Klimaarchiv im Grundwasser WERNER AESCHBACH-HERTIG

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1 Author's copy, original version published in Physik in unserer Zeit, 22 Umwelt- und Paläoklimaforschung Klimaarchiv im Grundwasser WERNER AESCHBACH-HERTIG Grundwässer sind nicht nur wichtige Ressourcen, sondern auch Archive vergangener Umweltbedingungen. Die in ihnen gelösten Edelgase geben Auskunft darüber, wann das Wasser im Boden versickerte und welches Klima damals herrschte. INTERNET Allgemeines zu Umwelttracermethoden index.html Programm zur inversen Modellierung von Edelgaskonzentrationen UI/noblegasmethod.html Programm zur Modellierung von Tracer- Wasseraltern Grundwasser stellt weltweit die weitaus wichtigste Trinkwasserreserve dar. In feuchten Klimazonen ist zwar meist genügend Oberflächenwasser vorhanden, aber dieses ist allerlei Verschmutzungsrisiken ausgesetzt. In trockenen Gebieten ist Grundwasser oft die einzige permanent verfügbare Wasserressource. Eine wichtige Information für die nachhaltige Bewirtschaftung von Grundwasserressourcen ist die Aufenthaltszeit des Wassers im Untergrund, das Wasseralter. Bei Wasseraltern von wenigen Tagen lassen sich mikrobielle Verunreinigungen nicht ausschließen, bei Altern bis zu einigen Jahrzehnten sind zivilisationsbedingte Kontaminationen möglich. Ergeben moderne Messmethoden dagegen ein Wasseralter von mehreren Jahrtausenden, dann ist fraglich, ob die betreffende Ressource noch als erneuerbar gelten kann. Für die Paläoklimaforschung stellen alte Grundwässer ein wertvolles Archiv dar. Das Grundwasser speichert Informationen über die Umweltbedingungen, speziell die Temperatur, die bei seiner Infiltration herrschten, also zu dem Zeitpunkt, als es im Boden versickerte. Eine besonders wichtige Größe, die sich aus geeigneten Grundwässern bestimmen lässt, ist die mittlere Temperatur während der kältesten Phase (dem Maximum ) der letzten Eiszeit vor etwa 2. Jahren. Derartige Informationen über vergangene Klimazustände helfen, die Zuverlässigkeit von Klimamodellen, mit denen Voraussagen über zukünftige Änderungen gemacht werden sollen, zu verbessern. Informationen über das Wasseralter sowie die Klimabedin- gungen zur Zeit der Infiltration liefern verschiedene Spurenstoffe (engl. Tracer ) im Wasser. Das hier vorgestellte Gebiet der Umweltphysik, die Tracerhydrologie, widmet sich deren Erforschung und Anwendung. Zur Wasseraltersbestimmung eignet sich eine ganze Palette von Methoden, darunter auch die berühmte 14 C-Methode. Alle haben ihre Stärken und Schwächen, und keine deckt den gesamten Altersbereich ab. Der Klassiker unter den Klimaindikatoren ist die Isotopenzusammensetzung des Wassers selbst, also die 18 O/ 16 O- und 2 H/ 1 H-Verhältnisse [1]. Hier stelle ich jedoch Methoden vor, die auf im Wasser gelösten Edelgasen beruhen. Edelgase können sowohl zur Datierung als auch zur Klimarekonstruktion eingesetzt werden. Sie sind chemisch und biologisch inert und daher zumindest für Physiker besonders einfach zu interpretieren. Wie funktioniert das Archiv Grundwasser? Grundwasser führende geologische Schichten, so genannte Grundwasserleiter oder Aquifere, können sich über große Distanzen erstrecken. Im Infiltrationsgebiet, wo die entsprechende Sedimentschicht die Oberfläche erreicht, bildet sich neues Grundwasser durch Versickerung (Abbildung 1). Danach strömt es sehr langsam durch den Untergrund. Stromabwärts vom Infiltrationsgebiet sind Grundwasserleiter oft durch wasserundurchlässige Schichten (Grundwasserstauer) abgedichtet. Je weiter entfernt vom Infiltrationsgebiet ein Brunnen liegt, desto älteres Wasser fördert er. Im Idealfall entnimmt man dem Grundwasserleiter eine Reihe von Proben aus Brunnen entlang einer Fließlinie. So erhält man eine Abfolge von zunehmend älterem Wasser. Die Veränderungen der Spurenstoffgehalte in dieser Probenserie spiegeln einerseits die Alterung des Wassers und andererseits die Klimageschichte im Infiltrationsgebiet wider. Die Konzentrationen der Edelgase im Grundwasser setzen sich aus mehreren Beiträgen zusammen. Abbildung 1 zeigt diese Beiträge und die zugrunde liegenden physikali- 16 Physik in unserer Zeit 33. Jahrgang 22 Nr. 4

