Τα σταθερά ισότοπα του νερού δύναται να χρησιμοποιηθούν σε μετεωρολογικές εφαρμογές όπως για παράδειγμα η αναγνώριση της πηγής προέλευσης και τις πορείας των αερίων μαζών που είναι υπεύθυνες για την κατακρήμνιση σε μία περιοχή. Η κατακρήμνιση αποτελεί την κύρια συνιστώσα του κύκλου του νερού αφού είναι ο συνδετικός κρίκος ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και το σύστημα έδαφος - φυτά. Συνεπώς, η 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 συγκέντρωση των σταθερών ισοτόπων στους υδρατμούς της ατμόσφαιρας καθορίζεται από την ισοτοπική κλασμάτωση, δηλαδή τους διαφορετικούς ρυθμούς μετατροπής φάσης των μορίων του νερού που περιέχουν βαρέα ισότοπα (π.χ. 18O, 2H) έναντι εκείνων τα οποία αποτελούνται από τα αντίστοιχα βασικά ισότοπα (π.χ. 16O, 1H) οξυγόνου και υδρογόνου. Η ένταση της κλασμάτωσης καθορίζεται από τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες και κατά κύριο λόγο από τη θερμοκρασία, η οποία αναδεικνύεται ως σημαντική επεξηγηματική μεταβλητή, ενώ η ισοτοπική υπογραφή του υετού διαφέρει, ανάλογα με την πηγή προέλευσης και την πορεία των υδρατμών από τους οποίους προέκυψε. Η ισοτοπική σύσταση του υετού, σε τοπικό επίπεδο, διαμορφώνεται με βάση τη γεωγραφική κατανομή της θερμοκρασίας, την εποχικότητα, την ηπειρωτικότητα, το υψόμετρο αλλά και την ποσότητα του υετού. Ωστόσο, η ισοτοπική σύσταση του υετού δεν ακολουθεί την ισοτοπική σύσταση των υδάτων των πηγών της ίδιας γεωγραφικής περιοχής. Αυτό οφείλεται αφενός στην εξάτμιση των υδροσταγόνων κατά την πτώση τους κάτω από το νέφος, που παίζει έναν από τους σπουδαιότερους ρόλους στη διαμόρφωση της ισοτοπικής σύστασης του υετού, αφετέρου στην ποσότητα του υετού και την απόσταση από την πηγή προέλευσης των υδρατμών. Έτσι, η ισοτοπική σύσταση του υετού εμφανίζει εμπλουτισμένες τιμές λόγω εξάτμισης σε σχέση με την πηγή των υδρατμών της ίδιας γεωγραφικής περιοχής, ενώ αντίθετα απεμπλουτισμένες τιμές για ακραία επεισόδια υετού αλλά και μεγάλης απόστασης από την πηγή προέλευσης της.
Στην παρούσα εργασία μελετάται η συμπεριφορά του σταθερού ισοτόπου (18Ο) του νερού σε διάφορες ατμοσφαιρικές διεργασίες εστιάζοντας κυρίως στο χρόνο παραμονής των υδρατμών στην ατμόσφαιρα για την ερμηνεία των διακυμάνσεων της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης για τα τροπικά και εύκρατα κλίματα, σε μηνιαία κλίμακα. Για την εύρεση της δυναμικής των υδρατμών και των διαδικασιών κατακρήμνισης, με χρήση του μοντέλου της απλής γραμμικής παλινδρόμησης, παρακάμπτοντας τους περιορισμούς των υπαρχουσών προσεγγίσεων με βάση την κλασμάτωσηRayleigh, παρουσιάζεται μία θετική, γραμμική συσχέτιση του δ18O και του χρόνου παραμονής των υδρατμών στην ατμόσφαιρα (ln RT). Γενικά, η ισοτοπική σύσταση της κατακρήμνισης στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη εξαρτάται ισχυρά από τη θερμοκρασία ως επακόλουθο της διεργασίας Rayleigh, ενώ στον Ισημερινό από την ποσότητα της συλλεγόμενης κατακρήμνισης. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν τη χρήση ισοτόπων για σωστή παρακολούθηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής με βάση το χαρακτήρα και την ένταση της κατακρήμνισης και τη βελτίωση της απόδοσης των κλιματικών μοντέλων παρέχοντας ένα άμεσο μέσο για τη βαθμονόμηση των αποτελεσμάτων του μοντέλου.
(EL)
Stable water isotopic species have been extensively used in order to seek information about several meteorological studies as the recognition of the main moisture transport pathways of the air parcels responsible for precipitation over a certain area. Precipitation is the key component of the global hydrological cycle since it links the atmosphere with the soil-plant continuum. Therefore, the understanding of the isotopic patterns of precipitation and water vapor is the principal step for water resources studies and planning.
The stable isotopes content in the atmospheric moisture are defined by fractionation, the different rates of water molecules in phase changes containing heavy isotopes (e.g. 18O, 2H) instead of those containing the respective basic oxygen and hydrogen isotopes (e.g. 18O, 2H). The distillation intensity is defined by prevailing meteorological conditions and mostly by temperature, indicated as an important informative variable, while isotopic signatures of precipitation differs, depending on moisture source areas and the air mass transport pathways. The isotopic composition of precipitation is locally formed on the basis of geographical distribution of temperature (temperature effect), seasonality, continentality (continental effect), altitude (effect) but also precipitation amounts (amount effect). However, the isotopic composition of precipitation differs from this of moisture water sources. On one hand, this is due to evaporation and isotopic exchange of falling water drop, that plays one of the most important roles in the isotopic composition of precipitation. On the other hand, is due to precipitation amount and the length of the moisture trajectory. Thus, the isotopic composition of precipitation becomes enriched due to evaporation in comparison to the initial isotopic composition of the moisture water sources of the same geographical area, while becomes depleted for extreme rainfall events and length of the moisture trajectory.
This thesisfocuses on the behavior of the stable water isotopologue (18O) in various atmospheric processes under the view of atmospheric moisture residence time (RT) to interpret precipitation stable isotope ration variations for tropical and equatorial climates, on monthly time scales. For tracing moisture dynamics and precipitation processes, a simple linear regression model between δ18O and ln RT is used, overcoming the limitations of the existing Rayleigh distillation-based approaches. δ18O and lnRT are positively correlated.In general, the isotopic composition of precipitation in middle latitudes strongly depends on temperature due to the Rayleigh process, while in the equator it dependson the precipitation amount. The results will allow the use of isotopes to monitor climate change impacts on the character and intensity of precipitation and to improve the performance of climatemodels by providing a direct means to calibrate model results.
(EL)
Πανεπιστήμιο Πατρών
