Luftüberschuss im Grundwasser als potentielles Paläoklimaproxy. Werner Aeschbach-Hertig Institut für Umweltphysik Universität Heidelberg

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1 Luftüberschuss im Grundwasser als potentielles Paläoklimaproxy Werner Aeschbach-Hertig Institut für Umweltphysik Universität Heidelberg

2 Inhalt Klimaarchiv Grundwasser und Edelgase Luftüberschuss im Grundwasser - historische Entwicklung - systematischer Zugang Fallstudie Niger

3 Grundwasser als Archiv Klima, Umwelt Proxy Zeit Infiltration Distanz, Alter Probenahme Aquifer

4 Edelgase im Wasser edel inert konservativ wichtigste Quelle/Senke: Austausch mit Atmosphäre ideale Tracer

5 Löslichkeit der Edelgase in Wasser Bunsen Löslichkeit [cm 3 STP cm -3 atm -1 ] 0.2 Xe Kr 0.05 Ar Ne 0 He Temperatur [ C]

6 Edelgas-Komponenten im Grundwasser tritiogenic Konzentration relativ zum Gleichgewicht radiogenic Luftüberschuss excess air equilibrium Gleichgewicht Löslichkeit Xe Kr Ar He Ne Temperature Temperatur 0 3 He 4 He Ne Ar Kr Xe

7 Edelgas-Komponenten im Grundwasser tritiogenic radiogenic Luftüberschuss excess air equilibrium Gleichgewicht p n n β - n p 3 H 3 He p Konzentration relativ zum Gleichgewicht U, Th α Zeit X + α ( 4 He) 0 3 He 4 He Ne Ar Kr Xe

8 Edelgas-Komponenten im Grundwasser tritiogenic radiogenic Luftüberschuss excess air equilibrium Gleichgewicht Konzentration relativ zum Gleichgewicht ??? 0 3 He 4 He Ne Ar Kr Xe

9 Edelgas-Komponenten im Grundwasser tritiogenic radiogenic Luftüberschuss excess air equilibrium Gleichgewicht Konzentration relativ zum Gleichgewicht Aufenthaltszeit??? Paläotemperatur 0 3 He 4 He Ne Ar Kr Xe

10 Modelle für Edelgaskonzentrationen im GW ( ) ( A, F ) C mod C eq T,S,P C ex i = i + i i = ( Ne, Ar, Kr, Xe) Gleichgewicht T: Temperatur S: Salzgehalt P: Luftdruck Luftüberschuss A: Menge Luft F: Fraktionierung ex Es existieren verschiedene Modellansätze für C ( A F ) i,

11 Maß für die Größe des Luftüberschusses Relativer Ne-Überschuss Ne Ne C C C ( ) Ne Ne % 100 = eq Ne eq Ne-Löslichkeit ist gering Ne ist relativ groß Ne-Löslichkeit hängt nicht stark von T ab Ne ist praktisch modell-unabhängig: Beobachtungsgröße

12 Geschichte des Luftüberschusses Erste Beobachtungen 1979: Herzberg & Mazor, Andrews & Lee, Heaton & Vogel Erste systematische Studie: Heaton & Vogel, 1981: Excess Air in Groundwater Lufteinschluss bei Infiltration in Kapillarsaum Transport mit Wasser nach unten Totale Auflösung unter erhöhtem hydrostatischem Druck Abhängig von Struktur der ungesättigten Zone Abhängig vom Niederschlagsregime Arid: sporadische Starkniederschläge viel Excess Air

13 Heaton et al. 1983: Stampriet Aquifer, Namibia Feuchtphasen

14 Stute et al. 1995: Brasilien

15 Stute & Talma 1998: Stampriet Aquifer, Namibia NGT ( C) Ne (%) C Alter (a)

16 Wilson & McNeill 1997

17 Wilson & McNeill 1997

18 Fayer & Hillel, 1986: Encapsulated Air

19 Faybishenko, 1995: Entrapped Air

20 Physikalische Faktoren P 0 P > P 0 P > P c V g V g V w V w V w Lufteinschluss Teilweise Auflösung Vollständige Auflösung Definierende Parameter: P, V g /V w

21 Entscheidender Faktor? V g /V w : typisch ~ 5 % Reicht für ~ 500 % Ne >> typische Ne-Werte Ausreichend Luft vorhanden: NICHT limitierend P: typisch ~ 2 m = 0.2 atm hydrostatischer Druck Reicht für ~ 40 % Ne ~ typische Ne-Werte Druck limitiert Auflösung: P bestimmt Ne!

22 Kapillardruck: P cap = 2σ r 10 1 Druck [atm] sand Blasenradius r [m]

23 Ne [%] Säulenexperimente: Ne P hyd F = 0 A = A= 0.01 vollständige Auflösung A = 0.1 unvollständige Auflösung Entnahmetiefe [m]

24 Der hydrostatische Druck P hyd ist der bestimmende physikalische Parameter für Ne P hyd wird durch Grundwasserspiegelschwankungen (GWSS) erzeugt Ne sollte Amplitude der GWSS widerspiegeln GWSS Neubildung Niederschlag Feuchte

25 Niger δ 18 O, δ 2 H, NGT, und Ne als Paläoklima-Proxys

26 Niger: Stabile Isotope CT3 CT2 CT1 GMWL flach jung δ 2 H [ ] tief alt warm trocken kühler? feuchter! δ 18 O [ ]

27 Niger: Luftüberschuss und δ 2 H feucht CT3 CT2 CT1 Ne [%] trocken r 2 = δ 2 H [ ]

28 Niger: Paläotemperaturen T ~ 5.5 C ~ 3.5 C: moderne T = T soil -T air ~ 2.0 C: Abkühlung der Luft

29 Schlussfolgerungen Hydrostatischer Druck (erzeugt durch GWSS) limitiert und kontrolliert die Grösse des Luftüberschusses ( Ne). In ariden Gebieten ist Ne ein Proxy für Feuchtigkeit (Variabilität/Intensität von Niederschlag / Neubildung). In Niger, indizieren stabile Isotope, NGT und Ne in konsistenter Weise Änderungen in der Feuchtigkeit.

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