Behavior of stable isotopes (D-18O) of H2O in atmospheric processes
Authors: Σαλαμαλίκης Βασίλειος 
Published: August 2021

Οι εφαρμογές των ισοτοπικών ιχνηθετών ποικίλουν. Τα σταθερά ισότοπα του νερού δύναται να χρησιμοποιηθούν σε αμιγώς μετεωρολογικές εφαρμογές όπως για παράδειγμα η αναγνώριση της πηγής προέλευσης και τις πορείας των αερίων μαζών που είναι υπεύθυνες για την βροχόπτωση σε μία περιοχή, ενώ η ανασύσταση της παλαιο-διατροφής του ανθρώπου και οι μεταναστευτικές τάσεις των αρχαίων πληθυσμών μπορούν να ερευνηθούν με την εφαρμογή ισοτοπικών μεθόδων, υποδεικνύοντας τη χρησιμότητα των σταθερών ισοτόπων στην ανθρωπολογία και την αρχαιολογία. Η ανασύσταση των παλαιο-κλιματικών μεταβολών μέσα από κλιματικά αρχεία όπως π.χ. τα σπηλαιοθέματα (σταλαγμίτες και σταλακτίτες), ιζήματα λιμνών, κοράλλια, οστά ζώων και ανθρώπων, κ.α., ανέδειξαν την αναγκαιότητα της ισοτοπικής ιχνηθέτησης. Συνεπώς, η χρήση των σταθερών ισοτόπων όχι μόνο συμβάλλει στην απόκτηση πληροφοριών σχετικά με το παλαιο-κλίμα αλλά δίνει το έναυσμα για την καλύτερη κατανόηση των παρουσών και των μελλοντικών κλιματικών συνθηκών. Η επιτυχής ιχνηθέτηση του υδρολογικού κύκλου απαιτεί τη γνώση της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης και διαφόρων ταμιευτήρων νερού όπως είναι τα ποτάμια, οι λίμνες και τα υπόγεια ύδατα. Η κατακρήμνιση αποτελεί την κύρια συνιστώσα του κύκλου του νερού αφού είναι ο συνδετικός κρίκος ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και το σύστημα έδαφος - φυτά. Έτσι η επαρκής κατανόηση της κατανομής των σταθερών ισοτόπων στην κατακρήμνιση και τους υδρατμούς αποτελεί ένα από τα βασικά εργαλεία για τη μελέτη και τη διαχείριση των υδάτινων πόρων σε μία περιοχή.Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της του Ατμόσφαιρας του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών και μελετά τη συμπεριφορά των σταθερών ισοτόπων (18Ο και 2Η) του νερού σε διάφορες ατμοσφαιρικές διεργασίες εστιάζοντας κυρίως στους υδρατμούς της ατμόσφαιρας και στην κατακρήμνιση. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφονται οι βασικές αρχές της ισοτοπικής μεθοδολογίας. Αναφέρονται λεπτομερώς, α) οι τύποι της ισοτοπικής κλασμάτωσης που διαμορφώνουν την κατανομή των σταθερών ισοτόπων στις αλλαγές φάσεις του νερού, β) τα ισοτοπικά πρότυπα για τη θεωρητική προσομοίωση της ισοτοπικής σύστασης των υδρατμών και της κατακρήμνισης και γ) τα κύρια ισοτοπικά φαινόμενα που διαμορφώνουν σε παγκόσμια κλίμακα την κατανομή των σταθερών ισοτόπων στην κατακρήμνιση.Το κεφάλαιο 2 εστιάζει στην ισοτοπική μεταβλητότητα των ατμοσφαιρικών υδρατμών στην Πάτρα και την εξάρτηση της από τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες και τις συνθήκες ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας. Το κεφάλαιο αυτό χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος περιγράφει την χρονική μεταβολή της ισοτοπικής σύστασης και την αποτύπωση των φαινομένων της ‘θερμοκρασίας’ και της ‘εποχικής κύμανσης’ στους υδρατμούς. