Diploma thesis in Physics submitted by Florian Freundt born in ...

Measuring annual variation of soil atmosphere composition
focusing on the effect of oxygen depletion on noble gas partial
pressures
Abstract
It is known that the partial pressures of soil atmosphere components like oxygen, carbon dioxide and
nitrous oxides show fluctuations on both temporal and spatial scales. These are primarily caused by
microbiologic activities in the soil. However, the use of noble gases dissolved in ground water as a climate
proxy utilizes the basic assumption that the ground air equilibrating with water during recharge is of
atmospheric composition with regard to noble gases. This assumption has been questioned to account
for lower than expected noble gas temperatures, suggesting a rise of noble gas partial pressures in the
soil atmosphere caused by removal of CO2 (produced by O2 depleting soil respiration) due to its high
solubility in water [Hall et al., 2005]. To test this proposition three permanent sampling sites were built
in clay dominated soil, allowing for sampling of ground air in regular intervals and depths up to 6 meters.
O2 and CO2 concentrations were measured on site while the noble gases helium, neon, argon, krypton
and xenon were sampled and measured in the laboratory using mass spectrometry.
It was confirmed that O2 and CO2 concentrations within the soil atmosphere fluctuate strongly, the sum
of O2 and CO2 reached a minimum of 16.5 Vol%. Soil atmosphere noble gas composition deviated from
atmospheric composition, i.e. their concentrations increased when O2+CO2 concentrations decreased.
The highest observed increase in noble gas concentrations was 106 % of atmospheric air concentrations.
Based on an actual soil temperature of 12 ◦ C, this would cause an underestimation of temperature by
the currently employed CE model by 1.5 ◦ C.
Zusammenfassung
Die Partialdrücke von Gasen wie Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickoxiden in der Bodenluft schwanken
sowohl zeitlich als auch räumlich, angetrieben durch mikrobiologische Aktivität im Boden. Dennoch wird
bei der Rekonstruktion von Paläotemperaturen aus in Grundwasser gelösten Edelgasen angenommen,
dass die Edelgasanteile der Bodenluft identisch mit denen atmosphärischer Luft sind. Diese Annahme
wurde von Hall et al. [2005] in Frage gestellt, um Edelgastemperaturen unterhalb der erwarteten Werte
zu erklären. Hall et al. [2005] schlagen vor, dass der Anstieg der Edelgaspartialdrücke durch ein Defizit
der Summe von O2 und CO2 in der Bodenluft verursacht wird. Dieses Defizit entsteht, wenn mikrobiologische
Prozesse O2 in CO2 umwandeln und das CO2 durch seine hohe Löslichkeit bei Niederschlag aus
der Bodenluft entfernt wird. Um dies zu überprüfen wurden drei permanente Messstellen in Lehmböden
eingerichtet, die eine regelmäßige Beprobung der Bodenluft bis in 6 m Tiefe erlaubten. O2 und CO2
wurden vor Ort gemessen, Proben mit Bodenluft wurden im Labor am Massenspektrometer auf ihre
Edelgaszusammensetzung hin untersucht.
Die Schwankung der O2- und CO2-Konzentrationen in der Bodenluft konnte bestätigt werden, der niedrigste
gemessene Wert der Summe von O2 und CO2 war 16.5 Vol%. Die Edelgaszusammensetzung zeigte
Abweichungen von der atmosphärischen Zusammensetzung: Steigende Edelgaskonzentrationen korrelierten
mit der Abnahme der Summe von O2 und CO2. Die höchste gemessene Edelgaskonzentration
betrug 106 % der atmosphärischen Konzentration. Bei einer Bodentemperatur von 12 ◦ C würde ein derartiger
Anstieg bei dem derzeit verwendeten CE-Modell zu einer Unterschätzung der Temperatur um
1.5 ◦ C führen.