3.1.1 Tracereigenschaften u n d fluorometrische Analyse
Ein im Meereisregime verwendeter Markierungsstoff (Tracer) muà folgende Voraussetzungen erfüllen
e Innerhalb des Meßzeitraum von Stunden bis Tagen muà der Markierungsstoff chemisch stabil oder zumindest in seiner Zerfall- oder Abbaurate bekannt sein. Bezogen auf das Meereisregime sind Einflüss durch gelöst Meerwassersalze, pH-Wert und Temperaturabhängigkeite sowie Lichtempfindlichkeit zu überprüfe
*
Der Markierungsstoff sollte weder die Meerwasser- (Viskositä und Dichte) noch die Porenraumeigenschaften der Eismatrix veränderne Der Markierungsstoff sollte nicht sorptiv oder absorptiv sein und sich weder physikalisch noch chemisch an Eisoberfläche binden.
Der Markierungsstoff sollte innerhalb eines möglichs große Konzentrationsbereichs nachweisbar sein.
Die Nachweisbarkeit des Markierungsstoffes und seiner Konzentration muà eindeutig sein.
Fü die Feldexperimente auf Meereis wurden als Markierungsstoffe die Fluoreszenzstoffe Uranin und Sulforhodamin B (SRB) gewähl und als Nachweismethode die fluorometrische Analyse benutzt. In der fluoro-
metrischen Analyse wird die Probe mit Licht einer spezifischen Anregungswellenläng (Exzitationswellenlänge bestrahlt und die Intensitä
bei der spezifischen Fluoreszenzwellenläng (Emissionswellenlänge gemessen. Das fluorometrische Nachweisverfahren hat gegenübe anderen photometrischen Nachweisverfahren den Vorteil, da8 es stoffspezifisch und gegenübe stofflichen Verunreinigungen unempfindlich ist. Uranin und SRB könne gleichzeitig eingesetzt werden, da sie sich in den Anregungswellenlänge unterscheiden und damit unabhängi voneinander nachzuweisen sind.
Tabelle 3.1 : Stoffeigenschaften der verwendeten Markierungsstoffe. Quellen: (*) Käs 1992, (**) Gaspar, 1987, (***) eigene Vorarbeiten.
Cs,Hyg0,N2SiiNa Fluoreszenzintensitä linear zur Tracerkonzentration ist (Abb. 3.1). Daneben ist Uranin in der Hydrogeologie fü seine äußer geringe Adsorptionsfahigkeit bekannt. Von Käs (1 992) wird Uranin der Retardationsfaktor eines quasiidealen Tracers von 1.0 zugeordnet. Daher erscheint Uranin als idealer Tracer fü die Markierungsexperimente geeignet zu sein, sofern die Temperatur und pH-Wertabhangigkeit sowie seine Lichtempfindlichkeit berücksichtig wird. Der Einfluà des Salzgehalts ist vernachlässigba (Abb.
3.1).
Zur Berücksichtigun des Temperatureffekts wurden die Meßprobe vor der fluorometrischen Analyse auf eine Referenztemperatur von 1 0  2OC gebracht. Die pH-Wertabhängigkei der Uraninfluoreszenz ist im sauren Bereich dramatisch (Kass, 1992). Schon fü einen pH-Wert von 6 fallt die
Bereich dramatisch (Käss 1992). Schon fü einen pH-Wert von 6 fäll die Intensitä der Fluoreszenz auf 40%. Das arktische Schmelztümpelwasse hat nach Messungen von Eicken et al. (1994b) einen neutralen pH-Wert von 7 mit Schwankungen zwischen 5 und 9. Die sauren pH-Werte (<7) finden sich vor allem in Tümpelwasse mit Salinitäte unterhalb von 0.1. Die relative Bezugnahme der Meßdate innerhalb eines Experiments bleibt aber möglich weil innerhalb der Versuchszeiten von einem Tag auszuschließe ist, da sich der pH-Wert des beprobten Wassers verändert Da die Intensitä der Fluoreszenz sich linear mit der Tracerkonzentration in der Losung ändert könne sogar Massenbilanzierungen durchgeführ werden, selbst dann, wenn der pH-Wert des Schmelzwassers nicht dem der Kalibrierungslösun entspricht. Fü Experimente, in denen eine PH-wert-Änderun währen des Versuchs nicht auszuschließe ist, muà entweder der pH-Wert gemessen und mit pH-Fluoreszenz-Kalibrierkurven auf die Tracerkonzentrationen geschlossen werden oder die Probe übe alkalische Puffer auf einen Referenzwert gebracht werden. Diese nachträglich pH-Wertänderun ist möglich da nach Käs (1992) die pH-Wertabhängigkei der Fluoreszenz von Uranin reversibel ist. Geräteeinheite des HITACHI F2000-Fluorometers (Einstellung: High), pH-Wert: 7, Temperatur: 10°C
