Umwelttracer in Atmosphäre und terrestrischen Systemen · Institut für Umweltphysik Umwelttracer in Atmosphäre & terr. Systemen – 1. Einführung Universität Heidelberg Literatur

Umwelttracer in Atmosphäre & terr. Systemen – 1. Einführung Universität HeidelbergInstitut für Umweltphysik

Umwelttracer in Atmosphäre und terrestrischen Systemen

–1. Einführung

Ingeborg LevinWerner Aeschbach-HertigInstitut für Umweltphysik

Universität Heidelberg


Inhalt der Vorlesung

Homepage der Vorlesung (mit Detailprogramm):http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/aquasys/lehre/UTATS

Grober Themenüberblick:• Einführung (Tracer, Systeme, Modelle)• SF6 und andere Datierungsmethoden• Radon und andere radioaktive Edelgase• 13C, Fraktionierung, Kohlenstoffkreislauf• 14C als Tracer und Datierungsmethode


Literatur zu Umwelttracern (Isotopenhydrologie)• Mook, W.G. (ed.), 2001: UNESCO/IAEA Series on

Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle - Principles and Applications. Available online at http://www.iaea.org/programmes/ripc/ih/volumes/volumes.htm

• Clark, I. D, Fritz, P., 1997: Environmental Isotopes in Hydrogeology. Lewis Publishers, Boca Raton. IUP 1868

• Cook, P. G., Herczeg, A. L. (eds.), 2000: Environmental Tracers in Subsurface Hydrology. Kluwer Academic Press, Boston. IUP 1869

• Mazor, E., 1997: Chemical and Isotopic Groundwater Hydrology. Dekker, New York. IUP 1885

• Moser, H., Rauert, W., 1980: Isotopenmethoden in der Hydrogeologie. Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 8. Bornträger, Berlin. IUP 1883


Inhalt Teil 1: Einführung

• Umwelttracer: Was und wozu?• Überblick über Tracer/Isotope und Fragestellungen• Herkunft der Umwelttracer• Datierung mit Radioisotopen und transienten Tracern• Einführung in Modellkonzepte


Was ist ein Tracer?Tracer = Spurenstoff, d.h. Stoff der• in geringen Konzentrationen (Spuren) vorhanden ist• eine Spur von Prozessen in Umweltsystemen markiert

Eigenschaften von Tracern• Einfaches/bekanntes Verhalten in der Umwelt:

– konservativ: keine Quellen/Senken– reaktiv: bekannte Reaktionsraten– Spezialfall radioaktiver Zerfall: Quasi-konservativ

• Leicht und empfindlich messbar• Markieren Medium (Wasser, Luft) oder Stoffe darin


UmwelttracerTracer, die in der Umwelt verbreitet sind, sei es aus natürlichen oder anthropogenen QuellenGegensatz: Künstliche Tracer werden gezielt freige-setzt, in lokalen Tracer-Experimenten (z.B. Farbstoffe)

Umwelttracer decken weite Raum- und Zeitskalen ab!

• Transiente Tracer: Anthropogen, variabler Eintrag– z.B. Tritium (3H), FCKWs, SF6, 85Kr

• Geochemische Tracer: Natürlich, konstanter Eintrag– z.B. stabile Isotope (2H, 18O, 13C), 14C, 222Rn, 81Kr


Kategorien von Umwelttracern• Stabile Isotope: Ideale Marker von Stoffen

– H- und O-Isotope im Wasserkreislauf– C-Isotope im Kohlenstoffkreislauf– Isotope von N, S, Cl, ... in anderen Stoffkreisläufen

• Konservative Stoffe (Gase): Gute Marker von Prozessen in fluiden Medien– SF6 und FCKWs in Atmosphäre und Hydrosphäre– Edelgase in Hydrosphäre und terrestrischen Fluiden

• Radioaktive Isotope: Ideale Zeitmarker– 14C: Alter org. Materie, Zeitskala im C-Kreislauf– 3H: Zeitskala im Wasserkreislauf


Fragestellungen für Umwelttracer

• Herkunft von Wasser- oder Luftmassen– Identifikation und Separation von Komponenten– Bildungsgebiete, Fliesswege, Mischungsanteile– Herkunft von Verunreinigungen

• Aufenthaltszeiten und Prozessraten– Erneuerungsraten, Fliessgeschwindigkeiten– Mischungsraten, (turbulente) Diffusivitäten– Transport und Abbau von Schadstoffen