2 KLIMAARCHIV GRUNDWASSER BODENPHYSIK schen Prozesse. Ein genaues Verständnis der Prozesse während des Einsickerns und Strömens des Wassers im Boden ist notwendig, um Wasseralter und Infiltrationstemperaturen bestimmen zu können. Im Infiltrationsgebiet versickert Regenwasser durch die ungesättigte Bodenzone, wobei es noch im Austausch mit der Luft im Boden steht. Für die gelösten Gase stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Wasser und der Bodenluft ein (Äquilibrierung). Weil die Wasserlöslichkeit von Gasen von der Temperatur abhängt, enthalten die Gleichgewichtskonzentrationen eine Information über die Bodentemperatur während der Infiltration. Diese Bodentemperatur liegt meist nahe beim Jahresmittel der Lufttemperatur an der Oberfläche. Auch die Isotopenzusammensetzung des infiltrierenden Wassers spiegelt meist die Lufttemperatur wider. Sobald das versickernde Wasser den Grundwasserspiegel erreicht, also in die vollständig mit Wasser gesättigte Zone eindringt, wird es von weiterem Gasaustausch mit der Atmosphäre isoliert. Die Edelgaskonzentrationen und damit die bei der Infiltration eingeprägte Temperaturinformation bleiben von nun an während des Grundwassertransportes erhalten. Eine Ausnahme bilden die Heliumisotope 3 He und 4 He. Sie werden, wie in Abbildung 1 angedeutet, im Untergrund produziert und reichern sich so mit der Zeit im Wasser an. Deshalb können sie als eine Art Uhr dienen. Es gibt jedoch noch einen weiteren, wenig bekannten Prozess während der Grundwasserinfiltration, der die Interpretation der Edelgaskonzentrationen erheblich erschwert. Der Übergang von der ungesättigten Zone mit frei beweglicher Bodenluft zur gesättigten Zone ohne Luft im Porenraum ist nicht scharf. Während der Infiltration steigt der Grundwasserspiegel an, dabei werden kleine Luftblasen vom Wasser eingeschlossen. Es bildet sich die so genannte quasi-gesättigte Zone mit Lufteinschlüssen aus, die sich vielleicht einige Meter unter dem Grundwasserspiegel erstrecken kann. Die Auflösung der eingeschlossenen Luftblasen führt zu einer Erhöhung der Konzentrationen gelöster atmosphärischer Gase über das Lösungsgleichgewicht hinaus. Dieser so genannte Luftüberschuss muss bei der Bestimmung der Infiltrationstemperatur berücksichtigt werden. Die unmittelbar bei der Infiltration eingeprägten Edelgaskonzentrationen spiegeln also nicht nur die Temperaturverhältnisse wider, sondern auch die Umgebungsbedingungen, die den Einschluss und die Auflösung von Luftblasen beeinflussen. Im Folgenden möchte ich die Erforschung des Edelgasarchivs im Grundwasser näher erläutern und an einem Beispiel illustrieren. Wir haben in den letzten Jahren die Aquifere eines großen sedimentären Beckens in Niger erforscht. Dieses Fallbeispiel aus der Sahelzone in Westafrika deckt zwei Stoßrichtungen der Grundwassererforschung ab. Die erste Stoßrichtung gilt der Trinkwassersicherung für die Bevölkerung (Abbildung 2): Ihr Ziel ist die Bestimmung der Grundwasserneubildung im obersten Aquifer, der das jüngste Wasser führt. Die zweite Richtung beschäftigt < Abb. 2 Grundwasserbrunnen in Niger. Links: Traditioneller, gegrabener Brunnen, aus dem das Wasser mit Eimern geschöpft wird. Rechts: Moderne Bohrung, in der man das Wasser per Pedal hochpumpt. Beide Brunnen erschließen den obersten Aquifer. Für Messungen der gelösten Gase eignen sich nur geschlossene Bohrungen. ABB. 1 EDELGASE IM GRUNDWASSER Infiltrationsgebiet Gasaustausch ungesättigte Zone Blaseneinschluss quasi-gesättigte Zone 3H 3He gesättigte Zone U/Th 4He He-Fluss Brunnen Grundwasserstauer Grundwasserleiter Grundwasserstauer Konzentration relativ zum Gleichgewicht /% tritiogenes 3 He radiogenes He Luftüberschuss Lösungsgleichgewicht 3He 4He Ne Ar Kr Xe Links: Modell eines Aquifers, das die für Edelgaskonzentration relevanten Prozesse zeigt. Rechts: Die aus diesen Prozessen resultierenden Edelgaskomponenten einer typischen jungen Grundwasserprobe. Nr Jahrgang 22 Physik in unserer Zeit 161