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου 2 αναλύεται η συσχέτιση της ισοτοπικής υπογραφής των υδρατμών με την πηγή προέλευσης τους. Η μέση μηνιαία ισοτοπική σύσταση, δv, εξαρτάται από τη θερμοκρασία, ιδίως για θερμοκρασίες μικρότερες των 18 οC δίνοντας βαθμίδες ισοτόπου-θερμοκρασίας ίσες με 0.43‰/οC για το 18Ο και 2.6‰/οC για το δευτέριο (2Η). Η μέση μηνιαία κατανομή των σταθερών ισοτόπων στους υδρατμών στην Πάτρα ακολουθεί την ισοτοπική μεταβλητότητα ενός τυπικού παράκτιου σταθμού παρουσιάζοντας το μέγιστη τιμή της των Ιούνιο. Η γραμμή εξάτμισης των υδρατμών (Vapor Evaporation Line, VEL) δίνεται από την εξίσωση δ2H=6.8 (±0.2) * δ18O - 3.5 (±2.6) υποδεικνύοντας ότι η αρχική εξάτμιση στην περιοχή προέλευσης των υδρατμών επέρχεται κάτω από συνθήκες υψηλής σχετικής υγρασίας (90 – 95%). Η ισοτοπική σύσταση στην περιοχή της Πάτρας εξαρτάται ισχυρά από αέριες μάζες δυτικής προέλευσης καθώς και από αέριες μάζες προερχόμενες από την Ανατολική Ευρώπη. Περισσότερο απεμπλουτισμένες ισοτοπικές υπογραφές απαντώνται σε αέριες μάζες με συνολικό μήκος τροχιάς μεταξύ των 1 500 και 3 000 km (Medium Moving trajectories) ενώ το πλεόνασμα δευτερίου ξεπερνά το 18‰ στην περίπτωση των αερίων μαζών με μη ωκεάνια προέλευση. Γενικότερα υψηλότερες τιμές πλεονάσματος δευτερίου αποτυπώνονται στις αέριες μάζες που διασχίζουν το μέσο της λεκάνης της Μεσογείου.Στο κεφάλαιο 3 ερευνάται το φαινόμενο της μερικής εξάτμισης των υδροσταγόνων κατά την πορεία τους από τη βάση του νέφους προς το έδαφος εν μέσω της ακόρεστης σε υδρατμούς ατμόσφαιρας. Η διερεύνηση του φαινομένου πραγματοποιείται με τρεις διαφορετικές ισοτοπικές προσεγγίσεις, α) Μετεωρικές Γραμμές Νερού (MWLs), β) Ισοτοπικό πρότυπο εξάτμισης και γ) Αριθμητικό ισοτοπικό πρότυπο εξάτμισης. Για τη συνολική ανάλυση του φαινομένου λαμβάνονται ισοτοπικά δεδομένα από διάφορους σταθμούς του Βορείου Ημισφαιρίου από τη βάση δεδομένων του GNIP/ISOHIS. Οι μικρότερες κλίσεις των MWL εμφανίζονται στους σταθμούς Madrid-Retiro (Ισπανία) και Rehovot (Ισραήλ) με αLMWL = 7.33 και αLMWL = 7.35 αντίστοιχα ενώ ο σταθμός του Rehovot παρουσιάζει τη μεγαλύτερη απόκλιση από την κατάσταση ισοτοπικής ισορροπίας. Στη συνέχεια η μερική εξάτμιση των υδροσταγόνων κάτω από τη βάση του νέφους προσδιορίζεται με την εφαρμογή ενός ισοτοπικού προτύπου εξάτμισης υπολογίζοντας τον ισοτοπικό εμπλουτισμό (Δδ) των υδροσταγόνων. Τα δ18O και δ2H μεταβάλλονται γραμμικά με το ποσοστό εξάτμισης. Οι κλίσεις (Δδ/EF) για το 18Ο υπολογίζονται μεταξύ των 0.25‰/% και 0.28‰/% ενώ για το δευτέριο οι τιμές του Δδ/EF είναι κοντά στα 0.9‰/%. Ο ισοτοπικός εμπλουτισμός των υδροσταγόνων εξαρτάται από το μέγεθος τους και από τις επικρατούσες συνθήκες σχετικής υγρασίας κάτωθεν του νέφους. Η ποσότητα Δδ αυξάνεται για μικρότερες υδροσταγόνες και μειούμενη σχετική υγρασία. Η θερμοκρασία παίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του φαινομένου της μερικής εξάτμισης κυρίως για τις μικρότερες υδροσταγόνες. Υψηλότερες τιμές ισοτοπικού