Techniklexikon

Isotopenfraktionierung

Umwelt- und Geophysik, Trennung von Isotopengemischen durch natürliche oder menschliche Einflüsse. Die Stärke der Fraktionierung hängt meistens davon ab, wie sehr sich die Massen der beteiligten Isotope relativ zueinander unterscheiden. Sie ist somit proportional zu , wobei Dm die Massendifferenz zwischen den beteiligten Isotopen und m üblicherweise die Masse des häufiger vorkommenden Isotops bezeichnen. Während künstlich beeinflusste Isotopenfraktionierung vor allem in der zivilen und militärischen Nutzung der Kernenergie Verwendung findet, ist die natürliche Isotopenfraktionierung ein wichtiges Hilfsmittel der Umweltphysik zur Aufklärung von gross- und kleinräumigen Transportprozessen. Ein wichtiger Prozess ist die Anreicherung leichter Sauerstoff- und Wasserstoffisotope gegenüber den schwereren bei der Verdunstung von Meerwasser und der Bildung von Niederschlag. Man spricht dann von »isotopischer Abreicherung«. Physikalische Ursache hierfür sind leicht unterschiedliche Dampfdrücke und molekulare Diffusionskoeffizienten der Isotope. Dies führt dazu, dass Niederschlag umso stärker abgereichert ist, d.h. umso weniger schwere Isotope enthält, je weiter weg vom Meer er fällt (Kontinentaleffekt, siehe Abb.). Da das Ausmass dieser Abreicherung u.a. von der Temperatur abhängt, kann aus den Isotopenverhältnissen von Paläowässern (Wasserproben aus tiefen Grundwässern oder Gesteinsformationen) auf die atmosphärischen Temperaturen zur Bildungszeit der Probe geschlossen werden. Ein weiterer wichtiger Fraktionierungsvorgang findet durch pflanzliches Wachstum in der Kohlenstoffphysik statt. Da Pflanzen bei Photosynthese bevorzugt ¹²C einbauen, reichert sich das stabile Kohlenstoffisotop ¹³C in der Atmosphäre nach und nach an. Dies lässt Rückschlüsse über die Einwirkung der Biosphäre auf den globalen und auf regionale Kohlenstoffkreisläufe zu. In der Isotopenhydrologie spielen die stabilen Wasserisotope ¹H₂¹⁸O und ¹H²H¹⁶O eine grosse Rolle. Mit ihrer Hilfe lassen sich z.B. Wassereinschlüsse im Meeressediment und geschmolzene Wasserproben aus Eisbohrkernen als Klimaarchive nutzen.

Isotopenfraktionierung: Kontinentaleffekt. Aufgetragen sind Isolinien des Gehalts des schweren Wasserstoffisotops Deuterium in Niederschlagsproben in der d-Notation, negative Werte bedeuten eine Abreicherung gegenüber standardisiertem Meerwasser. a) Heutige Werte aus West- und Mitteleuropa. b) Fossile Werte aus Nordafrika, die belegen, dass während der letzten Eiszeit die Zone niederschlagsreicher Westwinde über der heutigen Wüste Sahara lag.