3 Löslichkeiten der verschiedenen Edelgase in Abhängigkeit von der Temperatur. Sowohl die Löslichkeit als auch die Temperatursensitivität steigt mit der Atommasse des Gases an. ABB. 3 EDELGASLÖSLICHKEITEN Löslichkeit /cm 3 STP cm -3 atm -1,2,15,1,5 3 H- 3 HE- UND 4 HE-WASSERALTER Unter Wasseralter versteht die Tracerhydrologie die Zeitspanne seit der Isolierung des betrachteten Wasserpakets von der Atmosphäre. Oberflächenwasser, dessen gelöste Gase mit der Atmosphäre im Lösungsgleichgewicht stehen, hat das Alter null. Nach der Isolation vom Gasaustausch, zum Beispiel im Tiefenwasser von Seen oder im Grundwasser, akkumulieren im Wasser die He-Isotope. Sie entstehen in den Zerfällen des 3 H zu tritiogenem 3 He tri sowie der α-emittierenden Nuklide der U- und Th-Zerfallsketten zu radiogenem 4 He rad. Im abgeschlossenen Wasserpaket steigt das 3 He tri / 3 H-Verhältnis stetig mit der Zeit an (Abbildung) und definiert damit eindeutig das 3 H- 3 He-Wasseralter τ 3He. Aus dem Gesetz des radioaktiven Zerfalls folgt: normierte Konzentration 1,2,8,4 Isolation von der Atmosphäre Xe Kr Ar Ne He τ 3He Temperatur / C 1 C 3 = ln 1 + λ C 3 wobei λ die Zerfallskonstante von 3 H ist (Halbwertszeit: 45 Tage oder 12,32 Jahre). Die extrem geringen Tritiumkonzentrationen C 3H werden üblicherweise in TU (Tritium Units) angegeben. Aufgrund der langen Halbwertszeit der Vorläufernuklide kann die Akkumulationsrate J He von radiogenem 4 He als konstant angenommen werden. Das 4 He-Wasseralter τ 4He ist somit einfach: 4He, rad τ 4 He = C J He Zeit /a 3 He tri 3 H He, tri Die Schwierigkeit der Methode besteht in der Bestimmung von J He. 3 He tri / 3 H Hetri / 3 H- Verhältnis H Zeitliche Entwicklung der Konzentrationen von 3 H, 3 He tri und 3 He tri / 3 H in einem isolierten Wasserpaket. sich mit dem alten Wasser der tieferen Aquifere, das Informationen aus der Klimageschichte der Region enthält. Bestimmung des Wasseralters aus Heliumisotopen Eine der zuverlässigsten Methoden zur Datierung von relativ jungem Grundwasser mit Altern bis zu 5 Jahren beruht auf dem seltenen Heliumisotop 3 He. Es entsteht im Wasser durch den radioaktiven Zerfall des im Wassermolekül gebundenen Wasserstoffisotopes Tritium ( 3 H). Tritium entsteht in der Natur durch die kosmische Strahlung in sehr geringen Mengen in der Atmosphäre (vor allem durch die Kernreaktion 14 7 N + n 12 6 C + 3 lh). In weitaus größeren Mengen wurde es in den 195er und den frühen 196er- Jahren bei oberirdischen Tests thermonuklearer Waffen freigesetzt. Der resultierende Tritiumpeak im Niederschlag diente in den folgenden Jahrzehnten als nützlicher Marker in der Hydrologie. Heute ist jedoch der Tritiumeintrag wieder beinahe auf das natürliche Niveau zurückgegangen und zeigt nur noch wenig zeitliche Variation. Deshalb lässt sich aus der Messung von Tritium im Grundwasser nicht mehr viel Information über die Aufenthaltszeit des Wassers gewinnen, wohl aber aus der kombinierten Messung von 3 H und 3 He. In einem nach der Infiltration von der Atmosphäre isolierten Wasserpaket reichert sich 3 He mit einer Rate an,die durch seinen 3 H-Gehalt bestimmt wird. Aus dem Verhältnis der 3 H- und 3 He-Konzentrationen kann so ein Wasseralter berechnet werden (s. 3 H- 3 He- und 4 He-Wasseralter, links). Im Beispiel aus Niger ist allein schon das Vorhandensein von Tritium in einem Teil der Brunnen des obersten Aquifers eine wichtige Information. Es beweist eine Grundwasserneubildung innerhalb der letzten 5 Jahre. Die unregelmäßige Verteilung von Tritium zeigt, dass die Neubildung ein räumlich und zeitlich inhomogener Prozess ist. Da die Infiltration gering und die ungesättigte Bodenzone sehr mächtig ist (typisch 3 