Šedesát let mezinárodní sítě „Izotopy ve srážkách“

Právě před šedesáti lety byly shromážděny úplně první vzorky dešťové vody pro Globální síť izotopů ve srážkách (Global Network of Isotopes in Precipitation, GNIP). Věda o hydrologii izotopů teprve podnikla první kroky. Jak vlastně GNIP vznikl, jak se vyvíjel a jak se dnes používá? Vedoucí laboratoře izotopové hydrologie Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni (IAEA), Leonard Wassenaar, odpovídá na otázky.

V roce 1960 iniciovala vznik GNIP Světová meteorologická organizace (WMO) ve spolupráci s MAAE. Od té doby se tato síť stala největší a nejkomplexnější sbírkou dat o izotopech v atmosférických srážkách na světě. Pomáhá vědcům na celém světě studovat globální vodní cyklus a původ, pohyb a historii vod. Díky těmto informacím je možné, kromě jiného, také lépe plánovat strategické řízení vodních zdrojů.

Díky GNIP, ve které jsou uložené měsíční záznamy o izotopech na více než 1 100 místech ve více než 90 zemích, jsou data přístupná online vědcům a odborníkům v oblasti studia vodních zdrojů, environmentálních procesů, interpretace minulých klimatických archivů a ověřování a dalšího zlepšování modelů predikce klimatických změn. Za posledních 60 let shromáždil GNIP ve spolupráci s mnoha přispěvateli z celého světa více než 130 000 měsíčních izotopových záznamů.

Proč GNIP vznikl?

Kvůli atmosférickým zkouškám termonukleárních zařízení v 50. letech 20. století se hladiny tritia v atmosféře na počátku 60. let 20. století prudce zvýšily. Teprve koncem roku 2000 postupně klesaly na úroveň před jadernými zkouškami. Primárním cílem GNIP bylo porozumět chování tritia v atmosféře a využít tuto příležitost („accidental global tritium spike“) pro hydrologický výzkum a lepší pochopení vodního cyklu na Zemi. Jako základní součást byly přidány také stabilní izotopy vodíku a kyslíku. Předpokládanými aplikacemi GNIP bylo datování stáří podzemních vod, sledování směšování oceánů, odhady doby pobytu povrchových vod a ztráty způsobené vypařováním.

Proč byl vytvořen ve spolupráci se Světovou meteorologickou organizací?

WMO byla logickým partnerem, protože dohlížela na klimatické a meteorologické stanice po celém světě. Na konci 50. let 20. století WMO zřídila novou globální síť stanic a obrátila se na národní meteorologické služby členských států MAAE, aby je vyzvala k účasti na pokročilých vědeckých projektech, včetně budoucího GNIP. Mnoho stanic současného GNIP bylo špičkovými stanicemi WMO se stálým personálem potřebným pro sběr vzorků deště. Místa zahrnovala hlavní města, letiště, místa výzkumu a vojenské základny. V posledních dvou desetiletích se partnerství GNIP rozšířila přímými kontakty s výzkumnými středisky a meteorologickými službami. Dnes je GNIP přidružen ke skupině povrchových pozorovacích sítí WNO Global Terrestrial Networks for Hydrology (GTN-H).

Jak fungoval GNIP před érou osobních počítačů a internetu?

Do roku 1987 se data GNIP ukládala na sálových počítačích pomocí čteček karet, a byla přístupná pouze pracovníkům IT. Poté do začátku 90. let byla data GNIP dostupná pro výzkumné pracovníky prostřednictvím tištěných publikací IAEA (10 svazků) nebo pomocí počítačových pásek přístupných ve výzkumných střediscích v několika zemích. Příchod osobních počítačů v 90. letech umožnil distribuci dat GNIP na diskety a v roce 1995 byl zveřejněn první web GNIP pro stahování dat pomocí tabulkových procesorů Lotus. V roce 2002 začala být data, mapy a animované mapy distribuována online. Dnes jsou všechny informace shromážděné za šedesát let existence GNIP k dispozici na webstránce MAAE https://www.iaea.org/services/networks/gnip.

Jak se činnost GNIP vyvíjela?

Základní principy sběru vzorků GNIP a programu pozorování izotopů se od svého založení nezměnily. Využívají se měsíční komplexní vzorky srážek. V dnešní době jsou pro analýzy stabilních izotopů zapotřebí menší objemy vzorků, zařízení k provádění odběru vzorků a analýz se stalo dostupnější a snadněji se používá. U tritia je však dnes vzhledem k poklesu jeho koncentrací zpět na přírodní úroveň zapotřebí citlivější a nákladnější analýza. Více údajů v GNIP nyní produkují národní spolupracovníci MAAE; je to výsledek úsilí MAAE o odbornou přípravu expertů po celém světě. Komunikace a interakce s národními účastníky prostřednictvím internetu nahradily zasílané dopisy a faxy.

Jaký je plán GNIP na následujících 10 let?

Stále rychle roste okruh vědců využívajících dat o stabilních izotopech z GNIP v netradičních (z hydrologického hlediska) oborech, jako jsou ekologie, zemědělství, archeologie, autentičnost potravin a atmosférické vědy. V posledních 10 letech došlo k vývoji nové technologie v měření stabilních izotopů, která nyní umožňuje častá měření obsahu izotopů ve vodách a parách v reálném čase a na dálku pomocí laserů. Použití GNIP ve velkých datech teprve začíná. Neočekává se mnoho změn pro tritium, protože jeho hladiny klesly na úroveň blízkou stavu před jadernými zkouškami, ale metoda datování tritium/helium-3 se bude stále více používat k mapování zranitelných zásob podzemních vod.

Jak si představujete GNIP za dalších 60 let?

