L’ottimizzazione dello sfruttamento delle risorse idriche passa anche per lo studio della composizione isotopica dei componenti dell’acqua

L’acqua è una risorsa fondamentale, ma purtroppo limitata. Siamo davvero consapevoli dell’entità dei consumi e degli sprechi quotidiani?

Ogni Paese deve fare i conti con le proprie risorse e necessità e sviluppare nuove soluzioni tecnologiche per permettere una migliore gestione di questo bene prezioso. Una di queste è l’idrologia isotopica.

L’idrologia isotopica nasce dall’esigenza di gestire l’uso dell’acqua, in particolare in quei paesi in cui è una risorsa rara. La disponibilità effettiva di acqua è minata dall’inquinamento, che riduce ulteriormente la parte di risorsa di cui poter usufruire; inoltre i cambiamenti climatici influiscono sulla forte variabilità delle precipitazioni, rendendo difficile programmarne la gestione.

L’acqua potabile ha come principali origini i ghiacciai polari e gli acquiferi, che sono depositi di acqua tra strati di roccia in profondità, la quale viene portata in superficie tramite dei pozzi. I laghi e i fiumi forniscono l’acqua per le attività umane, ma in molti paesi la sola acqua adatta a essere bevuta è quella contenuta negli acquiferi. Gli oceani, i laghi e tutte le altre riserve si riempiono e svuotano periodicamente di un certo quantitativo di acqua, secondo il ciclo idrologico, che alterna l’evaporazione con le precipitazioni e l’infiltrazione nei terreni. Il tempo in cui l’acqua permane è diverso: la stessa goccia di acqua può rimanere tantissimi anni in un acquifero in profondità o soltanto qualche giorno in un fiume in superficie.

Poter gestire responsabilmente questa risorsa significa avere degli strumenti che aiutino a decidere quanta acqua prelevare quotidianamente e quanta destinarne alle varie attività. Questa disciplina permette di tracciare il movimento dell’acqua dolce attraverso il ciclo idrologico, definire l’età dell’acqua disponibile in profondità, ricavare il tempo necessario per la ricarica degli acquiferi e valutarne la contaminazione.

Come funziona? L’idrologia isotopica lavora con gli isotopi, cioè atomi dello stesso elemento che differiscono l’un l’altro per il numero di neutroni. Avendo lo stesso numero di elettroni si comportano in ugual modo, ma dato che possiedono un numero di neutroni diverso hanno una massa diversa. Gli isotopi possono essere stabili, oppure radioattivi, cioè “disgregarsi” in particelle più piccole ed energia, ognuno con un proprio tempo caratteristico.

La molecola di acqua è composta da due elementi, l’idrogeno e l’ossigeno. L’isotopo dell’idrogeno più abbondante nell’acqua è l’atomo il cui nucleo possiede un protone ma nessun neutrone. In quantità minore ci sono anche il deuterio e il trizio, che hanno rispettivamente uno e due neutroni. Allo stesso modo, l’isotopo di ossigeno presente in maggior quantità è l’ossigeno 16, composto da otto protoni e otto neutroni, ma si può trovare anche l’ossigeno 18, che possiede due neutroni in più. L’aspetto cruciale dell’idrologia isotopica è che le acque naturali hanno composizioni isotopiche in idrogeno e in ossigeno diverse. Ad esempio, l’acqua che evapora dai mari è formata tendenzialmente dagli isotopi più leggeri; i mari invece, dopo l’evaporazione, conterranno una maggiore quantità di isotopi pesanti perché questi ultimi hanno una minore tendenza ad evaporare. Di conseguenza, i mari conterranno una percentuale maggiore di ossigeno 18, mentre le piogge e la neve ne saranno pressoché privi. L’idrologia isotopica vuole misurare il contenuto degli isotopi nell’acqua prelevata dai bacini superficiali: analizzando un campione di acqua di fiume è possibile capire in quale percentuale questa abbia come sorgente l’acqua sotterranea e in quale percentuale l’acqua delle precipitazioni. Queste tecniche di analisi permettono di valutare il rapporto tra il numero di isotopi di uno stesso elemento. Possiamo quindi considerare la specifica composizione delle acque come “l’impronta digitale” dell’acqua stessa; analizzandone il contenuto siamo in grado di risalire al suo percorso.

Un’altra importante applicazione dell’idrologia isotopica consiste nella misura degli isotopi radioattivi per stimare l’età delle acque degli acquiferi. Ogni isotopo radioattivo impiega un certo tempo per decadere; a partire da questa informazione è possibile risalire all’età dell’acqua che lo contiene. Gli isotopi radioattivi utilizzati per questa analisi sono, ad esempio, il trizio o contaminanti dell’acqua come il carbonio 14 e il krypton 81. La presenza di trizio indica che l’acqua che si trova nell’acquifero ha meno di cento anni: si tratta dunque di un’acqua “giovane”. La presenza di carbonio 14 significa che l’acqua può avere fino a quarantamila anni d’età; rilevare del krypton 81 implica che l’acqua è molto antica e può avere fino a un miliardo di anni! Ottenere questa preziosa informazione significa capire quanto tempo l’acquifero impiegherà a rifornirsi. Infatti, se le acque sono molto antiche significa che l’acquifero si ricarica molto lentamente e che quindi è utile stabilire delle regole di estrazione dell’acqua più severe.  

Gli studi sull’acqua sono un’opportunità perché offrono uno strumento utile per affrontare il problema della sua scarsità, soprattutto per quei paesi che ne soffrono la mancanza.

Sahel, Argentina e Kuwait sono solo alcuni dei Paesi che hanno adottato la tecnologia descritta, mettendone in luce la validità e l’efficacia.

Per saperne di più:

https://www.iaea.org/newscenter/news/conserve-every-drop-isotope-hydrology-techniques-improve-kuwaits-water-management
https://www.iaea.org/newscenter/news/argentina-applies-nuclear-technology-to-water
https://www.iaea.org/newscenter/pressreleases/iaea-project-maps-groundwater-in-africas-sahel-region-shows-significant-reserves
https://www.iaea.org/newscenter/news/iaea-helps-researchers-worldwide-implement-sophisticated-isotope-techniques-to-date-the-age-of-very-old-groundwaters
https://www.iaea.org/newscenter/news/managing-water-resources-bolivia-uncovers-aquifers-secrets-with-nuclear-technology
Mook, W.M.E. (2001) Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle. Principles and Applications. UNESCO/ IAEA Series

Immagine di copertina: Africa Studio/Shutterstock