m),gelangt das Tritium aus dem Niederschlag nur mit großer Verzögerung und Dämpfung ins Grundwasser. Aus den im Grundwasser gemessenen 3 H- und 3 He-Konzentrationen lässt sich die Geschichte des 3 H- Eintrags am Grundwasserspiegel rekonstruieren. Diese Daten können durch ein Modell des Wasser- und Wasserdampftransportes durch die ungesättigte Zone nach Anpassung einiger Parameter (Infiltration, Tiefe zum Grundwasser, Porosität) gut erklärt werden [2]. Letztlich kann damit die Grundwasserneubildungsrate abgeschätzt werden und damit die nachhaltig verfügbare Wassermenge. Zur Datierung älterer Grundwässer wird zumeist die 14 C-Methode verwendet. Sie basiert auf dem Abklingen der 14 C-Aktivität des aus der Bodenluft im Grundwasser gelösten CO 2. Das Problem ist jedoch, dass im Untergrund oft zusätzlich Kohlenstoff aus Karbonatmineralen gelöst wird. Dadurch kann das 14 C-Alter verfälscht werden. Auch unter günstigen Bedingungen liefert die Methode für Grundwässer, die älter als 3. Jahre sind, keine genauen Er- 162 Physik in unserer Zeit 33. Jahrgang 22 Nr. 4

4 KLIMAARCHIV GRUNDWASSER BODENPHYSIK gebnisse mehr. Eine Möglichkeit zur praktisch unbegrenzten Ausdehnung des datierbaren Altersbereiches bietet das Hauptisotop des Heliums, 4 He. 4 He entsteht im Untergrund durch die α-zerfälle in den Zerfallsreihen von U und Th, die im Boden enthalten sind. Das sehr mobile Helium diffundiert leicht aus den Mineralen ins umgebende Grundwasser,wo es sich mit der Zeit anreichert. Bei konstanter Akkumulationsrate ist somit die 4 He-Konzentration im Wasser direkt proportional zu dessen Aufenthaltszeit im Boden. Für eine quantitative Bestimmung des 4 He-Alters muss man nur die Akkumulationsrate kennen aber genau darin liegt das Problem der Methode. Zwar lassen sich die U- und Th-Konzentrationen im Aquifermaterial messen und daraus die lokale 4 He-Produktionsrate berechnen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass oftmals zusätzliche 4 He-Quellen vorhanden sind (He-Fluss in Abbildung 1). Die Herkunft dieses nicht lokal gebildeten 4 He ist noch immer umstritten und möglicherweise von Fall zu Fall verschieden. Auch wenn die Akkumulationsrate nicht bekannt ist, kann 4 He dennoch als qualitativer Altersindikator dienen: je mehr 4 He,desto älter. In manchen Fällen kann die relative 4 He-Chronologie durch unabhängige Datierung einiger Proben kalibriert werden. In Niger konnten wir die 4 He-Akkumulation anhand der 3 H- 3 He- und 14 C-Alter bestimmen. Basierend auf der so kalibrierten 4 He-Altersskala konnten die Proben verschiedenen Klimaperioden zugeordnet werden, auch jene, die für die 14 C-Methode zu alt sind. Die sich daraus ergebenden paläoklimatischen Schlüsse werden in den folgenden Abschnitten diskutiert. Bestimmung der Infiltrationstemperatur aus Edelgaskonzentrationen Die Möglichkeit, präzise absolute Temperaturen aufgrund physikalischer Prinzipien zu bestimmen, hebt die Edelgasmethode von anderen Paläothermometern ab. So beruht etwa die oft verwendete 18 O-Methode hauptsächlich auf empirischen Korrelationen. Bei ihr ist es kaum möglich, alle Faktoren zu quantifizieren, die zum gegebenen Messwert geführt haben. Der Nachteil des Edelgasthermometers liegt derzeit in der Beschränkung auf das nicht in jeder Hinsicht ideale Klimaarchiv Grundwasser. Im Gegensatz zu Sedimenten oder Eisbohrkernen ist im Grundwasser keine hohe zeitliche Auflösung möglich, da alle Signale durch dispersive Mischung verschmiert werden. Es hat sich aber gezeigt, dass die Spuren des Temperaturunterschieds zwischen dem Maximum der letzten Eiszeit und der heutigen Warmzeit im Grundwasserarchiv gut erhalten bleiben. In der präzisen Quantifizierung dieses Temperatursprunges liegt daher die wichtigste Anwendung der Edelgaspaläotemperaturen. Das Edelgas-Thermometer nutzt die schwereren Edelgase Ne, Ar, Kr, und Xe im Grundwasser ( Grundlagen des Edelgasthermometers, s. Kasten rechts). Im Gegensatz zum Helium stammen sie