Stabilni izotopi vode

Poslijediplomski studij

Autor: Patricia Buškulić, mag.ing.geol.

Izotopi su atomi istog kemijskog elementa koji imaju jednak broj protona, a različit broj neutrona u jezgri. Zauzimaju isto mjesto u periodnom sustavu elemenata, imaju ista kemijska svojstva, ali različit maseni broj. Postoje stabilni i nestabilni, odnosno radioaktivni izotopi (radionuklidi). Na primjer, kisik ima 3 stabilna izotopa: kisik-16 (16O), s 8 protona i 8 neutrona; kisik-17 (17O), s 8 protona i 9 neutrona; i kisik-18 (18O), s 8 protona i 10 neutrona (Slika 1 ). U prirodi najzastupljeniji izotop kisika je kisik-16 (99,76 %), potom kisik-18 (0,2 %) i na kraju kisik-17 (0,038 %), dok je najzastupljeniji izotop vodika vodik-1 (99,985 %) pa vodik-2 (0,015 %). Najvažniji izotopi u hidrologiji su kisik-18 i vodik-2 (ili deuterij, D) ( Mook 2001). Izotopi kisika i vodika stvaraju različite vrste stabilnih molekula vode. Od ukupno 10.000 molekula vode pronaći ćemo 9.977 molekula H216O, 3 molekule H217O i 20 molekula H218O (Slika 2). Brzine fizikalnih i kemijskih reakcija teških i lakih izotopa se razlikuju zbog razlike u masi. Teški izotopi reagiraju sporije u odnosu na lakše izotope što dovodi do izotopnog odjeljivanja ili frakcionacije (Clark, 2015).

slika1-odlagalište_hr.jpg

Slika 1. Stabilni izotopi kisika (prema Climate Science Investigation. URL: http://www.ces.fau.edu/nasa/module-3/how-is-temperature-measured/isotopes.php)

20210701 2

Slika 2. Stabilni izotopi vode (izvor: Program on Climate Change. URL: https://uwpcc.ocean.washington.edu/file/Water_Isotopes)

Koncentracija stabilnih izotopa izražava se kao omjer rjeđeg i zastupljenijeg izotopa. Najčešće se koristi delta (δ) notacija koja predstavlja razliku omjera između uzorka i poznatog standarda i izražava se u promilima (Clark, 2015). Izotopni sastav vode izražava se u usporedbi s prosječnim izotopnim sastavom uzorka morske vode. Standardni uzorak vode određen je međunarodnim dogovorom i naziva se SMOW standard (engl. Standard Mean Ocean Water). SMOW je nedavno zamijenjen VSMOW standardom (engl. Vienna Standard Mean Ocean Water) kojeg je razvila Međunarodna agencija za atomsku energiju (engl. International Atomic Energy Agency – IAEA) iz destilirane morske vode koja ima izotopni sastav blizak SMOW standardu.

U prirodi se razlike u omjerima javljaju u vodenom mediju pri faznim prijelazima. Izotopno odjeljivanje (frakcioniranje) kod stabilnih izotopa kisika i vodika najviše ovisi o temperaturi faznog prijelaza, tlaku i početnom izotopnom sastavu vode. Tako se, primjerice, prilikom isparavanja više izdvajaju lakši izotopi, a voda ostaje obogaćena težim izotopima, dok se prilikom kondenzacije, pri nastanku oborina, lakše izdvajaju teži izotopi vode (Slika 3). Izotopni sastav oborine pada s udaljavanjem od obalne linije jer što više oblaci putuju prema kontinentu i više oborina padne na tom putu, to će oborina imati više lakših. Čimbenici koji utječu na prostornu i vremensku raspodjelu izotopnog sastava vode prikazani su na Slici 4.

