Panorama de la hidrología isotópica

Artículo del Boletín del OIEA

Las técnicas isotópicas permiten a los científicos comprender los componentes del ciclo del agua, lo que les ayuda a evaluar mejor la cantidad, la calidad y la sostenibilidad del agua.

Laura Gil, Oficina de Información al Público y Comunicación
Perito Moreno en la Argentina. (Fotografía: L. Ortega/OIEA)

Las técnicas isotópicas permiten a los científicos comprender los componentes del ciclo del agua, lo que les ayuda a evaluar mejor la cantidad, la calidad y la sostenibilidad del agua.

El agua subterránea es el componente más desconocido del ciclo del agua. Los científicos emplean isótopos naturales como trazadores para averiguar si hay recarga del agua subterránea, de dónde procede, cómo se desplaza por debajo de la superficie terrestre y si es vulnerable a la contaminación y a los cambios de las condiciones climáticas.

El agua procedente de distintos lugares tiene una firma isotópica distinta o una “huella” única. Los científicos se sirven de estas “huellas” para rastrear el movimiento del agua por todo el ciclo del agua, desde la evaporación, la precipitación y la infiltración hasta la escorrentía y la evapotranspiración, así como el posterior regreso al océano o la atmósfera y la repetición del ciclo.

¿Qué son los isótopos?

Un elemento químico, como el hidrógeno, está formado únicamente por un tipo de átomo que, a su vez, presenta distintas variedades. Esas variedades de átomos reciben el nombre de isótopos. Todos ellos tienen las mismas características químicas y el mismo número de protones y electrones. Lo único que los diferencia es el número de neutrones. Esta distinción hace que difiera el peso de cada isótopo, lo que resulta esencial para los estudios hidrológicos.

La hidrología isotópica utiliza tanto isótopos estables como inestables. Los isótopos estables no son radiactivos, es decir, no emiten radiación. Los isótopos inestables o radioisótopos experimentan decaimiento radiactivo y, por tanto, son radiactivos.

A continuación, se ofrece una visión general sobre el funcionamiento de la hidrología isotópica.

El origen y el transporte del agua en el ciclo hidrológico

Cada molécula de agua (H2O) está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O). No obstante, estos átomos no siempre son iguales: unos isótopos son más ligeros y otros más pesados. Los científicos utilizan equipos analíticos de gran precisión para medir estas minúsculas diferencias de peso en las muestras de agua. ¿Por qué?

Cuando el agua de mar se evapora, las moléculas que contienen isótopos más ligeros suelen ser las primeras en ascender y formar nubes con firmas isotópicas específicas. Estas nubes contienen una mezcla de moléculas de agua que caen en forma de lluvia. Las moléculas de agua con isótopos más pesados caen en primer lugar. Una vez que las nubes pierden estos isótopos y viajan hacia el interior, los más ligeros caen en mayor proporción.

Cuando el agua cae en la tierra, llena lagos, ríos y acuíferos. Al medir las relaciones entre los isótopos pesados y los ligeros en estas masas de agua, los científicos pueden descifrar el origen y el movimiento del agua.

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El OIEA apoya a expertos nacionales fomentando el uso de técnicas isotópicas y transfiriendo conocimientos científicos en todo el mundo.

En la imagen, hidrólogos isotópicos toman muestras en Los Gigantes (Argentina). (Fotografía: L. Ortega/OIEA)

La edad del agua subterránea

Los isótopos son el instrumento más eficaz y poderoso disponible para estimar la edad, la vulnerabilidad y la sostenibilidad de los recursos hídricos. Cuando el agua subterránea de un acuífero es “antigua”, el flujo del agua es lento y el acuífero puede tardar mucho tiempo en recargarse. En cambio, las aguas subterráneas jóvenes se renuevan fácil y rápidamente por medio del agua de lluvia, a pesar de ser muy susceptibles a la contaminación y a los cambios de las condiciones climáticas. El conocimiento de la edad del agua da a los científicos y los Gobiernos una idea clara de la rapidez con la que los acuíferos se recargan.