fast ausschließlich aus der Atmosphäre. Ihre Konzentrationen in einer Grundwasserprobe spie- ABB. 4 EDELGASTEMPERATUREN Edelgastemperatur / C GRUNDLAGEN DES EDELGASTHERMOMETERS Die Konzentration des gelösten (Edel-)Gases im Gleichgewicht mit der Atmosphäre ergibt sich aus dem Henryschen Gesetz als: C i,eq = p i,atm /H i (T,S) IN NIGER Der oberste Aquifer (CT3) in Niger enthält junges Maximum der letzten Eiszeit Grundwasser-Alter/ka wobei p i,atm der Partialdruck des Gases i in der Atmosphäre ist und H i (T,S) die von Temperatur T und Salzgehalt S abhängige Henry-Konstante. p i,atm lässt sich berechnen aus den bekannten Edelgasanteilen in der Atmosphäre und dem totalen Atmosphärendruck P, der sich aus der Höhe über Meer ergibt. S kann bei Regenwasser in guter Näherung als null angenommen werden. Misst man also C i,eq, so lässt sich T aus obiger Gleichung unter Benutzung der empirisch ermittelten Funktionen H i (T,S) bestimmen. Abbildung 3 zeigt die Edelgaslöslichkeiten in einer Form, die im Wesentlichen dem Inversen der Henry-Konstanten entspricht. CT3 (oben) CT2 (mitte) CT1 (unten) Trockenzeiten Leider übersteigen Edelgaskonzentrationen im Grundwasser praktisch immer die Gleichgewichtskonzentrationen (Abbildung 1 rechts). He hat verschiedene Quellen im Untergrund und wird deshalb gewöhnlich von der Temperaturberechnung ausgeschlossen. Aber auch die atmosphärischen Edelgase Ne, Ar, Kr und Xe sind vom Luftüberschuss betroffen, der durch Auflösung von Luftblasen im frisch infiltrierten Wasser entsteht. Glücklicherweise lässt sich diese Überschusskomponente mit wenigen Parametern beschreiben und so doch eine Edelgastemperatur berechnen. Am elegantesten geschieht dies durch inverse Modellierung. Ein allgemeines Modell für die Konzentrationen C i der gelösten atmosphärischen Gase im Grundwasser kann wie folgt geschrieben werden: C i = C i,eq (T,S,P) + C i,ex (A,F) Wasser, dessen Edelgastemperatur die heutige Bodentemperatur widerspiegelt. Die tieferen Schichten (CT2 und CT1) enthalten älteres Wasser aus früheren Feuchtphasen, und zeigen tiefere Bodentemperaturen an. C i,eq (T,S,P) stellt die Gleichgewichtskomponente als Funktion von Temperatur, Salzgehalt und Atmosphärendruck dar. C i,ex (A,F) ist die Luftüberschusskomponente, die durch die Parameter A (Konzentration der eingeschlossenen oder gelösten Luft) und F (Fraktionierung der Zusammensetzung relativ zu reiner Luft) parametrisiert wird. Die verschiedenen Modellvorstellungen über die Bildung des Luftüberschusses, die in diesem Term ihren formalen Ausdruck finden, sind in Abbildung 5 illustriert. Wenn maximal drei Parameter unbekannt sind (etwa T, A, F) und die Konzentrationen der vier atmosphärischen Edelgase gemessen wurden (Ne, Ar, Kr, Xe), ist das Gleichungssystem überbestimmt. Ein Abgleich der vom Modell vorausgesagten Konzentrationen mit den Messwerten liefert die besten Schätzwerte für die Modellparameter, darunter auch die Edelgastemperatur T. Nr Jahrgang 22 Physik in unserer Zeit 163

5 ABB. 5 LUFTÜBERSCHUSSMODELLE Äquilibriertes Wasser & Luft a) Vollständige Auflösung Pegelanstieg, Lufteinschluss b) Teilweise Re- Äquilibrierung c) Teilweise Auflösung Konzeptschema der drei Modelle zur Bildung des Luftüberschusses: Die roten Pfeile geben die möglichen Abfolgen von Zuständen in der quasi-gesättigten Zone während einer Wasserspiegelschwankung an. Die untere Reihe zeigt die drei im Text diskutierten Endzustände. Sie entsprechen verschiedenen Zusammensetzungen des Luftüberschusses. geln daher immer noch die Verhältnisse bei der Infiltration des Wassers wider. Das Gleichgewicht ihrer Lösung im Wasser wurde damals bestimmt durch den Luftdruck, die Temperatur und den Salzgehalt des Wassers. Oft ist davon nur die Temperatur unbekannt. Sie kann daher aus den Edelgaskonzentrationen mithilfe der empirisch bestimmten Temperaturabhängigkeiten der Gaslöslichkeiten (Abbildung 3) berechnet werden. Die Aufgabe wird allerdings erschwert