利用放射性氪同位素進(jìn)行定年的夢(mèng)想始于 1969年，瑞士伯爾尼大學(xué)的Loosli和Oeschger首先發(fā)現(xiàn)了空氣中存在 81Kr。這種半衰期為23萬年的核素由宇宙射線產(chǎn)生，在大氣中分布十分均勻，同位素豐度約6×10-13。小部分氪氣會(huì)溶于水或被凍在冰里，其中的 81Kr由于衰變將簡(jiǎn)單地隨著時(shí)間而減少，因此它對(duì)測(cè)定 10萬到 100萬年間水或冰的年代十分理想。而此年代范圍超出了 14C(半衰期為 5700年)所能應(yīng)用的范圍。

四十多年來，物理學(xué)家們?cè)��?jīng)嘗試了各種辦法來實(shí)現(xiàn) 81Kr測(cè)年。一種全新的方法——“原子阱痕量分析方法(ATTA)”，從 15年前起就在美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室逐漸發(fā)展起來，并建成了 ATTA-3裝置 。它目前每個(gè)月測(cè)量約 10 個(gè)氪氣樣品，而每個(gè)樣品提取自約 200 升的地下水或 100 公斤的冰。它的應(yīng)用開擴(kuò)了研究方向，并將帶來許多全新的認(rèn)識(shí)，尤其是在氣候變化研究以及水資源管理方面。

ATTA 方法利用激光原子阱來捕獲特定的同位素原子，進(jìn)行原子計(jì)數(shù)。激光的頻率準(zhǔn)確地匹配目標(biāo)同位素原子的躍遷頻率，使得激光僅和該同位素原子強(qiáng)烈地作用，并實(shí)現(xiàn)捕獲。一個(gè)被捕獲的原子將不斷地散射光子，成為一個(gè)明亮的光點(diǎn)，從而被相機(jī)記錄下來，其特征又如此明顯，使得絕不可能發(fā)生誤報(bào)。

除了 81Kr，地球大氣中還包含另外兩種長壽命的惰性氣體同位素：85Kr，半衰期為10.8年，同位素豐度約2×10-11，產(chǎn)生于核裂變反應(yīng)，主要在核燃料再處理時(shí)進(jìn)入大氣；39Ar，半衰期為 269 年，豐度約 8×10-16，由宇宙射線在大氣中產(chǎn)生。這兩種核素也可用于地質(zhì)分析，并覆蓋不同的年代應(yīng)用范圍。ATTA 實(shí)驗(yàn)裝置可以準(zhǔn)確無誤地挑出同位素豐度僅 10-16的 39Ar原子，而不受其他任何原子或分子的干擾。然而為了達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，還需通過樣品預(yù)富集等方法，將39Ar探測(cè)效率再提高10—100倍。

ATTA 方法將為從冰川到火山研究的諸多領(lǐng)域提供全新的機(jī)會(huì)：

極地冰芯研究，可以幫助地質(zhì)學(xué)家們重現(xiàn)早至 80 萬年前地球的氣候以及大氣成分。古冰不僅存在于冰層深處，還有很多因剝蝕作用而暴露在冰層表面。這些表面的古冰可以像深層冰芯一樣，用于古氣候研究。在2012年，由冰川學(xué)家和物理學(xué)家組成的一個(gè)聯(lián)合小組，用 ATTA-3 分析了南極泰勒冰川的樣品，證實(shí)了對(duì)古冰81Kr測(cè)年的可能性和準(zhǔn)確性。

洋流循環(huán)是地球氣候動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的主要組成之一，其典型的區(qū)域性循環(huán)周期恰好和 39Ar的半衰期相當(dāng)。因此，39Ar測(cè)年能讓科學(xué)家們做出更高分辨率的洋流分布圖。系統(tǒng)性地測(cè)量溶解在洋流中的 39Ar，并和 14C數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，能填補(bǔ)在深層洋流循環(huán)和混合認(rèn)識(shí)上的一大空白，它還可以幫助海洋學(xué)家更好地預(yù)測(cè)海洋中封存的二氧化碳。

放射性稀有氣體同位素測(cè)年在水文學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。通過對(duì)大量水井所提取的樣品進(jìn)行測(cè)年，水文學(xué)家可以繪制出整個(gè)水系的地下補(bǔ)給圖，從而更好地理解、甚至預(yù)測(cè)自然和人類活動(dòng)(如抽取地下水)對(duì)地下含水層的影響。這將有助于更好地管理和利用水資源。利用 ATTA 測(cè)81Kr的方法，已經(jīng)先后測(cè)量了非洲努比亞含水層、澳大利亞大自流盆地和南美瓜拉尼含水層，所得數(shù)據(jù)成為建立水流模型的基礎(chǔ)。水文學(xué)家們正計(jì)劃對(duì)世界主要水系進(jìn)行采樣和 81Kr測(cè)量。此外，在美國新墨西哥州的核廢料封存區(qū)，81Kr測(cè)量還幫助檢驗(yàn)了其地下水的隔離性�？茖W(xué)家們還能利用半衰期較短的 85Kr，評(píng)價(jià)年齡在 60年以內(nèi)的淺層“年輕”地下水的流動(dòng)和受化學(xué)污染的影響。進(jìn)一步發(fā)展ATTA方法，將使得 39Ar測(cè)年也成為地下水研究的標(biāo)準(zhǔn)工具。對(duì)于100—1000年這個(gè)十分重要年代范圍，39Ar是目前唯一可用的示蹤劑，因此其意義不言而喻。