D6 Hydrologische Tracer und Isotope

Thema

Hydrologische Tracer und Isotope ermöglichen es uns, den Ursprung des in einem Fluss oder Grundwasserleiter beobachteten Wassers zu bestimmen, die verschiedenen Komponenten eines Hochwasserabflussgangs zu trennen und zu messen, wie lange dieses Wasser unterirdisch verbleibt, bevor es wieder an die Oberfläche tritt.

Die stabilen Isotope des Wassers – der Anteil an schwerem Sauerstoff und der Anteil an schwerem Wasserstoff (Deuterium) – variieren systematisch in Abhängigkeit von der Temperatur, bei der das Wasser kondensierte, und dem Weg der transportierenden Luftmasse. Genau diese systematische Variation bewirkt, dass Regenwasser, Schneeschmelze und Grundwasser jeweils ihre eigene, charakteristische Isotopensignatur aufweisen.

Wenn sich zwei Wasserquellen mit unterschiedlichen Isotopensignaturen vermischen, liegt die resultierende Isotopenzusammensetzung irgendwo zwischen den beiden Werten, entsprechend einer Mischungsgleichung für zwei oder drei Quellen, je nach Fall. Genau diese Zwischenposition erlaubt es uns, den Anteil des gemischten Wassers aus jeder der ursprünglichen Quellen abzuschätzen und somit die verschiedenen Komponenten des bereits erwähnten Abflussgangs zu trennen.

Die durchschnittliche Verweildauer des Grundwassers wird mithilfe radioaktiver Tracer bestimmt: Tritium, eine radioaktive Form des Wasserstoffs mit einer Halbwertszeit von etwa zwölf Jahren und vier Monaten, ermöglicht die Datierung von Wasser, das zwischen 1950 und heute neu gebildet wurde. Denn alles Wasser, das vor diesem Zeitpunkt neu gebildet wurde, hat durch radioaktiven Zerfall fast sein gesamtes ursprüngliches Tritium verloren.

Künstliche Tracer wie Chloride, Farbstoffe oder Schwefelhexafluorid erlauben die direkte Messung von Fließgeschwindigkeit und Dispersion innerhalb eines Grundwasserleiters. Dazu wird der Tracer an einem Punkt injiziert und anschließend gemessen, wie lange es dauert, bis er an einem anderen Punkt flussabwärts in welcher Konzentration auftritt.

Das kosmogene Isotop Beryllium mit der Massenzahl zehn, das sich langsam an der Bodenoberfläche anreichert, spiegelt auch die Erosionsrate dieses Bodens wider: Je stärker die Erosion, desto geringer die Konzentration dieses Isotops, das sich im freigelegten Boden anreichern kann, da die Erosion selbst, wie in einem anderen Dokument dieser Reihe beschrieben, den Boden abträgt, bevor sich das Isotop anreichern kann. So zeigen hydrologische Tracer und Isotope – vom Ursprung des Wassers zu Beginn dieses Dokuments bis zur Erosionsrate am Ende, einschließlich der Isotopensignatur jeder Wasserquelle, der Mischungsgleichungen und der Tritiumdatierung –, dass Prozesse, die vollständig unterirdisch ablaufen, dennoch eine chemische Signatur hinterlassen, die an der Oberfläche messbar ist.

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