durch den für Grundwasser charakteristischen Luftüberschuss, der sich durch Auflösung eingeschlossener Luftblasen unmittelbar nach der Infiltration bildete. Erst die Messung mehrerer Edelgase erlaubt die gleichzeitige Bestimmung der Edelgastemperatur und des Luftüberschusses. Entscheidend ist dabei eine korrekte Modellvorstellung über die Bildung des Luftüberschusses, wie ich im nächsten Abschnitt zeige. Diese Modelle und die damit verbundenen Berechnungsmethoden für die Edelgastemperatur wurden in den letzten Jahren verfeinert [3, 4, 5]. Sie bestätigen, dass die Edelgaskonzentrationen ein zuverlässiges absolutes Thermometer darstellen. Bei einer typischen Genauigkeit der Konzentrationsmessung von ± 1 % lässt sich die Infiltrationstemperatur mit dem Edelgas-Paläothermometer auf rund,5 C genau bestimmen, ohne Luftüberschuss (etwa in Oberflächengewässern) sogar auf,2 C. Die Edelgastemperaturen ermöglichen zusammen mit den Wasseraltern aus den He-Isotopen oder aus 14 C-Datierungen eine Rekonstruktion der regionalen Temperaturgeschichte. Größte Bedeutung für die Paläoklimaforschung haben Edelgasresultate aus kontinentalen tropischen Gebieten, wo sonst wenig Information vorliegt und das Ausmaß der eiszeitlichen Abkühlung besonders umstritten ist. So gilt das Resultat einer Abkühlung von gut 5 C in Brasilien [6], das mittlerweile durch weitere (sub)tropische Edelgasstudien erhärtet worden ist, als eines der wesentlichen Indizien für eine starke Klimaänderung auch in den Tropen. Unsere Resultate aus Niger unterstützen auf den ersten Blick ebenfalls die These kühler eiszeitlicher Tropen [7]: Die Edelgastemperaturen aller älteren Grundwässer in den unteren Aquiferen sind rund 5 C tiefer als diejenigen der jungen Proben aus dem obersten Aquifer (Abbildung 4). Bei genauerer Betrachtung macht jedoch stutzig, dass auch Proben mit Altern von 6. bis 1. Jahren (mittlerer Aquifer CT2 in Abbildung 4), die in die bis heute andauernde Warmzeit fallen, deutlich tiefere Temperaturen ergeben als die modernen Proben. Außerdem sind die Edelgastemperaturen der modernen Proben mit rund 32 C deutlich höher als die mittlere Lufttemperatur von etwa 29 C. Diese Beobachtungen erklären wir wie folgt: In trockenen Gebieten erwärmt sich der Boden gegenüber der Luft stärker als in feuchten Gebieten. Das Edelgasthermometer misst direkt die Bodentemperatur in der Tiefe des Grundwasserspiegels zum Zeitpunkt der Infiltration. Die älteren Proben stammen aus feuchteren Zeiten mit tieferen Bodentemperaturen. Deshalb kann nur ein Teil der Temperaturdifferenz zu den jüngeren Proben als Abkühlung der lokalen Lufttemperatur außerhalb des Bodens gedeutet werden. Diese Interpretation deckt sich schlüssig mit Daten über Feuchteperioden in Nordafrika, die aus anderen Studien stammen. Wie ich nun zeigen werde, deutet auch der Luftüberschuss darauf hin, dass das alte Grundwasser unter feuchteren Bedingungen gebildet wurde. Der Luftüberschuss im Grundwasser Bei der Paläoklimaforschung mit Edelgasen in tropischen Aquiferen kommt dem Problem des Luftüberschusses im Grundwasser besondere Bedeutung zu. In Brasilien wurden besonders große Überschüsse gefunden, speziell im alten, eiszeitlichen Grundwasser [6]. Zudem wurde dabei erstmals klar festgestellt, dass die Zusammensetzung des Überschusses nicht wie bis dahin angenommen mit derjenigen von Luft identisch, sondern durch schwere Edelgase angereichert ist. Dieses Resultat führte zur Entwicklung der drei Modelle für die Bildung der Luftüberschüsse, die Abbildung 5 skizziert. Alle drei Modelle gehen davon aus, dass ursprünglich mit der Atmosphäre äquilibriertes Wasser 164 Physik in unserer Zeit 33. Jahrgang 22 Nr. 4