20200515 1

Slika 3. Shematski prikaz izotopne frakcionacije unutar hidrološkog ciklusa (Xi, 2014)

20210618 4

Slika 4. Čimbenici koji utječu na raspodjelu izotopnog sastava vode (SAHRA, 2005)

Izotopna frakcionacija dovodi do razlike u omjerima stabilnih izotopa (2H/1H i 18O/16O) i nudi cijeli niz mogućnosti za istraživanja unutar hidrogeološkog ciklusa, kao što su definiranje područja napajanja, podrijetla vode, određivanje starosti vode, hidrodinamičkih uvjeta, brzine izmjene voda unutar vodonosnika te hidrauličke povezanosti među slojevima/vodonosnicima. Budući da 18O i 2H predstavljaju komponente molekule vode, oni su njezin idealni traser.

Koncentracije stabilnih izotopa u uzorcima vode najčešće se određuje masenim ili laserskim spektrometrima. Laboratorij za spektroskopiju, Rudarsko-geološko-naftnog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu, usmjeren je na analize stabilnih izotopa vode. Stabilni izotopi, δ18O i δ2H u uzorcima tekuće vode, mjere se metodom laserske apsorpcijske spektroskopije uređajem „Laser Water Isotope Analyzer“ (LWIA-45-EP) tvrtke „Los Gatos Research“ (LGR) (Slika 5). Trenutno, Rudarsko-geološko-naftni fakultet sudjeluje u nekoliko znanstvenih projekata unutar kojih se istražuju stabilni izotopi vode. Najvažniji su:

  • SUPREHILL projekt (engl. Subsurface preferential transport processes in agricultural hillslope soils) koji financira Hrvatska zaklada za znanost – u okviru projekta glavni cilj je kvantifikacija podpovršinskog preferencijalnog toka vode u poljoprivrednim padinskim tlima;
  • IAEA TC projekt CRO7002 (engl. Using Nitrogen and Oxygen Stable Isotopes in the Determination of Nitrate Origin in the Unsaturated and Saturated Zone of the Velika Gorica Wellfield) koji financira IAEA – glavni cilj projekta je definiranje podrijetla nitrata na širem priljevnom području crpilišta Velika Gorica;
  • IAEA TC projekt RER7013 (engl. Evaluating Groundwater Resources and Groundwater-Surface-Water Interactions in the Context of Adapting to Climate Change) koji financira IAEA – u okviru ovog projekta uspostavljena su brojna pilot područja. Jedno od pilot područja je sliv rijeke Save gdje će se pomoću stabilnih izotopa vode odrediti odnos između oborine, rijeke Save i aluvijalnih vodonosnika;
  • NATURAVITA projekt (engl. Demining, restoration and protection of forest and forestland in protected and Natura 2000 sites in Danube-Drava regions) koji se financira iz Europskih strukturnih i investicijskih fondova – predstavlja strateški projekt kojem je cilj razminiranje, obnova i zaštita šuma, šumskog zemljišta i vodnih resursa.

20210701 5

Slika 5. Laserski uređaj LWIA-45-EP (fotografija Zoran Kovač)

Literatura:

Clark I. (2015): Groundwater Geochemistry and Isotopes. CRC Press, Taylor & Francis Group, 438 p.

Mook, W. M. E. (2001): Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle. Principles and Applications. UNESCO/IAEA Series.

SAHRA, Sustainability of semi-Arid Hydrology and Riparian Areas, Isotopes: Oxygen, Arizona, Ariz, USA, 2005

Xi X. (2014): A Review of Water Isotopes in Atmosferic General Circulation Models: Recent Advances and Future Prospects. International Journal of Atmosferic Sciences 2014, 1-16.


Patricia Buškulić mag.ing.geol., je mlađi istraživač ‒ asistent na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu na IAEA TC projektu CRO7002 "Korištenje stabilnih izotopa dušika i kisika za određivanje podrijetla nitrata u nesaturiranoj i saturiranoj zoni crpilišta Velika Gorica".

E-portfolio https://moodle.srce.hr/eportfolio/user/view.php?id=17161

Google Scholar https://scholar.google.com/citations?user=g_kQ6foAAAAJ&hl=en

CROSBI https://www.bib.irb.hr/profile/37457