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3
häufigsten sind. In der Hydrosphäre kommen
beim Wasserstoff auf ein schweres Deuterium-
Isotop 2 940 bis 5 550 leichte Wasserstoff-Atome,
beim
18
O sind es 500 bis 530. Das Isotopen-Ver-
hältnis aus schweren zu leichten Atomen beider
Elemente hängt vom Ursprung und der Ge-
schichte des Wassers ab. Es ist ein Schlüsselpara-
meter der Isotopenhydrologie. In ihr überneh-
men zusätzlich die radioaktiven Isotope des Was-
serstoffs Tritium (
3
H) und des Kohlenstoffs Ra-
diokohlenstoff (
14
C) eine dominierende Rolle
(Abschn. 3.9.2.2).
Die Kombination der häufigsten stabilen Was-
serstoff- und Sauerstoff-Isotope ergibt neun ver-
schieden schwere Wassermoleküle mit Molmas-
sen zwischen 18 g/mol und 22 g/mol, deren häu-
figste in Tab. 18 aufgelistet sind.
Das natürliche, kosmogene, radioaktive Isotop
3
H des Wasserstoffs hat eine Halbwertszeit
T
1/2
von 12,43 Jahren. Es spielt in der Isotopenhydro-
logie kaum eine Rolle, weil das bei Kernwaffen-
versuchen erzeugte „Bomben“-Tritium dessen
natürliche Markierung die der Hydrosphäre völ-
lig überdeckt hat (M
ÜNNICH
, 1963). Die vor-
nehmlich in den 1960er Jahren erfolgte anthro-
pogene Markierung (Abschn. 4.2.4) erreichte
damals das 1 000-fache der natürlichen und er-
möglichte den Hydrogeologen fortan, nähe-
rungsweise mittlere Verweil- und Durchgangszei-
ten sehr junger Grundwässer im Untergrund zu
ermitteln (Abschn. 3.9.2.2; M
OSER
& R
AUERT
,
1980). In naher Zukunft könnte das natürliche
kosmogene Tritium allerdings an Bedeutung ge-
winnen, weil der anthropogene
3
H-Anteil im
Niederschlag weitgehend verschwunden ist.
Radiokohlenstoff (
14
C)
ist für die Altersbe-
stimmung von Wasser, das zwischen wenigen
Jahrtausenden und mehreren zehntausend Jah-
ren alt ist, unentbehrlich. Die
14
C-Alter erlauben,
numerische Modelle zu kalibrieren, geohydrauli-
sche Regionalparameter zu ermitteln und paläo-
hydrologische Informationen zu gewinnen
(M
OOK
, 2000).
Tab. 18:
Isotopenhäufigkeit verschiedener Wasser-
moleküle.
Molekül
Molmasse
Häufigkeit
1
H
2
16
O
18
99,730 %
1
H
2
18
O
20
0,205 %
1
H
2
17
O
19
0,035 %
1
H
2
H
16
O
19
0,015 %
3.9.2.2 Isotopenhydrologie
Die
Isotopenhydrologie
nutzt die Erkenntnis,
dass natürliche und anthropogene Umweltisoto-
pe in unterschiedlichen Konzentrationen in der
Hydrosphäre vorkommen (D
ROST
et al., 1972;
M
OSER
& R
AUERT
, 1980; C
LARK
& F
RITZ
, 1997;
G
EYH
, 1988; G
EYH
, 2000). Es gibt stabile und in-
stabile, radioaktive Isotope. Für die Isotopenhy-
drologie am wichtigsten sind die stabilen Isotope
des Wasserstoffs (
1
H und
2
H = Deuterium) und
des Sauerstoffs (
16
O,
17
O und
18
O) sowie die kos-
mogenen und anthropogenen radioaktiven Iso-
tope Radiokohlenstoff (
14
C) und Tritium (
3
H)
(Abb. 56). Weitere radioaktive Isotope wie
36
Cl,
39
Ar,
85
Kr und
81
Kr, aber auch die stabilen Stick-
stoffisotope haben noch keine breite hydrogeolo-
gische Anwendung gefunden und sind auf wis-
senschaftliche Grundlagenuntersuchungen be-
schränkt geblieben. Nur die stabilen Schwefel-
Isotope
32
S und
34
S sind zur Ermittlung des
Ursprungs von Sulfaten unentbehrlich geworden.
Wässer, die aufgrund unterschiedlicher Antei-
le dieser Moleküle isotopisch verschieden schwer
sind, unterscheiden sich in ihren physikalischen
Eigenschaften (Dichte, Viskosität, Schmelz- und
Siedetemperatur, Dampfdruck u.a.). Für die Iso-
topenhydrologie entscheidend ist, dass zur Ver-
dunstung isotopisch schwerer Wassermoleküle
mehr Energie benötigt wird als für leichte. Da-
durch kommt es zu einer Abreicherung der isoto-
pisch schweren Moleküle in der Dampfphase ge-
genüber der Flüssigphase. Dieser Prozess wird
Isotopenfraktionierung genannt. Die meteori-
schen Wässer sind als dessen Folge isotopisch
leichter als Meerwasser. Im weiteren Sinne erklärt
die dampfdruckabhängige Isotopenfraktionie-
rung, dass Niederschläge auf ihrem Weg vom
Meer in Richtung Kontinent isotopisch leichter
werden, also an schweren Molekülen verarmen
(
Kontinental-Effekt
). Auch der Höhen-Effekt
kommt dadurch zustande. Niederschlagswasser
wird an den Flanken von Gebirgen mit steigender
Höhe isotopisch leichter (Abschn. 3.9.2.2).
