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Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft: Experimentelles Planschen

Denken wir ans Planschen, haben wir Sonnencreme und Badehose vor Augen. Umweltphysiker jedoch interessieren sich neben der wohltuende Erfrischung auch für die physikalischen Prozesse, die im kühlen Nass ablaufen. Denn sie bestimmen mit darüber, wie Meere und Grundwässer Klima und Lebewelt beeinflussen.
Auch Wasser hat noch Geheimnisse. Wie zum Beispiel funktioniert eigentlich der Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre? Gelangen Methanblasen vom Meeresboden bis in die Luft? Und wie alt sind eigentlich unsere Grundwässer? Auf der Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) in Heidelberg haben Forscher vorgestellt, wie sie mit Hilfe von Laserstrahlen, Edelgasen und natürlichen radioaktivem Zerfall den Vorhang lüften und hinter die Kulissen schauen.

Uwe Schimpf von der Universität Heidelberg und sein Team fragen sich zum Beispiel, wie die Weltmeere und die Atmosphäre Wärme und für das Weltklima wichtige Gase tauschen. Die Wissenschaftler wussten, dass hauptsächlich Turbulenzen dafür verantwortlich sind, die durch Wind oder Gezeiten an der Wasseroberfläche entstehen. Doch wie genau kommen Wärme und Gase dabei in den Wasserkörper?

Turbulentes Treiben: Infrarotlicht als Spürhund für Stofftransporte

Um den Transportmechanismen auf die Spur zu kommen nutzen die Forscher Infrarotmessungen. Sie nennen ihre Methode "Aktive Thermographie" – "Thermographie" deshalb, weil sie Wärmemessungen machen. Die kosten sehr viel weniger Zeit als Versuche mit Gasen, und schließlich gelten für beide die gleichen Prinzipien.

Infrarotbild der Wärmeverteilung an der Wasseroberfläche bei einer Windgeschwindigkeit von 1,45 m/sekLaden...
Infrarotbild der Wärmeverteilung an der Wasseroberfläche bei einer Windgeschwindigkeit von 1,45 m/sek | Infrarotbild der Wärmeverteilung an der Wasseroberfläche bei einer simulierten Windgeschwindigkeit von 1,45 Meter pro Sekunde: je heller, desto wärmer
Bei ihrem Verfahren schießt ein CO2-Laser in regelmäßigen Abständen einen Infrarotstrahl senkrecht auf die Wasseroberfläche, ein Infrarotmessgerät zeichnet punktgenau auf, wie stark sich das Wasser erwärmt, und eine integrierte Infrarotkamera macht den Wärmetransport in die nächst tieferen Wasserschichten sichtbar.

Wärmeverteilung auf dem Wasser bei einer Windgeschwindigkeit von 8,25 m/sekLaden...
Wärmeverteilung auf dem Wasser bei einer Windgeschwindigkeit von 8,25 m/sek | Wärmeverteilung bei einer Windgeschwindigkeit von 8,25 Meter pro Sekunde
Wasserkanalversuche zeigen, dass der Wärmetransport umso schneller erfolgt, je schneller das Wasser fließt. Außerdem scheinen Wärme und Gase nicht gleichförmig, sondern schubweise ins Wasser zu gelangen, wobei die Schübe bei höheren Geschwindigkeiten zunehmend periodischer werden.

Rolf Kipfert vom Schweizer Wasserforschungsinstitut eawag und seine Kollegen hingegen verfolgen ganz andere Transporte. Sie wollen wissen, was mit dem freien Methan passiert, dass im Schwarzen Meer – zum Beispiel nahe der Krim – aus dem Boden blubbert. Gelangt das Treibhausgas womöglich bis an die Wasseroberfläche und dann direkt in die Atmosphäre? Und vor allem: Wie sich lässt sich das prüfen?

Die Treibhausgaspistole schießt: Edelgase als Methandetektive

Mit seinem Vortrag brach Kipfer eine Lanze für Edelgasmessungen – der Einfachheit halber. Denn außer Helium entstehen alle Edelgase nur in der Atmosphäre und gelangen ausschließlich über Austauschprozesse an der Wasseroberfläche in den Wasserkörper. Weichen ihre Konzentrationen vom atmosphärischen Gleichgewicht ab, kann das nur durch sekundären Gasaustausch in der Wassersäule geschehen.

"The bubble gun did shoot – but not too far"
(Rolf Kipfert)
Und tatsächlich: Über allen untersuchten Methanaustritten maßen die Forscher geringere Edelgaswerte als erwartet. Die Physiker fanden heraus, dass an den Grenzflächen zwischen den Methanblasen und dem umgebenden Meerwasser ein Stofftausch stattfindet: das Meerwasser gibt Edelgase an die Gasblase ab und erhält dafür Methan, das sofort in Lösung geht.

Aus untermeerischen Gasquellen gelangt also kein freies Methan an die Wasseroberfläche: "The bubble gun did shoot – but not too far", so Kipfert. Der natürliche Methanaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre scheint demnach fast nur über gelöstes, nicht über freies Methan abzulaufen.

Wie Kipfer haben es auch Jürgen Sültenfuß von der Universität Bremen die Edelgase angetan. Denn mit ihnen lassen sich nicht nur Blasenschleier im Meerwasser verfolgen, sondern auch das Alter von Grundwässern ermitteln.

Falten im Gesicht vom Grundwasser: Helium-4 als Altersanzeiger

Besonders Versorgungsbetriebe müssen wissen, wie alt die Wässer in ihrem Einzugsgebiet sind. Schließlich hängt mit dem Alter auch die Verweilzeit im Boden zusammen. Und die bestimmt, wie lange ein Wasser Schadstoffe aufnehmen kann und ob teure Säuberungsmaßnahmen notwenig oder doch überflüssig sind.

Derzeit verfolgt der Bremer Forscher einen ersten Ansatz, Grundwasser über Helium-4-Kerne zu datieren.

In verschiedenen norddeutschen Grundwässern hatte er Helium-4-Konzentrationen gemessen, die deutlich über dem Lösungsgleichgewicht liegen und sich nicht über zusätzlichen Lufteintrag aus der Atmosphäre erklären lassen. Sültenfuss führt diese hohen Konzentrationen auf den natürlichen Uranzerfall in Gestein zurück. Der Forscher spekuliert, dass die Gletscher der letzten Eiszeit das Untergrundgestein so stark zerrieben hatten, dass diese Sedimente deswegen heute verstärkt Helium-4-Kerne abgeben.

Zieht man also von den Messdaten den Wert des Lösungsgleichgewichts ab, bleibt nur die Helium-4-Konzentration aus den Zerfallsreihen übrig. Und daraus lässt sich dann berechnen, wie lange das Grundwasser dem ausgasenden Gestein ausgesetzt war. Die ersten Altersabschätzungen decken sich immerhin schon einmal mit denen aus Radiokarbonbestimmungen.

Für Sültenfuß gilt es jetzt, seine Annahme über die höheren Helium4-Konzentrationen ehemals gletscherbedeckten Gebieten zu überprüfen. Bestätigt sie sich, bedienen sich vielleicht bald Wasserversorger aus ganz Nordeuropa seines Verfahrens.

Und auch für Kipfer und Schimpf bleibt viel zu tun. Schimpf beispielsweise will jetzt den Wasserkanal aus seiner Doktorarbeit hinter sich lassen und zusammen mit seinen Kollegen die "Aktive Thermographie" auf offenem Wasser testen.
17.03.2006

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 17.03.2006

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