Каково это - пить воду, которой 15 000 лет

Марисса Грунс - научный сотрудник по экологии Гарвардского университета; Алан Зельцер - ассистент научного отдела морской химии и геохимии Океанографического института Вудс-Хоула; Кевин М. Бефус - ассистент профессора гидрогеологии Университета Арканзаса. Эта статья первоначально была опубликована на сайте The Conversation.

Население, зависящее от реки Колорадо, столкнулось с водным кризисом. Уровень озера Мид, крупнейшего водохранилища реки, упал до отметки, которой не было с тех пор, как оно было создано при строительстве плотины Гувера около века назад. Аризона и Невада впервые столкнулись с обязательным сокращением потребления воды, в то время как из других водохранилищ вода сбрасывается для поддержания работы гидроэлектростанций на реке Колорадо.

Если даже могучая река Колорадо и ее водохранилища не защищены от жары и засухи, усугубляемых изменением климата, то откуда Запад будет получать воду?

Есть один скрытый ответ: под землей.

В условиях повышения температуры и засухи реки пересыхают, а горные ледники тают, и люди все больше зависят от воды, находящейся под ногами. В настоящее время подземные воды обеспечивают питьевой водой почти половину населения Земли и примерно 40% воды, используемой для орошения в глобальном масштабе.

Многие не понимают, насколько старыми и уязвимыми являются эти воды.

Большая часть воды, хранящейся под землей, находится там уже несколько десятилетий, а значительная ее часть - сотни, тысячи и даже миллионы лет. Более старые подземные воды, как правило, находятся глубоко под землей, где они менее подвержены влиянию поверхностных условий, таких как засуха и загрязнение.

По мере истощения неглубоких скважин под давлением городской застройки, роста населения и изменения климата все большее значение приобретают старые подземные воды.

Питьевые древние подземные воды

Если бы вы откусили кусок хлеба, которому было 1000 лет, вы бы наверняка заметили это.

Вода, пролежавшая под землей тысячу лет, тоже может иметь другой вкус. Она вымывает природные химические вещества из окружающих пород, изменяя свой минеральный состав. Некоторые природные загрязнения, связанные с возрастом подземных вод, например литий, повышающий настроение, могут оказывать положительное воздействие. Другие загрязнители, такие как железо и марганец, могут представлять опасность.

Старые подземные воды также иногда слишком соленые, чтобы пить их без дорогостоящей очистки. Эта проблема может усугубляться вблизи побережья: При чрезмерной откачке воды образуется пространство, через которое морская вода попадает в водоносные горизонты и загрязняет питьевые запасы.

Для естественного пополнения запасов древних подземных вод могут потребоваться тысячи лет. И, как показала Калифорния во время засухи 2011-2017 годов, естественные подземные хранилища сжимаются по мере их опустошения, поэтому они не могут заполниться до прежнего объема. Такое уплотнение, в свою очередь, приводит к растрескиванию, смятию и проседанию грунта.

Однако сегодня на Западе люди бурят все более глубокие скважины, поскольку засухи приводят к истощению поверхностных вод, а фермерские хозяйства все больше полагаются на подземные воды.

Что значит "старая" вода?

Представим себе ливень, прошедший над центральной Калифорнией 15 тыс. лет назад. Когда ливень проносится над территорией современного Сан-Франциско, большая часть осадков попадает в Тихий океан, где со временем испаряется обратно в атмосферу. Однако часть осадков попадает в реки и озера, а также на сушу. Просачиваясь сквозь слои почвы, дождь попадает в медленно текущие подземные воды.

Некоторые из этих путей ведут все глубже и глубже, где вода скапливается в расщелинах горных пород на глубине сотен метров. Вода, собранная в этих подземных резервуарах, в некотором смысле отрезана от активного круговорота воды - по крайней мере, на временных масштабах, имеющих значение для жизни человека.

В засушливой Центральной долине Калифорнии большая часть доступной древней воды была выкачана из земли, в основном для нужд сельского хозяйства. Там, где естественный срок восполнения запасов составлял бы порядка тысячелетий, сельскохозяйственные просачивания частично пополнили некоторые водоносные горизонты более новой, зачастую загрязненной водой. Более того, в таких местах, как Фресно, сейчас активно пополняют водоносные горизонты чистой водой (например, очищенными сточными водами или ливневыми стоками) в рамках процесса, известного как "управляемое пополнение водоносных горизонтов".

В 2014 г., в середине периода самой сильной засухи за всю историю человечества, Калифорния стала последним западным штатом, где был принят закон, требующий разработки местных планов устойчивого использования подземных вод. Подземные воды могут быть устойчивы к тепловым волнам и изменению климата, но если вы используете их полностью, то у вас будут проблемы.

