Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Methoden der Verdunstungsbestimmung 61
___________________________________________________________________________
4.7 Isotopenmethoden
Die Ermittlung der Verdunstung freier Wasserflächen mit Hilfe isotopenhydrologischer Methoden
ist theoretisch zwar möglich, stößt in der Praxis aber auf verschiedene Probleme, die den Einsatz
auch für wissenschaftliche Zwecke nur bedingt praktikabel und sinnvoll erscheinen lassen.
Der messtechnische Ansatz basiert auf der Isotopenfraktionierung am Phasenübergang flüssig -
gasförmig. Aufgrund der verschiedenen Dampfdrücke der einzelnen Molekülvarianten des Wassers,
die sich aus den jeweils drei Isotopen des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zusammensetzen,
verdunsten diese mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Die Intensität des Phasenüberganges
ist aus energetischen Gründen für die leichteren Modifikationen höher. Die Folge ist
eine Isotopentrennung: Im verdunstenden Wasserkörper kommt es zu einer relativen
Verarmung an leichteren und zu einer relativen Anreicherung schwererer Isotope. In den direkt
auflagernden Luftschichten ist eine umgekehrte Verteilung anzutreffen. Die Isotopengleichgewichte
werden in ihren Grundzügen durch folgende Reaktionen beschrieben (MOSER &
RAUERT 1980):
Zwischen den Molekülphasen A und B, in denen die Isotopen x und x * eines Atoms vorliegen,
kommt es zum Austausch entsprechend 4.7-1.
α *
(4.7-1) A(x) + B(x * ) _ A(x * ) + B(x)
Dabei ist α * die Austauschreaktionskonstante, die entsprechend Gleichung 4.7-2 definiert ist.
(4.7-2) α * = (x * / x [in Phase A]) / (x * / x [in Phase B])
α * ist temperaturabhängig und variiert mit der Zusammensetzung von Stoffgemischen, bei Wasser
z. B. mit den Salzgehalten. Handelt es sich um einen Isotopenaustausch zwischen zwei
Phasen der gleichen chemischen Verbindung wird α * zur "Gleichgewichtsphasenübergangskonstante".
Aufgrund der geringen Größe der Zahlen werden nicht die absoluten Massen der verschiedenen
Spezies der Wassermoleküle betrachtet. Vielmehr nimmt man Bezug auf einen von der International
Atomic Energy Agency definierten Standard, das sogenannte "SMOW" (Standard mean
ocean water). Die Abweichung der Konzentrationsverhältnisse bestimmter Isotope bzw. Variationen
des Wassermoleküls von diesem wird als δ - Wert in Promille angegeben (ROEDEL 1994):
(4.7-3) δ = 1000 * (RProbe - RStandard) / RStandard
mit R ... Isotopenverhältnis (z. B. [HDO] : [H2O])