6 KLIMAARCHIV GRUNDWASSER BODENPHYSIK vorliegt, in dem bei einem Anstieg des Grundwasserspiegels während der Infiltration Blasen reiner Luft eingeschlossen werden. Danach sind verschiedene Szenarien denkbar: a) Die herkömmliche Erklärung der Luftüberschüsse besagt, dass bei der Infiltration eingeschlossene Luftblasen unter zunehmendem Druck vollständig aufgelöst werden (Abbildung 5 a,[8]). Dadurch wird reine Luft in die gelöste Phase injiziert. Dieses Modell der vollständigen Auflösung der eingeschlossenen Luftblasen liefert also eine Zusammensetzung des Überschusses der gelösten Gase, der identisch mit derjenigen der Luft ist. Das fließt so in die Alters- und Temperaturberechnungen ein. b) Um die abweichenden Resultate aus Brasilien zu erklären, wurde das erweiterte Modell der partiellen Re- Äquilibrierung eingeführt (Abbildung 5 b, [6]): Es postuliert, dass der ursprüngliche Überschuss teilweise wieder durch Diffusion und Gasaustausch über den Grundwasserspiegel verloren geht. Da die leichten Edelgase schneller ausgasen, entsteht im zurückbleibenden Überschuss die beobachtete Anreicherung der schweren Edelgase (Fraktionierung). Dieses Modell liefert zum Beispiel eine weitaus bessere Erklärung der Daten aus Brasilien als Modell a). Doch es kann sie immer noch nicht im Rahmen der Messfehler erklären. c) Daher wurde das Modell der teilweisen Auflösung entwickelt. Es nimmt an, dass ein Teil der eingeschlossenen Gasblasen in der quasi-gesättigten Zone langfristig erhalten bleibt. Zwischen dem unter erhöhtem Druck stehenden, endlichen Gasreservoir der Restblasen und dem umgebenden Wasser bildet sich schließlich ein neues Gleichgewicht (Abbildung 5 c, [5]). Auch dieses Modell erklärt die beobachtete Anreicherung schwerer Edelgase im Überschuss gegenüber Luft, aber diesmal aufgrund der Löslichkeit, die mit der Atommasse zunimmt. Es liefert eine bessere Übereinstimmung mit den Daten aus Brasilien und den meisten anderen Aquiferen. Lufteinschluss bei der Infiltration oder bei ansteigendem Grundwasserspiegel ist ein verbreitetes Phänomen. In der Bodenphysik wird es gewöhnlich deshalb untersucht, weil der Lufteinschluss die Infiltration erheblich behindern kann. Unabhängig davon, ob das Wasser von oben zufließt oder von unten aufstößt, vermag es die Luft in den Poren meist nicht vollständig zu verdrängen. Die Mengen an eingeschlossener Luft können recht beträchtlich sein etliche Prozent des Porenraumes sind keine Seltenheit. Um diese Luft vollständig aufzulösen, wäre ein großer Überdruck notwendig. Dafür kommt abgesehen von Oberflächenspannungseffekten bei sehr feinporigem Material nur der hydrostatische Druck der überstehenden Wassersäule in Frage. Da der Grundwasserspiegel gewöhnlich höchstens um wenige Meter ansteigt,dürfte der Druck in der Regel zur völligen Auflösung der Blasen nicht ausreichen. Deshalb kommt das Modell c) den realen Verhältnissen in den meisten Böden wohl am nächsten und stimmt am besten mit den Messdaten überein. Der Luftüberschuss als Klimaindikator Die systematische Erforschung der für den Luftüberschuss entscheidenden Umweltbedingungen steckt noch in den Kinderschuhen. Das Luft-Wasser-Verhältnis in der quasi-gesättigten Zone hat vermutlich mit der Porosität und der Korngrößenverteilung des Bodens und der Charakteristik der Wasserspiegelschwankungen zu tun. Der Druck auf die eingeschlossenen Luftblasen dürfte hauptsächlich dem überstehenden Wasser zuzuschreiben sein. Vom Druck hängt in sehr direkter Weise ab, wie viel Luftüberschuss erzeugt wird. Die Größe des Luftüberschusses wird gewöhnlich durch den relativen Neon-Überschuss Ne ausgedrückt. Ne ist also eng mit dem Druck verknüpft, und könnte daher ein gutes Maß für die Amplitude der typischen Wasserspiegelschwankungen darstellen. Diese wiederum sollte mit der Intensität und zeitlichen Verteilung der Grundwasserneubildung zusammenhängen. Letzlich könnte Ne ein Indikator für die wichtige Klimavariable Niederschlag sein. In Niger gelang es uns jetzt, ein Indiz dafür zu finden, dass der Luftüberschuss mit der Intensität der Niederschläge zunimmt [7]. In tropischen Breiten hängt die Isotopenzusammensetzung des Regenwassers, ausgedrückt durch die relativen Abweichungen δ 2 H