopilar información sobre los recursos hídricos.

“La edad del agua proporciona información sobre su procedencia más probable, su velocidad de recarga y la probabilidad de que esté contaminada”, señala Hamid Marah, Director Científico del Centro Nacional de Energía, Ciencias y Tecnologías Nucleares (CNESTEN) de Marruecos. “La técnica del tritio/helio 3 nos permite determinar si el agua tiene 1, 5 o 25 años de edad en lugar de decir únicamente si es joven, vieja o ambas cosas.”

El agua puede tener entre unos pocos meses y millones de años de edad. Si tiene un año de edad, por ejemplo, tardará un año en recargarse y la probabilidad de que le afecten las condiciones climáticas actuales y los contaminantes es mucho mayor. Si tiene 50 000 años de edad, tardará 50 000 años en recargarse y la probabilidad de que se contamine y de que le afecten los cambios en las condiciones climáticas actuales es menor.

Prácticamente todas las reservas disponibles de agua dulce del mundo se encuentran en acuíferos, es decir, en las capas porosas de roca permeable que yacen bajo la superficie de la tierra. El agua que albergan se conoce como agua subterránea. A medida que esta se va recargando, acaba desembocando en el mar o brota naturalmente de la superficie de la tierra en forma de ríos, manantiales y lagos.

Según el Sr. Marah, “la creciente demanda de agua subterránea, sumada a los efectos de la agricultura, el cambio climático y las actividades humanas, hacen que la sostenibilidad cobre mayor importancia. Si extraemos demasiada agua de un acuífero, su nivel de agua disminuye, lo que puede ser catastrófico, y no solo durante los próximos 10 o 20 años, sino durante generaciones.”

La técnica del tritio/helio 3 es una de las más comunes para estudiar el agua joven, es decir, el agua de menos de 60 años de edad (véase el recuadro “Base científica”). La información recopilada gracias a estos estudios puede ayudar a los responsables de la toma de decisiones a formular estrategias y políticas de gestión de los recursos hídricos mejor orientadas y más sostenibles.

“Utilizar técnicas nucleares para efectuar estudios sobre los recursos hídricos está rompiendo paradigmas y cambiando nuestra visión clásica de los principales factores que controlan los procesos hidrológicos”, afirma Ricardo Sánchez-Murillo, hidrólogo isotópico y Profesor Asociado de la Universidad Nacional de Costa Rica. “En Costa Rica, por ejemplo, los resultados del empleo de técnicas isotópicas están sirviendo para elaborar planes de gestión del agua y tomar decisiones, lo que contribuirá a que, para 2030, el país cumpla el Objetivo de Desarrollo Sostenible 6 de las Naciones Unidas, relacionado con el agua.”

Un balance mucho más preciso

La técnica del tritio/helio 3 ha ido cobrando cada vez más importancia durante el último decenio, ya que los antiguos métodos que usaban únicamente tritio están perdiendo utilidad.

“El tritio puede indicarnos la edad del agua subterránea y si se está recargando, una información muy importante; sin embargo, por sí solo, el tritio no puede darnos el nivel de detalle que necesitamos. Los responsables de la toma de decisiones necesitan saber más, por ejemplo: ¿qué significa que el agua sea joven? ¿Qué se entiende por joven?”, indica el Sr. Marah. Debido a los ensayos atmosféricos de dispositivos termonucleares durante los años cincuenta, los niveles de tritio en la atmósfera aumentaron considerablemente durante los años sesenta y, han disminuido paulatinamente desde entonces. “El tritio fue un buen trazador entre los años sesenta y los años noventa, pero hoy hay menos tritio en la atmósfera porque ha ido decayendo para transformarse en helio 3, de modo que ahora nos centramos más en la razón entre el tritio y el helio 3, que es mucho más precisa.”

El helio es un gas noble, lo que significa que es estable y que no reacciona químicamente ante otros elementos presentes en las rocas o el agua. Esto lo convierte en un punto de referencia consistente y fiable. Los científicos pueden determinar la edad exacta del agua joven si conocen la concentración de helio procedente del tritio —el helio 3— respecto de la cantidad total de helio en el agua, así como la concentración de otros gases nobles.

“La utilización de gases nobles en los estudios sobre el agua va en aumento porque los dispositivos analíticos actuales son suficientemente sensibles para detectar las cantidades muy pequeñas en las que estos gases se presentan”, comenta Takuya Matsumoto, un analista isotópico del OIEA. “Sin embargo, para muchos países no es económico ni factible establecer sus propios laboratorios para llevar a cabo estos análisis. El Laboratorio de Hidrología Isotópica del OIEA pone este servicio a disposición de los países para que puedan beneficiarse de esta sofisticada técnica.”

El Laboratorio de Hidrología Isotópica del OIEA es uno de los pocos laboratorios del mundo capaces de realizar este tipo de análisis. Desde 2010, un equipo de expertos del OIEA y de diez países pasó seis años configurando, calibrando y probando el espectrómetro de masas del OIEA y el modelo matemático para analizar los resultados. También elaboraron directrices para utilizar la técnica del tritio/helio 3. Desde entonces, el laboratorio ha trabajado ininterrumpidamente y cada año procesa entre 300 y 400 muestras procedentes de países de todo el mundo.

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Los isótopos radiactivos naturales presentes en el agua, como el tritio (3H) y el carbono 14 (14C), y los isótopos de los gases nobles disueltos en el agua, como el kriptón 81 (81Kr), pueden utilizarse para estimar la edad de las aguas subterráneas.

(Imagen: OIEA)

A more exact budget

The tritium/helium-3 technique has become an increasingly important technique over the last decade because previous methods using just tritium are becoming less useful.

“Tritium can tell us the age of groundwater and whether it’s being recharged, which is very important information, but tritium alone cannot give us the level of detail we need. Decision makers need to know more: what does it mean that the water is young? How young is young?” Marah said.

Due to atmospheric tests of thermonuclear devices in the 1950s, levels of tritium in the atmosphere sharply increased in the 1960s and have since gradually declined.

“From the 1960s to 1990s, tritium was a good tracer, but today there is less tritium in the atmosphere because it has been decaying into helium-3, so we now focus more on the ratio of tritium to helium-3, which is much more precise,” Marah said. 

Helium is a noble gas, which means it is stable and does not have chemical reactions with other elements found in rocks or water. This makes it a consistent and reliable reference point. By knowing the concentration of helium that comes from tritium — helium-3 — compared to the total helium in the water, as well as the concentration of other noble gases, scientists can determine the exact age of young water. 

“The use of noble gases for water studies is growing because now analytical devices have improved enough to detect the very small amounts these gases come in,” said Takuya Matsumoto, an isotope analyst at the IAEA. “For many countries, though, it is not economical or feasible to set up their own labs to do these analyses. The IAEA Isotope Hydrology Laboratory makes this service available to countries so they can benefit from this sophisticated technique.” 

The IAEA Isotope Hydrology Laboratory is one of just a handful of laboratories in the world capable of performing these analyses. Beginning in 2010, a team of IAEA and external experts from ten countries spent six years setting up, calibrating and testing the IAEA’s mass spectrometer machine, as well as the mathematical model for analysing results. They also developed guidelines for using the tritium/helium-3 technique. The lab has since been working around the clock processing between 300 to 400 samples each year from countries worldwide.

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Naturally occurring radioactive isotopes present in water, such as tritium (3H) and carbon-14 (14C), and noble gas isotopes dissolved in the water, such as krypton-81 (81Kr), can be used to estimate groundwater age. (Image: IAEA)

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