Zbývá zjistit, zda vodíková paliva budou mít dopad na izotopové složení vodíku ve srážkách. Vyvolá budoucí využívání fúzní energie obrovské uvolňování tritia, které v budoucnu znovu překryje přírodní tritiové hospodářství Země? Postup globálních změn klimatu by se měl projevit změnami v izotopových vzorcích a trendech zaznamenávaných ve stanicích GNIP po celém světě. Je možné, že GNIP by mohl začít sledovat další izotopy zajímavé pro kvalitu vody nebo pro atmosférické studie, protože se vyvíjejí metody a vybavení k detekci nižších koncentrací izotopů, například přirozeně se vyskytujících izotopů dusíku a chlóru nebo znečišťujících látek ve vzduchu, které se ukládají na zemský povrch deštěm. Očekáváme, že GNIP se bude stále více používat k ověřování klimatických modelů, protože satelity začnou měřit izotopy ve vodní páře nebo srážkách na Zemi dálkově z kosmu.

K čemu je GNIP dobrý

Pro zlepšení stávajících postupů hospodaření s vodou a pro lepší predikce v období nejistot souvisejících s klimatickými změnami je zásadní předvídat změny v distribuci srážek. MAAE podporuje své členské země v lepším řešení problémů souvisejících s vodou pomocí izotopových technik. V zemědělství to činí ve spolupráci s Organizací OSN pro výživu a zemědělství (FAO). „S častějšími extrémními povětrnostními podmínkami budou srážky stále nepředvídatelnější, což ovlivní živobytí stovek milionů lidí v rozvojových zemích, které se spoléhají hlavně na rostlinnou výrobu,“ uvedl Lee Heng, vedoucí sekce půd a vodního hospodářství a výživy plodin společné divize FAO/IAEA pro jaderné techniky v potravinách a zemědělství.

Voda pro zemědělství

Zemědělství spotřebovává v průměru 70 % celkové sladké vody spotřebované po celém světě, hlavně pro zavlažování pro výrobu potravin. Jen méně než polovina této vody je využívána efektivně; zbytek se vyplýtvá odpařováním, hlubokou drenáží a odtokem. Odtékající voda - ať už z deště nebo umělého zavlažování - nese živiny, pesticidy a chemikálie do zdrojů podzemní a povrchové vody, což poškozuje ekosystém lokality.

Izotopové a jaderné techniky přispívají k lepšímu řízení zavlažování půdy zlepšováním postupů a účinnosti využívání vody. Tyto techniky se stávají nedílnou součástí hospodaření s vodou v zemědělství, protože izotopy (kyslík-18 a deuterium) mohou pomoci určit původ a pohyb vody v rostlinách a půdách. Vědci například mohou pomocí izotopů měřit, kolik vody spotřebovala rostlina, nebo se odpařilo z půdy. Na základě těchto informací lze vyvinout strategie pro zlepšení produkce plodin, snížení ztrát vody a zabránění degradaci půdy, vody a ekosystému.

Podpora modelování klimatu

Aby vědci mohli předpovídat budoucí dopady změny klimatu, musejí prozkoumat a pochopit, jak složité systémy Země fungují a jak se mohou vyvíjet. K tomu se volí klimatické modely využívající matematické rovnice k charakterizaci interakce energie a hmoty v různých částech oceánu, atmosféry a země. Je to složitý proces, který vyžaduje výkonné superpočítače a mimo jiné přesné údaje o vodě. MAAE nabízí jedinečný zdroj pro klimatické modeláře po celém světě: Globální síť izotopů ve srážkách (GNIP), sbírající údaje o izotopech vodíku a kyslíku po celém světě. Tyto izotopy jsou vysoce citlivými ukazateli klimatických procesů. GNIP pomáhá vědcům studovat globální vodní cyklus a původ, pohyb a historii vody a ověřovat předpovědi klimatického modelu. Ve více než 90 zemích vytvořily stovky monitorovacích míst po celém světě již více než 130 000 záznamů o izotopovém složení vod.

Zbývá doplnit, že vedle GNIP existuje také GNIR - The Global Network of Isotopes in Rivers (Globální síť Izotopy v řekách). Vznikla v roce 2002 jako globální program sledování životního prostředí zaměřený na testování izotopového složení říčních vod sběrem a analýzou vzorků vody. GNIR je k dispozici prostřednictvím portálu WISER (Water Isotope System for Data Analysis, Visualization and Electronic Retrieval) zde: https://www.iaea.org/services/networks/gnir.

Vědecký základ: Jak se pomocí stabilních izotopů sleduje voda

Izotopy jsou formy atomů, které mají stejné chemické vlastnosti, ale odlišnou molekulovou hmotnost. Stabilní izotopy nejsou radioaktivní, takže nevyzařují záření, ale jejich jedinečné fyzikální vlastnosti umožňují jejich využití v široké škále aplikací, včetně hydrologie a vodního hospodářství v zemědělství. Stabilní izotopy vodíku (deuterium) a kyslíku (¹⁶O, ¹⁷O a ¹⁸O) pomáhají zjistit teplotu a klima Země zaznamenané po tisíce let například ve vrstvách ledu. Množství a poměry stabilních izotopů ve vzorcích vody se měří pomocí různých technik. Přirozeně se vyskytující stabilní izotopy ve vodě a dalších látkách se používají ke sledování původu, historie, zdrojů, změn a interakcí ve vodách a také ke zkoumání ztrát vody odpařováním a transpirací rostlin v zemědělství.

Zdroje:https://www.iaea.org/newscenter/news/turning-60-and-far-from-retirement-happy-birthday-global-network-of-isotopes-in-precipitation

https://www.iaea.org/services/networks/gnip