und δ 18 O vom Standard- Meerwasser, nicht wie üblich von der Temperatur, sondern in erster Linie von der Niederschlagsmenge ab. Dieser empirisch gefundene Mengeneffekt drückt sich zum Beispiel in einer Abreicherung der Isotope 2 H und 18 O in tropischen ABB. 6 LUFTÜBERSCHUSS UND H-ISOTOPE Ne / % CT3 (oben) CT2 (mitte) CT1 (unten) δ 2 H / Der Luftüberschuss wird durch Ne, den Ne-Überschuss relativ zum Lösungsgleichgewicht, ausgedrückt. Im Grundwasser aus Niger korreliert er stark mit der Isotopenzusammensetzung des Wassers. Sie wird durch δ 2 H, die relative Abweichung des 2 H/ 1 H-Verhältnisses vom Meerwasser-Standard, repräsentiert. Nr Jahrgang 22 Physik in unserer Zeit 165

7 Starkniederschlägen aus. In Niger zeigt sich nun eine starke Korrelation zwischen diesen Isotopenverhältnissen und Ne (Abbildung 6). Die plausibelste Ursache dieses an sich unerwarteten Zusammenhanges ist, dass die isotopisch abgereicherten Starkniederschläge in der Sahelzone zu verstärkter Infiltration und letztlich zu höheren Luftüberschüssen führen. Die Grundwässer in den tieferen Aquiferen wurden offenbar in vergangenen Feuchtphasen gebildet, sowohl während der Eiszeit als auch in der ersten Hälfte der heutigen Warmzeit. Besonders in relativ trockenen Klimazonen scheint der Luftüberschuss also tatsächlich Variationen im Niederschlag aufzuzeigen. Das Verständnis des Phänomens der Überschüsse gelöster Luft im Grundwasser ist in den letzten Jahren wesentlich besser geworden, obwohl noch immer ein großer Bedarf nach detaillierten Untersuchungen besteht. Das Modell der teilweisen Auflösung eingeschlossener Luftblasen mit nachfolgender Äquilibrierung liefert nicht nur eine solide Grundlage zur Bestimmung der Edelgastemperaturen und der aus den gelösten He-Isotopen errechneten Wasseralter. Es legt auch nahe, dass der Luftüberschuss ein nützlicher Klimaindikator sein könnte. Zusammenfassung Grundwässer sind Archive vergangener Umweltbedingungen. Nach der Infiltration (dem Versickern) kann das Wasser relativ isoliert Zehntausende von Jahren im Boden verbringen. Gelöste Edelgase tragen die wertvollste Information dieses Klimaarchivs. Die Heliumisotope liefern Daten über das Alter von Wasserproben. Die schwereren Edelgase informieren über die Temperatur, die herrschte, als das Wasser in den Erdboden eindrang. Sie zeigen auch, wie stark damals der Grundwasserspiegel schwankte. Dabei schloss das Wasser Luftblasen ein. Sie lösten sich teilweise auf und verschoben so die Konzentrationsprofile der Edelgase. Die richtige Bestimmung dieses Luftüberschusses entscheidet über die Genauigkeit der rückgerechneten Alters- und Temperaturdaten. Stichworte Bodenphysik, Umweltphysik, Paläoklimaforschung, Klimaarchiv Grundwasser, Edelgasisotope im Grundwasser, Wasseralter (Bestimmung), Edelgasthermometer, Infiltrationstemperatur (Bestimmung), Luftüberschuss im Grundwasser. Danksagung Ich danke meinen Kollegen Urs Beyerle, Jörg Ruedi, Markus Hofer und Rolf Kipfer für das Überlassen von Bildmaterial. Literatur [1] B. Stauffer, Physik in unserer Zeit, 21, 32, 16. [2] M. S. Brennwald et al., Geophys. Res. Abstr., 21, 3, [3] C. J. Ballentine, C. M. Hall, Geochim. Cosmochim. Acta 1999, 63, [4] W. Aeschbach-Hertig et al., Water Resour. Res. 1999, 35, [5] W. Aeschbach-Hertig et al., Nature 2, 45, 14. [6] M. Stute et al., Science 1995, 269, 379. [7] U. Beyerle et al., Geophys. Res. Abstr., 22, 4, 327 (EGS2-A-4334). [8] T. H. E. Heaton, J. C. Vogel, J. Hydrol. 1981, 5, 21. Der Autor Werner Aeschbach-Hertig, geboren 1964 in Zürich, Physikstudium an der ETH Zürich Promotion in Umweltphysik an der EAWAG (Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz) und der ETH Zürich bis 1996 an der Columbia University, New York. Seit 1996 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der EAWAG und der ETH Zürich. Anschrift: Dr. Werner Aeschbach-Hertig, EAWAG, Postfach 611, CH-86 Dübendorf, 166 Physik in unserer Zeit 33. Jahrgang 22 Nr. 4