En hidrología, se utilizan algunos radioisótopos naturales presentes en el agua, tales como el tritio (3H), el carbono 14 (14C) y radioisótopos de gases nobles, para estimar la edad del agua subterránea, que puede ir de unos pocos meses hasta millones de años.

Dado que estos isótopos decaen con el paso del tiempo, su abundancia disminuye a medida que pasan los años. Cuanto más altos son los niveles, más joven es el agua, y cuanto más bajos, más antigua. Por ejemplo, el agua subterránea con cantidades detectables de tritio puede llegar hasta los 60 años aproximadamente, mientras que si no contiene este isótopo ha de ser más antigua. Mientras el tritio se emplea para datar el agua subterránea que acaba de recargarse, es decir, que no supera los 60 años de edad, el carbono 14 se utiliza para aguas de hasta 40 000 años de antigüedad y el kriptón 81, para aquellas que pueden alcanzar un millón de años.

La calidad del agua

Los contaminantes en las aguas superficiales y subterráneas proceden de diversas fuentes, tales como la agricultura, la industria o los excrementos humanos, o pueden estar presentes de forma natural debido a procesos geoquímicos que se dan en los acuíferos. La agricultura, la industria y los hogares producen distintos tipos de contaminantes. Mediante el estudio de la composición química e isotópica del contaminante, los científicos pueden determinar su origen.

Por ejemplo, el ion nitrato (NO3-), compuesto de nitrógeno y oxígeno, es un contaminante común. El nitrógeno tiene dos isótopos estables de distinto peso. Esta diferencia de peso no es la misma en los excrementos humanos y en los fertilizantes. Estos últimos utilizan el nitrógeno del aire, mientras que las personas y los animales llevan a cabo un proceso biológico que trasforma el nitrógeno en formas distintas. Por lo tanto, es posible identificar los contaminantes derivados de distintas fuentes sobre la base de esas diferencias de peso entre isótopos.

El primer paso para combatir los problemas de la calidad del agua es conocer el origen de los contaminantes. Los datos recabados por los especialistas en hidrología isotópica ayudan a los responsables de formular políticas en la planificación estratégica y la gestión de los recursos hídricos.

El OIEA presta apoyo a científicos de todo el mundo mediante el fomento de técnicas isotópicas y la transferencia del conocimiento científico a profesionales de la hidrología locales.

Este artículo se publicó en el Boletín del OIEA de abril de 2019, titulado El agua

Isotope hydrology: an overview

Isotopic techniques enable scientists to understand the components of the water cycle, helping them better assess the quantity, quality and sustainability of water.

In the water cycle, groundwater is the least understood component. Scientists use naturally occurring isotopes as tracers to find out whether groundwater is being replenished, where it comes from, how it moves underground and if it is vulnerable to pollution and changing climatic conditions.

Water from different places has different isotopic signatures or unique ‘fingerprints’. Scientists use these ‘fingerprints’ to track the movement of water along its path through the entire water cycle: from evaporation, precipitation, infiltration, to runoff and evapotranspiration, then returning to the ocean or the atmosphere, and repeat.

But what are isotopes?

A chemical element, like hydrogen, is made entirely from one type of atom. The type of atom comes in different varieties. These varieties are isotopes, and they all share the same chemical characteristics and number of protons and electrons, but a different number of neutrons. The difference in the number of neutrons makes each isotope weigh differently, and this weight difference is key for hydrological studies.

Isotope hydrology uses both stable and unstable isotopes. Stable isotopes are non-radioactive, meaning they don’t emit radiation. Unstable isotopes (or radioisotopes) undergo radioactive decay and are therefore radioactive.

Isotopic techniques enable scientists to understand the components of the water cycle, helping them better assess the quantity, quality and sustainability of water.

In the water cycle, groundwater is the least understood component. Scientists use naturally occurring isotopes as tracers to find out whether groundwater is being replenished, where it comes from, how it moves underground and if it is vulnerable to pollution and changing climatic conditions.

