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Preisträger 2009: Dipl. Hyd. Deborah Zwilling für ihre Diplomarbeit in Hydrologie

Isotopengehalt von Sauerstoff-18 und Deuterium in Bodenluft und Bodenwasser: eine vergleichende Studie mit Hilfe von Säulenversuchen

Isotopenprofile sind ein wichtiges Werkzeug zur Erforschung der gesättigten und ungesättigten Bodenzone. Bisher war jedoch die Erstellung solcher sehr zeitaufwendig, kostenintensiv und meist fehlerbehaftet. Aus diesem Grund entwickelte sich vor mehr als 20 Jahre die Idee, statt der Bodenwasserphase die Luftphase zu beproben und auf die flüssige Phase zurück zu rechnen. Wegen fehlender Technik wurde dieser Ansatz lange nicht mehr weiterfolgt. Mittlerweile ist die Analyse-Technik zur Bestimmung von Isotopenverhältnissen in Luft stark weiterentwickelt worden, was nun die kontinuierliche Beprobung von Luft ermöglicht. Um schließlich die Analyse des Bodenwassers komplett ersetzten zu können, muss vorerst die Dynamik des Phasenübergangs untersucht werden.

Das Ziel der Arbeit von Deborah Zwilling war somit, die Kinetik des Isotopenaustauschs weiter zu erforschen und die Anpassungszeit von Bodenluft an ein sich isotopisch veränderndes Wasser zu bestimmen. Zusätzlich zur zeitlichen Dimension wurde die Abweichung des Isotopensignals in der Gasphase von den erwarteten Gleichgewichtswerten untersucht.

Die Grundlage der Analyse waren Säulenversuche mit Grob- und Mittelsand, bei denen mit Hilfe einer Gassammelschleife unterhalb des Substrats eine direkte Beprobung der Bodenluft möglich war. Diese Luft wurde kontinuierlich durch ein Laserabsorptionsspektrometer angesaugt und ihr Isotopengehalt an Deuterium (und Sauerstoff-18) ermittelt. Die Beregnung erfolgte abwechselnd mit isotopisch verschiedenen Wässern. Um Informationen über den Verlauf in der flüssigen Phase zu erhalten, wurde dem Beregnungswasser Natriumchlorid zugegeben. Über Leitfähigkeitsmessungen an der Gassammelschleife konnte der Verlauf in der flüssigen Phase mitverfolgt werden.

Abbildung 1: Aufbau der Säulenapparatur Abbildung 2: Gassammelschleife unterhalb des Säulenzylinders. Durch einen der vorderen Ausgänge wurde Bodenluft in das Laserabsorptionsspektrometer gezogen während parallel an den Drähten, die um die perforierte Metallschleife gewickelt waren, die Leitfähigkeit gemessen wurde.

Abbildung 1: Aufbau der Säulenapparatur



Abbildung 2: Gassammelschleife unterhalb des Säulenzylinders. Durch einen der vorderen Ausgänge wurde Bodenluft in das Laserabsorptionsspektrometer gezogen während parallel an den Drähten, die um die perforierte Metallschleife gewickelt waren, die Leitfähigkeit gemessen wurde.

Die Ergebnisse zeigen durchgängig eine Reaktion der Gasphase auf isotopische Veränderungen in der flüssigen Phase (hier am Beispiel der 3. Versuchsreihe – siehe Abb. 3). Dabei wurde ein zeitlicher Versatz zwischen den Durchgängen der Leitfähigkeit und von Deuterium von 6 bis 150 min ermittelt.

Abbildung 3: 3. Versuchsreihe: Durchgang von Deuterium (Tracer der Gasphase) und Leitfähigkeit (Tracer der flüssigen Phase). Links: Beregnung mit schwerem, salzigem Wasser. Rechts: Beregnung mit leichtem, salzfreiem Wasser.
Abbildung 3: 3. Versuchsreihe: Durchgang von Deuterium (Tracer der Gasphase) und Leitfähigkeit (Tracer der flüssigen Phase). Links: Beregnung mit schwerem, salzigem Wasser. Rechts: Beregnung mit leichtem, salzfreiem Wasser.

Die Isotopenwerte in der Gasphase stimmen zu keiner Zeit mit den erwarteten Gleichgewichtswerten nach Majoube (1971) überein. Dabei sind die Sauerstoff-18-Daten im Mittel um 1,6 ‰ und die Deuterium-Daten um 7.5 ‰ zu schwer (vgl. Abb. 4).

Abbildung 4: Gemessene Isotopenwerte der Beregnungswässer (leichtes Wasser = dest H2O; schweres Wasser = D-H2O) und der Gasphase inkl. der erwarteten Gleichgewichtswerte in der Gasphase in Abhängigkeit der Temperatur (in rot und orange; jeweils unten links: 10 °C; jeweils oben rechts: 30 °C; schwarze Markierung: T = 22 °C).
Abbildung 4: Gemessene Isotopenwerte der Beregnungswässer (leichtes Wasser = dest H2O; schweres Wasser = D-H2O) und der Gasphase inkl. der erwarteten Gleichgewichtswerte in der Gasphase in Abhängigkeit der Temperatur (in rot und orange; jeweils unten links: 10 °C; jeweils oben rechts: 30 °C; schwarze Markierung: T = 22 °C).

Die in die Säule einströmende Laborluft war zu jeder Zeit untersättigt, was zur Verdunstung innerhalb der Säule geführt hat. Dies ist möglicherweise eine Erklärung für die durchweg angereicherten Isotopenwerte in der Gasphase. Für den zeitlichen Versatz der Durchgänge werden zwei Erklärungsansätze diskutiert. Der erste sieht eine Mischung der Bodenluft mit der Laborluft vor, wobei es nicht zur vollständigen isotopischen Überprägung der einströmenden Luft gekommen ist. Als zweite Möglichkeit wird ein separates Wasserreservoir erörtert, das nur über diffusiven Transport das Signal des Hauptstroms in der Säule erhalten hat und dieses dementsprechend später an die vorbeiströmende Luft weitergegeben hat.

In Rahmen der acht durchgeführten Versuchsreihen wurden insgesamt für fünf Messgrößen ca. 100.000 Messwerte erhoben. Grundlegend wurde durch diesen Versuchsaufbau der Zugang zu Prozessen eröffnet, die in der Regel schwer zu fassen sind. Trotz der zeitlichen Schwankungen zwischen den Durchgängen der Leitfähigkeit und von Deuterium und der Abweichungen von den erwarteten Gleichgewichtswerten liefern diese Ergebnisse eine experimentell bestimmte Größenordnung, in der Anpassungsprozesse in Böden stattfinden. Dies wirkt sich unmittelbar auf die räumliche Auflösung aus, die bei in-situ Beprobung der Bodenluft zur Bestimmung des Isotopengehalts des Bodenwassers möglich ist.

Literatur:
Majoube, M. (1971): Fractionnement en oxygene 18 et en deuterium entre l’eau et sa vapeur. Journal of Chemical Physics, 68, 1423-1436.