Профессор Университета Южной Каролины Уиллард Мур является частью международной группы, которая недавно оценила, какая часть воды, поступающей в океаны, поступает не из поверхностных рек, ручьев и ручьев, а из того, что он назвал «подземным устьем». В течение двух десятилетий Мур привлекал внимание к часто упускаемому из виду потоку и обмену океанических и подземных вод в проницаемых слоях горных пород и отложений — процессу, который происходит как вблизи береговой линии, так и на континентальном шельфе. Но корни его работы в этой области уходят еще дальше в его 50-летнюю научную карьеру.
Разработка инструментов торговлиВскоре после получения докторской степени в Государственном университете Нью-Йорка в Стоуни-Брук, Мур начал работать в начале 1970-х как гражданское лицо в Морском океанографическом управлении, которое тогда находилось в Мэриленде. Перед нами стояла задача изучить глубинные океанические процессы, и одним из лучших инструментов для этого было измерение количества определенных естественных радиоактивных элементов, растворенных в морской воде в разных местах и на разных глубинах.
«Во всех породах есть немного урана и тория, и по мере распада этих элементов они производят целый ряд различных элементов, которые сами по себе являются радиоактивными», — говорит Мур. «Скажем, горная порода находится в морской воде, и уран распадается на торий, а затем он распадается на радий. Что ж, радий гораздо более растворим, чем другие компоненты, поэтому он может перейти в раствор в морской воде. Есть очень мало способов сделать это. удалить его естественным путем, за исключением радиоактивного распада ».Мур сравнивает радий, растворяющийся в камне, с красителем, который со временем медленно теряет свою интенсивность.
Период полураспада радия определяет, насколько быстро «краситель» теряет интенсивность, и, измеряя, как концентрация радия уменьшается с увеличением расстояния от морского дна — каменного источника — ученый может создать модель того, как там вода. течет и смешивает.
Однако главным недостатком в то время была трудоемкость сбора данных. Радиоактивные элементы присутствуют в морской воде в очень малых концентрациях.«Раньше требовалось от 600 до 800 литров воды», что составляет более 200 галлонов на одну точку данных, — говорит Мур. «Это была очень трудоемкая серия химических процессов, и я сразу же решил, что если мы действительно собираемся использовать радий для понимания океана, мы должны найти лучший способ его извлечения».
От озера Онейда до моряОбдумав несколько разрозненных наблюдений, Мур разработал новый метод. Некоторые коллеги придумали гораздо более эффективный способ извлечения другого радиоактивного изотопа, кремния-32, путем покрытия акрилового волокна соединением железа и последующего воздействия на него проточной морской воды.
Кремнезем (который содержит кремний-32) в воде адсорбируется на волокне, эффективно концентрируя радионуклид на гораздо меньшей площади (а именно на поверхности волокна, а не рассеивается во многих галлонах воды).Железное покрытие волокна не собирало радий, но Мур обнаружил нечто подобное, работая над небольшим побочным проектом. Он пытался понять рост характерного скального образования, обнаруженного в определенных местах на дне озера Онейда, пресноводного озера ледникового происхождения в центре Нью-Йорка. Это образование называется марганцевым узелком, который имеет чередующиеся слои, богатые оксидами марганца и железа.
В ходе этого исследования он обнаружил, что конкреции также богаты радием, что натолкнуло его на мысль, что, возможно, диоксид марганца можно использовать для извлечения радия из морской воды.«Я очень хорошо помню, когда увидел первые подсчеты радия в узелке. Я вошел в лабораторию, смешал раствор марганца и нанес его на волокно», — говорит Мур. «Я жил в Чесапикском заливе и у меня была парусная лодка, поэтому я вышел, отбуксировал ее через залив, вернулся, и она была загружена радием.
Это просто иллюстрация того, как если у вас есть несколько утюгов в огне, они все надевают не нагреваются одновременно, но иногда один воспламеняет другой ".Заставляем инструменты работатьМур присоединился к факультету Каролины в 1976 году, имея готовые средства определения концентрации радия в морской воде, и расширил свой репертуар от глубоководных исследований, которые характеризовали его работу с военно-морским флотом, до исследований ближе к берегу. Основная цель Южной Каролины состояла в том, чтобы понять процессы обмена между водой и поверхностными отложениями в эстуариях около береговой линии.
Однако, по словам Мура, большая часть ранних работ с радием вызвала всевозможные вопросы. Градиенты, которые они видели, просто не имели смысла, но, оглядываясь назад, это было потому, что одно основное предположение было неверным.
В то время считалось, что сток грунтовых вод в океан незначительный, от 3 до 5 процентов речного стока, говорит Мур. Прорыв произошел, когда один из его коллег предположил, что значительный поток соленых грунтовых вод должен быть причиной их наблюдений.
Они измерили содержание радия во внутренних колодцах и обнаружили, что в пресных грунтовых водах его почти нет, но в более соленых грунтовых водах он содержится. Неизбежный вывод: вода из океана в огромных количествах обменивалась с грунтовыми водами, и это происходило под землей.
«Действие происходило в проницаемых отложениях внизу. Это положило начало всей этой идее, что континенты были связаны с океаном не только речными, но и подводными процессами». — говорит Мур. «Я придумал термин« подземный эстуарий ». Так же, как и поверхностный эстуарий, это область между побережьем и океаном, где пресная вода поступает с одной стороны, а морская вода — с другой стороны, они смешиваются, и после химических реакций часть этой воды выбрасывается обратно в океан ".
Мур был частью международной группы, которая разработала количественную модель подводного разряда подземных вод на большей части земного шара, и они только что опубликовали статью в Geophysical Research Letters, показывающую, что количество подземных вод, попадающих в Атлантический и Индо-Тихоокеанский океаны, составляет несколько в три-четыре раза больше, чем у всех рек вместе взятых. Возможно, даже более важным является вывод о том, что большая часть потока питательных веществ земной природы находится под землей.
«Если вы добавите в океан много питательных веществ, вы увеличите первичную продуктивность. Вы получите много водорослей, что может быть хорошо, но чрезмерное количество водорослей оседает и по мере разложения потребляет кислород из придонной воды», — говорит Мур. «Мы называем это гипоксией, когда уровень кислорода настолько низкий, что рыба не может дышать. Таким образом, продуктивность — это тонкий баланс.«В настоящее время в большинстве оценок того, как питательные вещества попадают в воду, считается, что они поступают из рек, источников, ручьев — вещей, которые вы можете видеть — или из точечных источников загрязнения, сточных вод, дренажных труб за пределами полей для гольфа.
Но люди не учли, сколько поступает из подземного устья. Происходит целый биогеохимический процесс, о котором люди не особо задумывались ».