Zur Quantifizierung der Lichtempfindlichkeit wurden an Uranin-Lösunge Voruntersuchungen in einem Sonnenscheinsimulator durchgeführt Der Sonnenscheinsimulator ist eine künstlich Lichtquelle, deren Wellenlängen spektrum annähern gleich dem auf der Erde gemessenen Sonnenspektrum ist (Geräteentwicklun des Alfred Wegener Instituts). Abb. 3.2 zeigt die
Abnahme der Fluoreszenzintensitä mit der Bestrahlungsdauer und bestätig die qualitativen Aussagen von Kaess (1992), nach denen Uranin durch Lichteinwirkung seine Fluoreszenz verliert. Parallelexperimente mit Lichtspektren, aus denen der Spektralbereich der UV-B-Strahlung ( 2 8 0 n m <
X
< 320 nm) beziehungsweise der gesamte Spektralbereich der UV-A und UV-B-Strahlung (280 nm CX
< 400 nm) herausgefiltert wurde, zeigten, da weder die energiereiche UV-A- noch die UV-B-Strahlung verantwortlich fü den Fluoreszenzverlust von Uranin ist. So erscheint allein die integrale eingestrahlte Lichtenergie entscheidend fü die Abnahme der Fluoreszenzintensitä zu sein. Nach Maykut (1986) beträg die kurzwellige Einstrahlung in der zentralen Arktis im Versuchsmonat August im Mittel 370 MJm^Monat" (= 143 Jm^s"'). Die in den Lichtexperimenten benutzte Einstrahlung lag mit 261 Jm^s" (= 1200 ^.Einstein) bei dem 1.8-fachen Wert.Daraus ergibt sich fü die Zerfallskonstante von Uranin unter den Strahlungsbedingungen der zentralen Arktis dementsprechend ungefäh eine Halbierung auf L, = 3.2-1 0'5 s"'. Die Halbwertszeit beträg dann 6.0 Stunden.
0
D UV-A
+
sichtbar... Kurvenfit mit X, = 6.5 10 C
A Ausschließlic sichtbar
. . . . - - - - -
D- - A
0 50 100 150 200 250 300
Bestrahlungszeit [min]
Abb. 3,2: Abnahme der Fluoreszenzintensitä (bei 512 nm) von Uraninlösunge durch Lichtzerfall fü verschiedene Strahlungsspektren. An die Meßdate sind Exponentialfunktionen mit verschiedenen Zerfallskonstanten \, angepaßt Wasserprobentemperatur T = 5OC, Bestrahlung mit 1200 pEinstein/m2s, Anfangskonzentration: 1.8 mgll, mittlere Zerfallskonstante \- 5.8-10-5 s-'.
3.1.2 Aufbau und Durchführun
In einem Ca. 20 m2 große Versuchsfeld wurde ein Netzwerk von schmalen Sacklöcher mit Durchmessern von 0.05 m gebohrt, an denen späte das Porenwasser des Eiskörper beprobt werden konnte (Abb. 3.3, 3.4, 3.5, 3.6).
Die Sacklöche wurden so tief gebohrt, da sie bis unterhalb des Freibords
reichten. Das Bohren direkt vor Probennahme oder Tracerinjektion ist problematisch, da die Entfernung eines substantiellen Eisvolumens nicht vernachlässigbar Fluidströmunge induziert. Deshalb wurden die Tracer erst dann am Basispunkt eingeführt wenn die Füllstän des Porenwassers in den Sacklöcher den hydraulischen Gleichgewichtszustand erreicht hatten.
Dies war ungefäh nach 30 Minuten der Fall. Dann wurde in 50 ml Schmelzwasser 200 mg der Tracer gelös und mit dem Wasser des Basispunktes vermischt. Als Basispunkt wurden sowohl zentrale Sacklocher als auch Schmelztümpe gewählt Nach der Injektion des Tracers wurden im 6-Stundenintervall Wasserproben von 5-1 0 ml an den Beprobungsstationen entnommen. Die Tracerkonzentrationen wurden direkt nach Abschluà der Meßreih an Bord des Expeditionsschiffes mit einem HITACHI F2000- Fluorometer bestimmt. Die Lokationen der Versuchsstationen sind in Abb. 1.4 eingetragen.