εμπλουτισμού αποτυπώνονται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του αέρα. Τέλος, η κατακόρυφη κατανομή της ισοτοπικής σύστασης των υδροσταγόνων και ο ισοτοπικός εμπλουτισμός τους μελετάται μέσω ενός αριθμητικού ισοτοπικού προτύπου εξάτμισης. Κατά την κάθοδο των υδροσταγόνων από το νέφος προς το έδαφος εν μέσω της ακόρεστης σε υδρατμούς ατμόσφαιρας η ισοτοπική σύσταση εμπλουτίζεται σημαντικά σε σύγκριση με την αρχική ισοτοπική σύσταση στη βάση του νέφους. Ο ισοτοπικός εμπλουτισμός φθάνει το 20‰ αναλόγως βέβαια το μέγεθος της σταγόνας και τις αρχικές μετεωρολογικές συνθήκες κοντά στο έδαφος. Στην περίπτωση της σχεδόν κορεσμένης ατμόσφαιρας (RH = 95%) η ισοτοπική σύσταση δεν μεταβάλλεται σημαντικά υποδεικνύοντας την ανυπαρξία του φαινομένου της μερικής εξάτμισης.Το κεφάλαιο 4 ερευνά τη περιοδική χρονική κατανομή του δ18O στην κατακρήμνιση καθώς και τη συσχέτιση του με τη θερμοκρασία για διάφορους σταθμούς της Κεντρικής Ευρώπης κάνοντας χρήση περιοδικών προτύπων και της ανάλυσης σε κυμάτια (wavelets). Η εποχική κατανομή του δ18O ακολουθεί την εποχιακή μεταβλητότητα της θερμοκρασίας του αέρα παρουσιάζοντας εποχικά ισοτοπικά πλάτη μεταξύ των 0.94‰ και 4.47‰ ενώ η μέγιστη τιμή της ισοτοπικής σύστασης λαμβάνεται τον Ιούλιο. Ο μετασχηματισμός κατά Morlet (Morlet Wavelet Transform, MWT) δείχνει ότι η κύρια περιοδικότητα των ισοτοπικών τιμών στη κατακρήμνιση αντιστοιχεί στους 12 μήνες όπου και συγκεντρώνεται κυρίως η κυματική ισχύς. Οι περιοχές με μικρό εποχιακό ισοτοπικό πλάτος έχουν και μία πολύπλοκή ισοτοπική υπογραφή. Συνεπώς η μελέτη της χρονικής ισοτοπικής μεταβλητότητας στην κατακρήμνιση δεν μπορεί αποκλειστικά να εξηγηθεί από το φαινόμενο της εποχικής κύμανσης.Εκτός από τη χρονική μεταβολή του δ18O, μελετάται επίσης και η εξάρτηση του με τη θερμοκρασία (φαινόμενο ‘θερμοκρασίας’). Γενικά η ισοτοπική σύσταση της κατακρήμνισης στα μεσαία και βόρεια γεωγραφικά πλάτη εξαρτάται ισχυρά από τη θερμοκρασία ως επακόλουθο της διεργασίας Rayleigh. Η σχέση ισοτόπου-θερμοκρασίας είναι κατά βάση γραμμική προβάλλοντας κλίσεις από 0.11‰ έως 0.47‰ με ακραίες τιμές για τους νοτιότερους σταθμούς της κεντρικής Ευρώπης. Παράλληλα με τη χρήση της απλής γραμμικής παλινδρόμησης η επίδραση της θερμοκρασίας στην ισοτοπική σύσταση της κατακρήμνισης ερευνάται μέσω της φασματικής προσέγγισης. Υψηλές συσχετίσεις εμφανίζονται ανάμεσα στο δ18O και τη θερμοκρασία για την περιοδικότητα των 12 μηνών όπου η χρονικά μεταβαλλόμενη βαθμίδα δ18O-θερμοκρασίας αυξομειώνεται γύρω από τη μέση τιμή της για κάθε σταθμό. Για τους σταθμούς με χαμηλές τιμές εποχικού ισοτοπικού πλάτους (μικρή επίδραση του εποχικού φαινομένου) οι κλίσεις δ18O-θερμοκρασίας δεν είναι σταθεροί παρουσιάζοντας απότομες μεταβολές/αυξομειώσεις. Η επίδραση της θερμοκρασίας στο δ18O κυμαίνεται μεταξύ των 0.45‰/oC και 0.83‰/oC με υψηλότερες τιμές στους σταθμούς με αξιοσημείωτη εποχική ισοτοπική κατανομή της κατακρήμνισης τους.