Water from different places has different isotopic signatures or unique ‘fingerprints’. Scientists use these ‘fingerprints’ to track the movement of water along its path through the entire water cycle: from evaporation, precipitation, infiltration, to runoff and evapotranspiration, then returning to the ocean or the atmosphere, and repeat.

But what are isotopes?

A chemical element, like hydrogen, is made entirely from one type of atom. The type of atom comes in different varieties. These varieties are isotopes, and they all share the same chemical characteristics and number of protons and electrons, but a different number of neutrons. The difference in the number of neutrons makes each isotope weigh differently, and this weight difference is key for hydrological studies.

Isotope hydrology uses both stable and unstable isotopes. Stable isotopes are non-radioactive, meaning they don’t emit radiation. Unstable isotopes (or radioisotopes) undergo radioactive decay and are therefore radioactive.

Origin and transport of water in the water cycle

Every water molecule (H2O) is made of two hydrogen (H) atoms and one oxygen (O) atom, but these are not all the same: some atoms’ isotopes are lighter and some are heavier. Scientists use precise analytical equipment to measure these tiny weight differences in water samples. Why?

As water evaporates from the sea, the molecules with lighter isotopes tend to preferentially rise, forming clouds with specific isotopic signatures. These clouds have a mix of water molecules that fall in the form of rain. The water molecules with heavier isotopes fall first. Then, as the clouds lose these heavy isotopes and move further inland, lighter isotopes fall in a greater proportion.

As water falls to the earth, it fills lakes, rivers and aquifers. By measuring the ratio between heavy and light isotopes in these water bodies, scientists can decipher the origin and movement of water.

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The IAEA supports national experts by promoting the use of isotopic techniques and by transferring scientific know-how around the world. In this photo, isotope hydrologists take samples in Los Gigantes, Argentina. (Photo: L. Ortega/IAEA)

Groundwater age

Isotopes are the most direct and powerful tools available to estimate the age, vulnerability and sustainability of water resources. When the groundwater in an aquifer is ‘old’, this means that the water flow is slow and that the aquifer can take a long time to replenish. On the contrary, young groundwater is easily and quickly renewed by rainwater, but can also be easily affected by pollution and changing climatic conditions. Understanding water’s age gives scientists and governments a good idea of how quickly aquifers are being replenished.

In hydrology, some naturally occurring radioactive isotopes present in water, such as tritium (3H), carbon-14 and (14C) noble gas radioisotopes, are used to estimate groundwater age. This age can be from a few months up to a million years.

Because these isotopes decay over time, their abundance decreases as the years go by. Higher values mean ‘younger’ water, while lower values mean ‘older’ water. For example, groundwater with a detectable amount of tritium may be up to around

60 years old, whereas groundwater with no tritium must be older. While tritium is used for dating groundwater that has been recently recharged, i.e. that is younger than about 60 years, carbon-14 is used for water up to 40 000 years of age and krypton-81 for water that can be up to a million years old.

Water quality

Pollutants in surface water and groundwater come from various sources — such as agriculture, industry, or human waste — or may be present naturally due to geochemical processes taking place in aquifers. Agriculture, industry and households each produce different kinds of pollutants. By studying the chemical and isotopic composition of a pollutant, scientists can determine its origins.

For example, nitrate ion (NO3-), which is made up of nitrogen and oxygen, is a common pollutant. Nitrogen has two stable isotopes of different weight. This difference in weight is not the same in human waste and in fertilizers. Fertilizers use nitrogen from the air, whereas humans and animals go through a biological process that changes nitrogen into different forms. As a result, pollutants derived from various sources can be identified based on these isotopic weight differences.

Next week’s symposium will provide opportunities to present and review methodological and analytical developments as well as practical applications and research trends in all of the above studies within isotope hydrology.

The symposium will be livestreamed here.

To learn more, visit: h2o.iaea.org

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