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【同位素是原子还是分子 什么是同位素】同位素技术使科学家能够了解水循环的组成，帮助他们更好地评估水量、水质和水的可持续性 。
在水循环方面，人们了解最少的是地下水 。科学家使用天然存在的放射性同位素作为示踪剂，以查明地下水是否正在补充，它来自哪里，它如何在地下移动，以及它是否容易受到污染和变化的气候条件的影响 。
不同地方的水有不同的同位素特征或独特的“指纹” 。科学家使用这些“指纹”来跟踪水在整个水循环过程中的流动路径中的运动:从蒸发、降水和渗透到径流和蒸腾，然后回到海洋或大气，等等 。
什么是同位素？
化学元素(如氢)完全由一种原子组成，同一种原子有不同的种类 。这些不同种类的原子是同位素 。它们有相同的化学特性，相同数量的质子和电子，但不同数量的中子 。中子数的不同使得各同位素的重量不同，这种重量差异是水文研究的关键 。
同位素水文学同时使用稳定同位素和不稳定同位素 。稳定同位素是非放射性的，也就是说，它们不会发出辐射 。不稳定同位素(也叫放射性同位素)经过放射性衰变，所以具有放射性 。
那么同位素水文学是如何工作的呢？
再生水循环的来源和输送
每个水分子(H2O)都由两个氢(H)原子和一个氧(O)原子组成，但它们并不相同:一些原子的同位素较轻，而另一些较重 。科学家使用精确的分析设备来测量水样中这些微小的重量差异 。为什么？
在海水蒸发过程中，同位素较轻的分子倾向于优先上升，形成具有特定同位素特征的云 。这些云与水分子混合，以雨的形式落下 。具有较重同位素的水分子首先下落 。随后，这些云失去了这些较重的同位素，并进一步向内陆移动，较轻的同位素下降的比例更大 。
水落到地面，充满了湖泊、河流和地下蓄水层 。通过测量这些水体中的重同位素与轻同位素的比例，科学家可以破译水的来源和运动 。
地下水年龄
同位素是估算水资源年龄、脆弱性和可持续性的最直接和最有力的工具 。含水层中的地下水是“老”的，这意味着水流缓慢，含水层需要很长时间才能得到补给 。相反，“年轻”的地下水容易被雨水更新，但也容易受到污染和气候条件变化的影响 。了解水的年龄使科学家和政府能够很好地掌握含水层的补给率 。
在水文学中，一些存在于水中的天然存在的放射性同位素，如氚(3H)、碳-14(14C)和惰性气体放射性同位素，被用来估计地下水的年龄 。这个年龄可能从几个月到几百万年不等 。
这些同位素随着时间的推移而衰变，其丰度逐年降低 。较高的值表示水“较年轻”，较低的值表示水“较老” 。例如，可检测到氚含量的地下水可能有60年左右的历史，而不含氚的地下水肯定更老 。氚用于测量新补充的地下水，即年龄小于60年的地下水，而碳-14用于测量年龄超过4万年的水，氪-81用于测量年龄超过100万年的水 。
水质
地表水和地下水中的污染物有各种来源，如农业、工业和人类排泄物，它们也可能由于含水层中发生的地球化学过程而自然存在 。农业、工业和家庭产生的污染物种类不同 。通过研究污染物的化学和同位素组成，科学家可以确定它们的来源 。
例如，由氮和氧形成的硝酸根离子(NO3)是一种常见的污染物 。氮有两种重量不同的稳定同位素 。人粪和肥料中氮的重量差异不同 。肥料使用空气体中的氮，而人类和动物经历一个生物过程将氮转化为不同的形式 。因此，可以根据这些同位素的重量差异来鉴别不同来源的污染物 。(作者劳拉·吉尔)
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