Isotopenhydrologie
Im Isotopenhydrologie-Labor werden die Isotopengehalte von Wasser und seinen Inhaltsstoffen bestimmt. Von besonderem Interesse sind die stabilen Isotope der Elemente Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Schwefel (S), denn mithilfe dieser Isotope können das Wassermolekül und wichtige Wasserinhaltsstoffe (Schadstoffe, Verunreinigungen und natürliche Komponenten) charakterisiert werden.
Arbeitsschwerpunkte
Mit stabilen Isotopen lassen sich spezielle Fragestellungen der Hydrologie und Hydrogeologie bearbeiten, oder Untersuchungen anderer Fachdisziplinen ergänzen, zum Beispiel in den Bereichen:
- Grundwasserneubildung über Isotopenvariabilität in der ungesättigten Zone;
- Einzugsgebietscharakterisierung (z. B. Einzugsgebietshöhe von Quellen und Grundwasser);
- Interaktion von Grundwasser und Oberflächenwasser insbesondere bei hydrologischen Extremen (Hochwasser, Dürre);
- Mischungsanteile von Wässern (Abtrennung von Basisabfluss);
- Paläoklimaforschung (fossiles Grundwasser, Eisbohrkerne);
- Schichtung, Zirkulation und Grundwassereinfluss in Seen;
- Künstliche Markierversuche (mit angereichertem Deuterium oder Sauerstoff-18);
- Nachhaltigkeit bei zunehmender Beanspruchung von Grundwasserressourcen;
- Prozesse und Bilanzen im Stickstoff-, Kohlenstoff-, und Schwefelkreislauf.
Aktuelle Projekte
Analysemethoden
Im Isotopenhydrologie-Labor der BGR werden die stabilen Wasserisotope (Sauerstoff-18, δ¹⁸O und Deuterium, δ²H) mit Laserspektrometern (LAS) der Firma Picarro und Los Gatos gemessen. Außerdem werden Proben über die Isotopenverhältnismessung (isotope-ratio mass spectrometry – IRMS) an einem Gerät der Firma Thermo (high temperature conversion elemental analyser – TCEA) und der Firma Elementar (IsoTOC, Isoprime) bestimmt. Die Isotope von Kohlenstoff (¹³C/¹²C), Stickstoff (¹⁵N/¹⁴N) und Schwefel (³⁴S/³²S) werden nach Umwandlung über Gasbench und Elementanalyse in der Gasphase gemessen.
Bei der Isotopenmessung von Wasserproben über Laseranalytik nach dem „cavity ringdown“ Verfahren (Picarro L2120-i, L2130-i und L2140-i) und Los Gatos (TLWIA) werden Wassermoleküle über 100 °C erwärmt (H2O-Dampf) und anhand charakteristischer Absorptionslinien im nahen Infrarotbereich gemessen. Bei bekannter Wellenlängencharakteristik und unter kontrollierten Versuchsbedingungen (Druck, Temperatur) kann die Lichtabsorption (Peak-Höhe) zur Konzentrationsbestimmung benutzt werden.
Zudem besteht im Arbeitsbereich die Möglichkeit zur Feldmessung von im Wasser gelösten Gasen (Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Helium und Krypton) mit einem MiniRüdi und die Analyse von Fluoreszenztracern (Uranin, Naphtionat, etc.) mit einem Perkin Elmer LS 55 Gerät.