Το κεφάλαιο 5 περιγράφει την παγκόσμια χωρική κατανομή της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης. Πλεγματικά ισοτοπικά (δ18O και δ2H) δεδομένα στην κατακρήμνιση παράγονται χρησιμοποιώντας μία υβριδική διαδικασία που συνδυάζει την πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση και τη γεωστατιστική παρεμβολή λαμβάνοντας επίσης υπόψη την παγκόσμια ταξινόμηση του κλίματος κατά Köppen-Geiger (K-G ‘isoscapes’). Τα χωρικά K-G ισοτοπικά δεδομένα απεικονίζουν τα βασικά ισοτοπικά φαινόμενα που εξάγονται από τη διεργασία Rayleigh. Απεμπλουτισμένες ισοτοπικές τιμές εμφανίζονται στα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη (π.χ. στη Βόρεια Αμερική), στις περιοχές που βρίσκονται στην ενδοχώρα (π.χ. Σιβηρία) και στις περιοχές με μεγάλα υψόμετρο (π.χ. Άνδεις, Άλπεις και οροπέδιο του Θιβέτ). Ωστόσο τα πλεγματικά ισοτοπικά δεδομένα αποτυγχάνουν να εξηγήσουν την παρατηρούμενη ισοτοπική μεταβλητότητα της κατακρήμνισης στις περιοχές του ισημερινού. Στην περίπτωση αυτή τα ισοτοπικά πρότυπα καθώς επίσης και επίσης και τα χωρικά παρεμβαλλόμενα υπόλοιπα των ισοτοπικών προτύπων αδυνατούν να προσομοιώσουν άρτια την ισοτοπική σύσταση της κατακρήμνισης. Στις περιοχές αυτές κυριαρχούν τα μεγάλα ύψη βροχόπτωσης και οι ισχυρά υγρές μετεωρολογικές συνθήκες προκαλώντας έντονο ισοτοπικό απεμπλουτισμό στην συλλεγόμενη βροχόπτωση.Η αβεβαιότητα των πλεγματικών ισοτοπικών δεδομένων προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας τις αντίστοιχες αβεβαιότητες από τις μεθόδους της παλινδρόμησης και της γεωστατιστικής παρεμβολής. Οι μέσες τιμές της αβεβαιότητας υπολογίζονται ίσες με ±1.53‰ για το 18Ο και ±13.1‰ για το 2Η. Μικρές τιμές αβεβαιότητας εμφανίζονται στις περιοχές με επαρκές δίκτυο ισοτοπικών σταθμών ενώ οι περιοχές με μεγάλο υψόμετρο καθώς και αυτές που παρουσιάζουν μικρό αριθμό σημείων δειγματοληψίας χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές αβεβαιότητας. Γενικότερα, η προσαρμογή των ισοτοπικών προτύπων αποτελεί και τη βασικότερη πηγή για τις υπολογιζόμενες υψηλές αβεβαιότητες.Η αξιολόγηση των πλεγματικών ισοτοπικών δεδομένων επιτυγχάνεται συγκρίνοντας με πραγματικές μετρήσεις που προέρχονται από τη βάση ισοτοπικών δεδομένων του GNIP. Οι υψηλή συσχέτιση μεταξύ των δύο ισοτοπικών σετ (πλεγματικά και παρατηρήσεις) εξηγεί, α) την αρτιότητα των πλεγματικών δεδομένων στην απεικόνιση της ‘πραγματικής’ χωρικής κατανομής των ισοτόπων ανά την υφήλιο, και β) την ικανότητα προσέγγισης της ισοτοπικής σύστασης με χρήση της συνδυαστικής μεθόδου παλινδρόμησης-παρεμβολής.Επιπλέον μία από τις χρησιμότητες των πλεγματικών ισοτοπικών δεδομένων είναι η χρήση τους για την αξιολόγηση των γενικευμένων κλιματικών προτύπων. Σημαντικές χωρικές ισοτοπικές διαφορές εμφανίζονται μεταξύ των πλεγματικών ισοτοπικών δεδομένων κατά K-G και των ισοτοπικών προϊόντων από τα πρότυπα ECHAM και MIROC free. Αρνητικές τιμές παρατηρούνται σε τμήματα της βορειοδυτικής και κεντροανατολικής Αφρικής. Επίσης θετικές διαφορές στην ισοτοπική σύσταση εμφανίζονται στο νότιο Ιράν, στο Πακιστάν και στις βόρειες περιοχές της Ινδίας.