Stabile Isotope und konservative Spurenstoffe

Markierung, FraktionierungChlor-37 (37Cl)Markierung, BildungsbedingungenHe, Ne, Ar, Kr, XeDatierung (Eintrag)FCKWs (11, 12, 113)Datierung (Eintrag)SF6

AnwendungIsotop/Stoff

Markierung, FraktionierungSchwefel-34 (34S)Markierung, FraktionierungSauerstoff-18 (18O)Markierung, FraktionierungStickstoff-15 (15N)Markierung, FraktionierungKohlenstoff-13 (13C)Markierung, Datierung (Akkumul.)Helium-4 (4He)Markierung, Datierung (3H/3He)Helium-3 (3He)Markierung, FraktionierungDeuterium (2H, D)


Radioaktive Isotope

AnwendungHalbwertszeitIsotop

Datierung (Akkumulation)3.8 dRadon-222 (222Rn)Datierung (Eintrag)10.7 aKrypton-85 (85Kr)Datierung (Zerfall)210'000 aKrypton-81 (81Kr)Datierung (Zerfall)269 aArgon-39 (39Ar)Datierung (Zerfall)308'000 aChlor-36 (36Cl)Datierung (Zerfall)5730 aKohlenstoff-14 (14C)Datierung (Eintrag)12.32 aTritium (3H, T)


Herkunft von Radioisotopen (und anderen Tracern)

• Radioaktive Isotope können nur vorkommen, wenn sie entweder sehr langlebig sind oder ständig neu erzeugt werden

• Radioisotope können nach ihrer Herkunft klassifiziert werden:– Primordial (Reste aus dem Urnebel des Sonnensystems)– Kosmogen (produziert durch kosmische Strahlung)– Radiogen (produziert aus dem Zerfall anderer Isotope)– Nukleogen (produziert durch Kernreaktionen in der Erde)– Fissiogen (produziert durch Kernspaltung)– Anthropogen (produziert durch technische Prozesse)

• Stabile Isotope und Edelgase sind überwiegend primordial• SF6 und FCKWs sind anthropogen


Primordiale und radiogene Isotope: Zerfallsreihen

Zerfallsreihe von 238U

half-life > 1 year

half-life < 1 year

stable

206Pb

aus Mook, 2001


Kosmogene und nukleogene Isotope

UntergrundAtmosphäre

Produktion durch Kernreaktionen, hauptsächlich mit Neutronen aus der sekundären kosmischen Strahlung und aus Kernspaltungen Target-Elemente: Atmosphäre: N, O, Ar

Gestein: Li, O, Na, Mg, Al, Si, Cl, K, Ca, FeBsp.:

( ) Cpn,N 1414 ( )6 3Li n,α H

( ) CHn,N 12314 ( ) Clγn,Cl 3635

( ) Clp,3n2pAr 3640 ( ) Cln,2n3pCa 3640

( ) Arpn,K 3939( ) Arn,2nAr 3940

( ) Alspp,Ar 2640 ( ) Arαn,Ca 3740


Kosmogene Produktionsraten

Produktionsraten durch kosmische Strahlung sind sehr tief⇒ kosmogene Isotope sind sehr selten

z.B.: 14C/12C ~ 10-11 , 36Cl/35Cl ~ 10-15 ,3H/1H ~ 10-18 , globales natürliches 3H Inventar: 3.6 kg

0.001936Cl2.014C

0.01810Be0.0357Be0.283H

Prod. rate (Atome cm-2 s-1)

Radioisotop


Anthropogene Produktion

Wichtigste Quellen anthropogener Radionuklide:– Thermonukleare Bombentests in Atmosphäre (1950er – 60er)– Unfälle in Kernkraftwerken– Normale Freisetzung aus KKWs und Wiederaufbereitung– Abfälle aus anderen Anwendungen (Medizin, Forschung, etc.)

Wichtige anthropogene Nuklide als Umweltisotope:

10.7308'000

573012.32

Halbwertszeit (a)

Wiederaufbereitung85KrBombentests36ClBombentests14CBombentests3H

UrsprungIsotop


Beispiele anthropogener Eintragskurven

85Kr: AnstiegTritium: "Bombenpeak"

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1950 1960 1970 1980 1990 2000

spec

ific

atm

osph

eric

act

ivity

[Bq

m-3

air

]

Year

85Kr

0

1000

2000

3000

1960 1970 1980 1990

Tri

tium

in p

reci

pita

tion

[TU

]

Year

3H


Zeitinformation aus Radioisotopen

Gesetz des radioaktiven Zerfalls:

mit: N(t) = Anzahl der Nuklide zur Zeit t, N0 = N(0) λ [T-1] = Zerfallskonstante = ln2/T1/2

Radioisotope liefern Zeitinformation (Alter), falls N(t) und N0bekannt sind (λ’s sind bekannte Konstanten):

N(t) kann gemessen werden, Schwierigkeit liegt bei N0!