Один ответ на спрос на воду? Бурить глубже. Однако этот ответ не является устойчивым.

Во-первых, это дорого: Крупные сельскохозяйственные компании и фирмы, занимающиеся добычей лития, как правило, являются теми инвесторами, которые могут позволить себе достаточно глубокое бурение, в то время как мелкие сельские общины этого сделать не могут.

Во-вторых, после откачки древних подземных вод водоносным горизонтам требуется время для пополнения. Могут быть нарушены каналы течения, что приведет к прекращению естественного снабжения водой родников, болот и рек. В то же время изменение давления под землей может дестабилизировать грунт, вызвать проседание почвы и даже землетрясения.

Третье - загрязнение: Хотя глубокие, богатые минералами древние подземные воды зачастую чище и безопаснее для питья, чем более молодые и мелкие, чрезмерная откачка может изменить эту ситуацию. Поскольку регионы, испытывающие дефицит воды, все больше полагаются на глубокие подземные воды, чрезмерная откачка понижает уровень грунтовых вод и вытягивает загрязненную современную воду, которая может смешиваться с более старой водой. В результате смешивания качество воды ухудшается, что приводит к необходимости строительства все более глубоких скважин.

Чтение истории климата в древних подземных водах

Есть и другие причины, по которым стоит обратить внимание на древние подземные воды. Как и настоящие окаменелости, чрезвычайно древние "ископаемые подземные воды" могут рассказать нам о прошлом.

Представьте себе наш доисторический ливень: 15 000 лет назад климат был совсем другим, чем сегодня. Химические вещества, растворенные в древних грунтовых водах, можно обнаружить сегодня, открывая окно в прошлый мир. Некоторые растворенные химические вещества действуют как часы, сообщая ученым возраст подземных вод. Например, мы знаем, как быстро распадаются растворенные углерод-14 и криптон-18, и можем измерить их, чтобы вычислить, когда вода в последний раз взаимодействовала с воздухом.

Более молодые подземные воды, исчезнувшие под землей после 1950-х годов, имеют уникальную антропогенную химическую подпись: высокое содержание трития, полученного в результате испытаний атомной бомбы.

Другие растворенные химические вещества ведут себя как крошечные термометры. Например, благородные газы, такие как аргон и ксенон, растворяются в холодной воде в большей степени, чем в теплой, по точно известной температурной кривой. После изоляции подземных вод от воздуха растворенные инертные газы не оказывают существенного влияния. В результате они сохраняют информацию об условиях окружающей среды на момент первого просачивания воды в недра.

Концентрация инертных газов в ископаемых подземных водах позволила получить одни из самых надежных оценок температуры на суше в последний ледниковый период. Такие результаты дают представление о современном климате, в том числе о том, насколько чувствительна средняя температура Земли к содержанию углекислого газа в атмосфере. Эти методы подтверждают результаты недавнего исследования, в котором было обнаружено потепление на 3,4 градуса Цельсия при удвоении содержания углекислого газа.

Прошлое и будущее подземных вод

В некоторых регионах, например в Новой Англии, люди годами пьют древние грунтовые воды, не опасаясь исчерпать их запасы. Регулярные дожди и разнообразные источники воды, включая поверхностные воды в озерах, реках и снежном покрове, обеспечивают альтернативу подземным водам и пополняют водоносные горизонты новой водой. Если водоносные горизонты способны удовлетворить спрос на воду, ее можно использовать на устойчивой основе.

Однако на Западе более века неуправляемого и непомерного водопользования привели к тому, что некоторые из мест, наиболее зависимых от подземных вод, - засушливые регионы, подверженные засухам, - растратили древние водные ресурсы, которые когда-то находились под землей.

Известный прецедент этой проблемы находится на Великих равнинах. Там древние воды водоносного горизонта Огаллала обеспечивают питьевой водой и орошением миллионы людей и фермерские хозяйства от Южной Дакоты до Техаса. Если бы люди выкачали этот водоносный горизонт досуха, то для его естественного наполнения потребовались бы тысячи лет. Он является жизненно важным буфером против засухи, однако ирригация и водоемкое земледелие снижают уровень воды в нем неустойчивыми темпами.

По мере потепления на планете древние подземные воды приобретают все большее значение - текут ли они из вашего кухонного крана, орошают ли они продовольственные культуры или содержат предупреждения о прошлом Земли, которые могут помочь нам подготовиться к неопределенному будущему.