Η διερεύνηση της ισοτοπικής σύστασης στις διάφορες ατμοσφαιρικές διεργασίες ανέδειξαν μία σειρά από μελλοντικούς άξονες για περαιτέρω έρευνα τόσο σε τοπικό επίπεδο (π.χ. Ελλάδα) όσο και σε πλανητικό επίπεδο.(1) Ισοτοπικός Άτλας της Ελλάδας: Διάφορες εργασίες έχουν πραγματοποιηθεί με σκοπό τη μελέτη της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης, των πηγών και των υπόγειων υδάτων στον ελλαδικό χώρο. Ωστόσο, στην περίπτωση της κατακρήμνισης μόνο τρεις σταθμοί που συμπεριλαμβάνονται στο δίκτυο GNIP παραμένουν ενεργοί, ενώ η διαθεσιμότητα των δεδομένων καλύπτει μία χρονική περίοδο 10 χρόνων. Αυτό συνιστά την αναγκαιότητα της σύστασης ενός τοπικού δικτύου ακόμα και για περιορισμένο χρονικό διάστημα με σκοπό τη λήψη ισοτοπικών δεδομένων της κατακρήμνισης, των επιφανειακών υδάτων κ. ά. για την δημιουργία του ισοτοπικού Άτλα στην Ελλάδα. Η προσπάθεια αυτή μπορεί να προσφέρει χρήσιμες πληροφορίες στους υδρολόγους με τομέα έρευνας τη διαχείριση των υδάτινων πόρων.(2) Σταθερά ισότοπα από κλιματικά αρχεία: Η μελέτη του παλαιου-κλίματος με χρήση σταθερών ισοτόπων από κλιματικά αρχεία είναι ιδιαίτερα σημαντική. Σε συνεργασία με τοπικές και κρατικές αρχές, η συστηματική παρακολούθηση των σταθερών ισοτόπων από κλιματικά υποκατάστατα (proxies) στην Ελλάδα είναι απαραίτητη για την διερεύνηση των πιθανών περιοδικοτήτων του κλίματος. Η συστηματική και συνδυαστική μελέτη των διάφορων υποκατάστατων με διαφορετική γεωγραφική προέλευση δύναται να επιτρέψει την ανασύσταση των παλαιο-κλιματικών συνθηκών.(3) Ανάλυση των περιοδικοτήτων της ισοτοπικής σύστασης στην κατακρήμνιση σε συνδυασμό με τις συνθήκες ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας: Η μεταβλητότητα της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης εξαρτάται από τους διαφορετικούς τύπους της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας. Η χρονικά μεταβαλλόμενη ισοτοπική υπογραφή της κατακρήμνισης λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία ατμοσφαιρικών δεικτών όπως η κύμανση του Βορείου Ατλαντικού, μπορεί να συμβάλει στην ανασύσταση των παλαιών συνθηκών της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας με απώτερο σκοπό την καλύτερη γνώση και την επεξήγηση των παρουσών και των μελλοντικών κλιματικών μεταβολών.(4) Χωρική κατανομή της εξατμισοδιαπνοής: Μία από τις σημαντικότερες συνιστώσες του υδρολογικού κύκλου αποτελεί η εξατμισοδιαπνοή. Επειδή η ισοτοπική διερεύνηση του φαινομένου της εξατμισοδιαπνοής είναι δύσκολη και μεγάλου οικονομικού κόστους, η ανάπτυξη χωρικών ισοτοπικών δεδομένων της εξατμισοδιαπνοής προβάλει ως η εναλλακτική επιλογή για την καλύτερη γνώση του συστήματος Ατμόσφαιρα-Έδαφος-Φυτά. Η χωρική ισοτοπική κατανομή της εξατμισοδιαπνοής μπορεί επίσης να αποτελέσει ένα σημαντικό εργαλείο για την βελτίωση και την αξιολόγηση των Γενικευμένων Προτύπων Κυκλοφορίας που είναι εφοδιασμένα με ισοτοπικά πρότυπα για την προσομοίωση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο έδαφος.