Stable isotope dynamics in precipitation and groundwater: determination and assessment of changes over the last 40 years

Abstract

Der Kern dieser Dissertation sind die umfangreichen Daten über die stabilen Isotopen von Wasserstoff und Sauerstoff in Niederschlag und Grundwasser der letzten 40 Jahre des Forschungszentrums Seibersdorf (ehem. Arsenal Research), Teil des österreichischen Isotopenmessnetzes für Niederschlag (ANIP). Durch Einsatz von explorativen Methoden und verschiedenen Modellierungsverfahren wurden diese Daten aufgearbeitet, um wesentliche Erkenntnisse über Einflüsse und Entstehen der Isotopenkonzentrationen in österreichischem Niederschlag und Grundwasser zu gewinnen. Diese Dissertation ist im Wesentlichen eine Sammlung aus fünf Publikationen, wobei die erste Publikation den Einfluss von alpiner Topographie und damit zusammenhängenden klimatischen und meteorologischen Parametern auf die Isotopenverhältnisse im Niederschlag beschreibt. Aus den beschriebenen Zusammenhängen ergeben sich wichtige Erkenntnisse für die weitere Entwicklung von Modellen zur Vorhersage von stabilen Isotopen basierend auf meteorologischen Parametern. In der zweiten Publikation wird die Modellierung von Sauerstoff 18 anhand bekannter Größen dargestellt. Für das Auswahlverfahren der Modellparameter wurde ein eigener Algorithmus (FASS) entwickelt, der die Modellierung signifikant verbessert. Die dritte Publikation ist eine kürzere Abhandlung, welche die Ergebnisse einer Modellanwendung basierend auf den Erkenntnissen der beiden ersten Publikationen angewandt auf über 200 österreichische Orte, für die keine Isotopendaten verfügbar sind, darstellt. In der vierten Publikation wird die Eignung von modellierten Isotopendaten in Niederschlag als Eingangsfunktion für Grundwasserapplikationen, wie z.B. 'Lumped Parameter' Modelle für die Berechnung von mittleren Verweilzeiten von Grundwasser, oder Interpretationshilfen für beobachtete Isotopenanomalien dargelegt. In der letzten Publikation werden die Erkenntnisse aus Analysen von Isotopenzeitreihen in Niederschlag und Grundwasser beschrieben.<br />Aufgezeigt wird vor allem, dass eine Veränderung im Isotopensignal nicht nur von Temperaturänderungen sondern auch von weiteren Größen wie Luftfeuchte oder Niederschlagsart abhängig ist.<br />Die Ergebnisse verbessern nicht nur die Fähigkeit stabiler Isotope als 'Tracer' - Material zur Beschreibung in Wasserkreislaufapplikationen in Österreich, sondern auch die Interpretation von 'Klimaarchiven' wie Eisbohrkernen oder Sedimenten insgesamt.<br />

The overall scope of this thesis is to extract valuable information about stable isotopes of oxygen and hydrogen in precipitation and groundwater from the 40 years covering isotope archive of the Austrian Research Centers Seibersdorf (former Arsenal Research) which is also part of the Austrian Network of Isotopes in Precipitation (ANIP). For a better understanding and quantification of the influences on the final isotopic composition of Austrian precipitation and groundwater the power of explorative methods as well as advanced modeling techniques are used. The thesis consists of five papers where the first paper is about influences of alpine topography on the stable isotope concentration in precipitation mirrored on local to regional scale by climatic and meteorological conditions. This gives important information about possibilities for the prediction of the isotopic composition in precipitation by climatic parameters and further development of model approaches. The second paper introduces a new method for feature selection (FASS) and shows how the method can be used to enhance modeling of isotope data with known interferants. The third paper is a short report on the results of the mathematical isotope model approach derived from the information given in the first two papers applied to more than 200 locations in Austria with no isotope data available. The fourth paper illustrates how modeled isotope data in precipitation can be used also as input data for groundwater applications, e.g. lumped parameter models for estimation of mean residence times or support for interpretation of observed anomalies with isotope effects. Finally, the last paper presents an overview of assessments on temporal isotope data in Austrian precipitation and groundwater pointing out that shifts in the isotopic signal can be explained not only by temperature but also by temperature induced climate parameters such as relative humidity or the snow to precipitation ratio.<br />The results show how stable isotopes can be used not only as conservative tracer in water cycle applications but also as valuable indicators for changes in climate thus enhancing the interpretation of ancient sources like glacial ice cores or sediments.