Zajmuje się tym m.in. dziedzina nazywana hydrogeologią izotopową. – Dzięki tym badaniom jesteśmy w stanie stwierdzić, czy woda z danej próbki pochodzi z rzeki, czy z gór, czy jest to woda morska, czy słodka, czy jest to woda pobrana z dużej głębokości, czy też pochodzi z płytkiej studni. Możemy nawet stwierdzić w przybliżeniu, z którego regionu świata trafiła do laboratorium – mówi dr Adam Porowski z Instytutu Nauk Geologicznych Polskiej Akademii Nauk.

W normalnych warunkach woda nigdy nie występuje w czystej postaci, zawsze towarzyszą jej jakieś substancje i minerały (stąd wodę destylowaną trzeba wytwarzać). W przypadku wód silnie zmineralizowanych powodują one błędy w pomiarach izotopowych. Doktor Porowski opracował genialnie prosty sposób pozbycia się ich, dzięki czemu pomiary są znacznie dokładniejsze.

Grubszy i chudszy tlen

Każda cząsteczka H2O składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Każdy atom może występować jednak w różnych odmianach – izotopach – które mają tyle samo protonów, ale różnią się między sobą liczbą neutronów. Z tego względu pod symbolem O we wzorze chemicznym wody najczęściej kryje się atom z ośmioma protonami i ośmioma neutronami (stąd izotop ten nazywa się 16O, czyli tlen-16), ale może też się kryć atom z dwoma więcej, czyli z dziesięcioma neutronami (18O, czyli tlen-18). Tak samo pod literą „H” może kryć się zwykły wodór (składający się z jednego protonu), deuter (bogatszy o jeden neutron) albo promieniotwórczy tryt (gdzie proton ma obstawę dwóch neutronów).

Wgląd w przeszłość wody daje zbadanie stosunku między zawartością cięższych i lżejszych izotopów w danej próbce; różne wartości tego stosunku będą wskazywać na różne miejsce pochodzenia wody. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki wody zawierające tlen-18 są cięższe, skutkiem czego wolniej parują i dłużej pozostają w fazie ciekłej. – To ma konsekwencje dla kondensacji w chmurach; na równiku deszcze są ciężkie izotopowo, a w miarę posuwania się ku biegunom chmury dają coraz lżejszy deszcz. Na biegunach opady śniegu są już bardzo lekkie, zawierające mało tlenu-18 – tłumaczy dr Porowski. – Na przestrzeni ostatniego półwiecza nauka zgromadziła wiedzę dotyczącą składu izotopowego wód z przeróżnych miejsc. Na podstawie zawartości ciężkich izotopów tlenu-18 i deuteru określamy więc pochodzenie wody, a także staramy się odczytać procesy, w jakich uczestniczyła w swoim naturalnym życiu.

Sam pomiar składu izotopowego odbywa się w urządzeniu zwanym spektrometrem mas. – Problem polega na tym, że do urządzenia trafiają wodór i dwutlenek węgla, badanie trzeba więc odpowiednio przygotować. Rutynowe metody to równoważenie wody z CO2 w ściśle określonej temperaturze oraz próżniowa redukcja wody na gorącym cynku lub chromie. Sytuacja zaczyna się komplikować, kiedy mamy do czynienia z wodami silnie zmineralizowanymi. Jony potrafią bowiem tak silnie przyciągać do siebie cząsteczki wody, że wypreparowane z wody CO2 i H2 nie odzwierciedlają jej rzeczywistego składu izotopowego. Z tego względu pomiar jest mocno zaburzony – wyjaśnia dr Porowski.

Rozwiązanie tego problemu jest genialnie proste. Do próbki wystarczy wprowadzić prosty związek chemiczny – fluorek srebra. Powoduje on wytrącenie się z próbki wody najważniejszych winowajców, jonów Ca2+ i Mg2+, które najczęściej występują w wodzie w formie związków chloru. W ten sposób na dno opadają chlorek srebra oraz fluorki magnezu i wapnia. Procedura ta jest na tyle skuteczna, że pozwala uzyskać wodę niemal całkowicie pozbawioną „wrednych” soli, która może być z powodzeniem poddana dalszym standardowym procedurom oznaczeń izotopowych.

Rozwiązuje się w ten sposób przede wszystkim problem wody przyklejonej do jonów. Ta prosta metoda pozwala również na osiągnięcie znacznych oszczędności, bowiem osadzające się w urządzeniach laboratoryjnych duże ilości soli z wody powodują znaczny spadek ich wydajności, a w konsekwencji zanieczyszczenie uniemożliwiające dalszą eksploatację.

Skąd jesteś, wodo

W wielu sytuacjach odpowiedź na pytanie o pochodzenie wody jest kluczowa dla podjęcia ważnych decyzji, np. odnośnie do projektowania systemów odwodnieniowych, a nawet o kontynuowaniu lub zaniechaniu eksploatacji danego pokładu złoża w kopalni. Jeśli na drodze analizy izotopowej okaże się, że woda przedostająca się do szybu w kopalni jest wodą z opadów, to może to wskazywać, że gdzieś w okolicy jest punkt, w którym wody gruntowe przedostają się niżej. W takiej hipotetycznej sytuacji dalsza eksploatacja danego pokładu nie ma sensu, bo jeśli woda trafia tam z powierzchni, to nie będzie możliwe jego zabezpieczenie. Doktor Porowski współpracował już przy określeniu pochodzenia wód podziemnych z KGHM.

Ale badania izotopowe potrafią również ratować życie. W latach 70. XX w. w Bangladeszu podjęto się realizacji bezprecedensowego projektu. W kraju wywiercono ponad 4 mln studni głębinowych, dzięki czemu mieszkańcy uzyskali dostęp do czystej wody. Wcześniej wodę pitną pobierano z zanieczyszczonych rzek, w wyniku przenoszonych tą drogą chorób w kraju umierało rocznie ok. 100 tys. dzieci. Studnie znacząco poprawiły sytuację, dzięki nieskomplikowanej technologii udało się polepszyć warunki zdrowotne dziesiątków milionów ludzi. Ale wkrótce lekarze zauważyli, że mieszkańcy regionu częściej zaczęli zapadać na pewne typy chorób, m.in. raka. Przyczynę odkryto na początku lat 90. Jak się okazało, woda w wielu studniach zawierała wysokie stężenie arsenu. Rząd w Dakce stanął wobec perspektywy braku dostępu do czystej wody pitnej. Rozwiązanie potrzebne było szybko, inaczej ryzykowano zdrowiem milionów ludzi.

Badania pokazały, że najprostszym rozwiązaniem będzie wiercenie głębszych studni, bo im niżej, tym stężenie arsenu stawało się mniejsze. Badania izotopowe wykorzystano do określenia, czy wody na większych głębokościach są zasilane z powierzchni, czy też są starymi wodami, które dostały się na tę głębokość dawno temu. Nie bez znaczenia było również określenie, czy przypadkiem nie mamy do czynienia z wodami zasilanymi z obszarów górskich – bowiem, jak się okazało, pochodzenie arsenu w wodzie było związane z określonymi formacjami skalnymi w Himalajach. Zresztą badania takie Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej prowadzi od dawna.