Prinzipien der Datierungsmethodenco

ncen

trat

ion

time

3H, 14C

39Ar, 81Kr

radioactive decay

Cinitial ?

conc

entr

atio

n

time

3He

3H

mother - daughter pair

conc

entr

atio

n

time

4He

40Ar

accumulation

slope = accumulation rate ?

1950 1960 1970 1980 1990 2000

conc

entr

atio

n

year

CFC-12

85Kr

3H

input variation


ModellkonzepteDie Interpretation von Umwelttracerdaten basiert meist auf einem Modell des untersuchten Umweltsystems

A) MarkierungstracerEinfache "Boxmodelle" sind beliebt und nützlich:

– Einteilung des Systems in Kompartimente (Boxen)– Tracerkonzentr. homogen in jeder Box (durchmischt)– Austauschraten zwischen Boxen und mit Umwelt

B) Datierungstracer"Lumped Parameter" oder "Black Box" Modelle:

– Verknüpfung von Input und Output eines Systems– Systemstruktur in "Transit Time Distribution"


1-Box Modell (gemischter Reaktor, Exponentialmod.)Homogenes Reservoir mit konst. Durchfluss und variablem Input

Massenbilanz:

V,CQ,Cin Q,Cout

V: Systemvolumen [L3]Q: Durchfluss [L3T-1]k = Q/V: Durchflussrate [T-1]τ = V/Q: Austauschzeit [T]C: System-Konzentration [ML-3]Cin: Input Konzentration [ML-3]Cout = C: Output Konz. [ML-3]λ = Zerfallskonstante [T-1]

Lineare inhomog. Diff.glg. 1. OrdnungAllgemeine Lösung für C(0) = C0:

System seit unendlicher Zeit aktiv:


Black Box oder Lumped Parameter ModelleInput System = Black Box Output

Beschreibung des Systems durch Wahrscheinlichkeitsverteilung der Verweilzeiten, so gennante Transit Time Distribution (TTD):

Output (Faltung von Input und TTD plus Zerfall):


Exponential-Modell (EM)

• Transit time distribution:

– Parameter τ: Mittlere Verweilzeit (mittleres Alter)

• Gewicht der Einträge nimmt exponentiell mit Alter ab– rezenter Eintrag (t' << τ): hoher Beitrag zum Output– alter Eintrag (t' >> τ): geringer Beitrag zum Output

• Output:

• Identisch mit 1-Box Modell (durchmischter Reaktor)!• Modellalter τ = mittlere Verweilzeit in durchmischtem System


2-Box Modelle1 Stoff in 2 homogenen Boxen mit Austausch und ext. Input/Output

V1,C1Q1,Cin Q1,C1 ki = Qi/Vi: Durchflussraten [T-1]kex,i = Qex/Vi: Austauschraten [T-1]ktot,i = ki + kex,i: Totale Raten [T-1]τtot,i = 1/ktot,i: Austauschzeiten [T]Ci: Box-Konzentrationen [ML-3]Cin: Input Konzentration [ML-3]

V2,C2

Qex

Q2,Cin Q2,C2

Massenbilanzen:

2 gekoppelte lineare inhomogene Differentialgleichungen 1. Ordnung


2-Box Modelle: allgemeine Theorie

System von 2 linearen Differentialgleichungen kann allg. geschrieben werden als:

oder:

kurz:

mit:Lösung:

Systemverhalten (Schwingung, Dämpfung) hängt ab von Eigenschaften von P. Massenbilanz-Modelle: negative Eigenwerte, Stationärzustände existieren.

Literatur: Imboden und Koch, 2003: Systemanalyse. Springer-Verlag. IUP 1876


Zusammenfassung

• Umwelttracer: In der Umwelt verteilte Spurenstoffe• Markierungstracer ("Farbe"): stabil, konservativ• Datierungstracer ("Uhr"): radioaktiv, transient• Radioisotope: Radiogen, kosmogen, anthropogen, etc.• Datierung: Zerfall, Akkumulation, Inputvariation• Box-modelle: lineare Differentialglg. 1. Ordnung• Lumped-parameter Modelle: Transit time distribution• 1-Box-Modell entspricht Exponential-Modell

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