Hidrológiai Közlöny 1964 (44. évfolyam)

5. szám - Dr. Aujeszky László: Hidrogén-izotópok szerepe a hidrometeorológiai kutatásokban

Aujeszky L.: Hidrogén-izotópok szerepe Hidrológiai Közlöny 1964. 5. sz. 231 alsó szakaszán, a gleccsernyelvekben. Itt a deutériumtartalom körülbelül 50%-kal haladja meg a légköri víz deutériumtartalmát. Még nagyobb mértékű deutérium-bedúsulást tapasztalunk a belföldi jégtakarókban, amelyek Grönlandnak és különösen az Antarktisznak óriási területeit borítják be. A belföldi jégtakaró nagyobb része ugyanis nem újkeletű, hanem fosszil jégből áll, amelynek felszíni rétegein már hosszadalmas elpárolgás (szublimáció) ment végbe. A tengerek úszó jéghegyei ugyancsak gazdagok deutériumban. Ez könnyen érthető következménye annak, hogy a jéghegyek a szárazföldi jégtakaró levált és a tengerbe jutott darabjai, továbbá pedig annak, hogy a tengerben való vándorlásuk alatt további szublimáció megy végbe a jéghegyek \ ízből kiálló felületein. Valószínű, hogy a Földön bárhol is előforduló legnagyobb fokú deutériumbedúsulást a jéghegyekben találhatjuk meg, éspedig elsősorban azokban a jéghegyekben, amelyeket a tengeráramlások már nagyon messze délre sodortak el. Érdekes eredmény az is, hogy az ásványok víztartalma szintén meglehetősen gazdag deutériumban. Ugyanez érvényes a nagy mélységekből származó ártézi vizekre is. Ezért a felszíni vizek birodalmában a deutériumtartalom meghatározását arra lehet felhasználni, hogy kétes esetekben megkülönböztessük egymástól a vadózus eredetű vízeket a mélységi származású és fosszilis vizektől. Utóbbiakat a nagyobb deutériumtartalmuk árulja el. Elvben az a lehetőség is megvan, hogy a lehulló csapadékvíz deutériumtartalmának vizsgálata alapján megállapíthassuk, vajon az illető csapadéklmllás az úgynevezett kis vízkörzésből (szárazföldi vízkészletek elpárolgásából) származik-e, vagy pedig a nagy vízkörzésből (tengeren végbement elpárolgásból) ered-e. Ugyanis a tengervíz bedúsult deutériumtartalma következtében a tengervízből képződött vízgőz (bár kevesebb deutérium van benne, mint magában a tengervízben) még mindig több deutériumot tartalmaz, mint a szárazföldi vizek elpárolgásából származó vízgőz, amely már eleve is kisebb deutériumtartalmú víznek elpárolgása útján keletkezik. Éppen ezért a csapadékvíz deutériumtartalma aszerint ingadozik, hogy az illető eső tengeri vagy szárazföldi vízgőzből képződött-e. A deutériummeghatározás tehát egy lehetséges módszer volna annak eldöntésére, hogy egy konkrét esőfront átvonulása alkalmával lehulló csapadék vajon a kis vízkörzés jelenségkörébe tartozik-e bele, vagy pedig a nagy vízkörzés egyik láncszemét alkotja. A gyakorlatban azonban nem szokás ezt a módszert felhasználni annak tisztázására, hogy az esőnek a vízanyaga milyen eredetű. A módszert azért mellőzik, mert a hidrogén másik nehéz izotópja, a trícium, még sokkal jobb jelzőanyagnak bizonyul az esővizet szolgáltató vízgőz eredetére vonatkozólag. Ezért a trícium alapján való eredet-nyomozás kiszorította azt az elvben lehetséges másik módszert, amely a víz deutériumtartalmának meghatározására támaszkodik. A trícium a hidrogénnek olyan izotópja, amelynek atommagja egy protonból és két neutronból tevődik össze. A természetben a trícium még sokkal kisebb abundánciával fordul elő, mint a deutérium. Ennek ellenére hidrometeorológiai jelentősége lényegesen nagyobb, mint a deutériumé. A deutérium ugyanis stabil izotóp, a tricium ellenben radioaktív bomlást végez. Ez a fontos tulajdonsága teszi alkalmassá arra, hogy a földi vízkörzés tanulmányozásában mint jelzőanyagot használhassuk fel, amely az egyes vízmennyiségek vándorlásának és múltjának kinyomozását teszi lehetővé. A tricium bomlása aránylag gyenge radioaktív sugárzással jár és miután bétasugárzásról van szó, az ember egészségére kevéssé veszélyes. A bomlási folyamat ugyanis abból áll, hogy az atommag egy elektront lövell ki és ezáltal átalakul könnyű (3-as atomsúlyú) héliummá. Hidrometeorológiai szempontból lényeges különbség a deutérium és a tricium között még az is, hogy a deutérium, illetőleg a deutériumhidroxid a Földről kerül a légkörbe (a földi vizek elpárolgása révén), ellenben a tricium a légkörben keletkezik és onnan kerül a földi vizekbe. A tricium ugyanis, mint ismeretes, a kozmikus sugárzáshatása alatt magában a légkörben áll elő. Az 1 köbcentiméter alapterületű függőleges légoszlopban másodpercenként átlagosan egy tricium-atom jön létre, ami az egész Földön egy év alatt kereken 150 quadrillió triciumatomnak a termelését jelenti. A tricium legnagyobb része a troposzféra és a sztratoszféra határán, a tropopauza szintjében, valamint a sztratoszféra alsó részeiben képződik. A maximális tricium-keletkezés szintje 14 km földfeletti magasságban található. A légkörben és a földi vizekben a tricium túlnyomólag a HTO jelű vegyület alakjában fordul elő (20-as molekulasúlyú nehéz víz.) Közelebbről a légkör deutérium- és triciumtartalma következőképpen becsülhető meg. 1. A légkör deutériumtartalma. Egy tonna légköri vízgőzben kereken 200 gramm deutériumos nehéz víz található. A légköri vízgőznek tehát körülbelül ötezred része esik a nehéz vízre, vagyis a légkör közelítőleg 2,6 milliárd tonna nehéz vizet foglal magában. Minthogy a nehéz víz túlnyomólag deutériumhidroxidból áll, amelynek molekulasúlya 19-cel egyenlő, a deutérium izotópsúlya pedig 2, azért a nehéz vízben foglalt deutériumra a tömegnek két tizenkilenced része esik. Ez annyit jelent, hogy az egész légkör deutériumtartalma kereken 300 millió tonnára becsülhető. 2. A légkör triciumtartalma. A tricium-töménység mértékegységéül az úgynevezett tricium-egységet használják. Egy tricium-egység azt jelenti, hogy egy trillió hidrogénatom között 1 triciumatom van jelen. A légköri vígőznek az átlagos triciumtartalma az 1960 körüli években végzett mérések szerint jó közelítéssel éppen egy triciumegység (Szalay Sándor, [2]). Meg kell jegyezni azonban, hogy a Föld különféle vidékeiről származó légtömegek között, mint alább látni fogjuk, bizonyos eltérések állnak fenn a tricium-tartalom tekintetében. Tekintettel a triciumatom háromszoros tömegére, ez az adat azt jelenti, hogy egy trillió gramm légköri hidrogénben átlagosan 3 gramm tricium van jelen. Minthogy a 13 billió tonnás légköri vízgőzkészlet tömegéből 1/9 rész