Menü
Water Isotope Probe WIP-System

Water Isotope Probe WIP-System

Unser WIP-Sytem dient der kontinuierlichen Erfassung von Wasserdampf und der stabilen Wasserisotope d18O und d2H im Boden, Baumxylem und / oder der Atmosphäre. Die Signaturen können so durch den gesamten Boden-Pflanzen-Wasserkreislauf verfolgt und untersucht werden. Damit ist das WIP-System ideal für bodenkundliche und ökohydrologische Untersuchungen zur Wasseraufnahme von Regenwasser durch Pflanzen sowohl im Freiland als auch in Lysimetern und EcoLabs, einschließlich Markierungsversuche. Das System umfass die WIP-Sonden, die wir in exklusiver Lizenz fertigen, ein Verteilersystem sowie eine Steuersoftware, die auf einen Picarro Laserspektrometer (L2130-i und G2131-i) installiert wird.

Unsere Produkte im Bereich Water Isotope Probe WIP-System

Wissenswertes

Hintergrund

Die Analyse der stabilen Isotope d²H und d18O des Wassermoleküls hat sich in vielfältigen wissenschaftlichen Disziplinen als wichtige Tracertechnologie etabliert. In der Ökohydrologie werden sie genutzt, um die Wasser- und Stoffkreisläufe auf verschiedenen Skalen von Pflanzen bis Landschaften besser zu verstehen. Konventionelle Isotopenmessungen umfassen die destruktive Entnahme von Bodenkernen, Holzbohrkernen oder Astproben mit anschließender Extraktion und Laboranalyse. Der Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwand für jede Messung ist sehr hoch und die Messung kann nicht an gleicher Stelle (in-situ) wiederholt werden. Dadurch werden nur Daten mit geringer zeitlicher Auflösung generiert, die aufgrund der räumlichen Heterogenität ein hohes Signalrauschen aufweisen (Volkmann und Weiler 2014).

In-situ-Methoden haben große Vorteile gegenüber konventionellen Isotopenmessungen, da sie minimalinvasiv sind und mit hoher Frequenz am selben Ort messen. Dabei werden aus der Gasphase Proben entnommen, die indirekt Aussagen über die Flüssigphase zulassen. Das Messprinzip basiert auf dem Gleichgewicht zwischen Gas- und Flüssigkeitsphase „Direct Vapor Equilibrium Methode“ (Volkmann und Weiler 2014, Seeger und Weiler 2021).

Nach diesem Grundprinzip arbeiten unsere innovativen Wasserisotopensonden WIPs. Die Sonden wurden von uns auf Basis der fundierten wissenschaftlichen Erkenntnisse von Volkmann und Weiler (2014) (Patentnummer DE102013013969B3) optimiert und werden in exklusiver Lizenz hergestellt und vertrieben. Die WIPs sind bisher die einzigen In-situ-Sonden, die nachweislich im Boden und im Baumxylem funktionieren (Volkmann et al. 2016 in Seeger und Weiler 2021).

Water Isotope Probes

Die WIPs wurden für die Bestimmung der stabilen Wasserisotope so von Volkmann und Weiler (2014) entwickelt, dass die Methode "Diffusion Dillution Sampling" (DDS) angewendet wird. Diese Methode baut keinen absoluten Druckgradienten zwischen dem Gasgemisch in der Filterkerze und des umgebenden Mediums auf, sondern einen Partialdruckgradienten für Wasserdampf. Aus diesem Grund bestehen die WIPs aus drei Teilen: 1) der Filterkerze, 2) dem Einführungsschaft mit Mischkammer und 3) dem Schutzschlauch, der drei Gastransportkapillaren in einer definierten Geometrie in den Einführungschaft und in die Filterkerze führt.

Über die Filterkerze diffundiert Wasserdampf aus dem umgebenden Medium in die Mischkammer. Die Beprobungskapillare führt den Gasstrom von der Sonde zum Isotopen-Laserspektrometer. Eine zweite Kapillare liefert Stickstoff zur Verdünnung des Messgases in die Mischkammer. Auf diese Weise kann eine relativ stabile Wasserdampfkonzentration des Messgases gewährleistet werden. Dies ist sehr wichtig für die Isotopenmessungen, da die Isotopie vom Wassergehalt abhängt. Gleichzeitig wird Kondensation und damit weitere Fraktionierung verhindert, und die Messkammer des Isotopenanalysators wird geschützt. Eine dritte Kapillare liefert Stickstoff für den Druckausgleich zwischen Messkammer und Umgebung sowie einen Spülvorgang zwischen den Messzyklen.

WIP-System

Zur Messung der stabilen Wasserisotope reichen die WIPs allein nicht aus. Dafür ist ein ganzes WIP-System notwendig, bestehend aus WIP-Sonden, die über ein verzweigtes Schlauchnetz an Ventilblöcken angeschlossen sind, einer zentralen Steuereinheit (Master), Standards, Massenflussreglern, Trockengaszufuhr, Verteilerboxen (Hubs) sowie eine Steuersoftware, die auf einen Picarro- Wasserisotopenanalysator installiert wird, und einer externe Pumpe. Das modulare WIP-System wurde von der TU Freiburg entwickelt (Volkmann und Weiler 2014) und in Langzeitversuchen getestet (Seeger und Weiler 2021). Es konnte gezeigt werden, dass das WIP-System über automatisierte Messzyklen (inkl. Spülung, Standards) über Wochen und Monate wartungsarm und autark im Feld funktioniert (Gessler et al. 2014, Mennekes et al. 2021, Volkmann et al. 2016 a und 2016 b).

Referenzen

Gessler, A., Bächli, L., Rouholahnejad Freund, E., Treydte, K., Schau,b M., Haeni, M., Weiler, M., Seeger, S., Marshall, J., Hug, C., Zweifel, R., Hagedorn, F., Rigling, A., Saurer, M., Meusburger, K. Drought reduces water uptake in beech from the drying topsoil, but no compensatory uptake occurs from deeper soil layers. New Phytol. 2022 Jan;233(1):194-206. doi: 10.1111/nph.17767. Epub 2021 Oct 15. PMID: 34610146Volkmann, T. H. M. and Weiler, M.: Continual in situ monitoring of pore water stable isotopes in the subsurface, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 1819–1833, https://doi.org/10.5194/hess-18-1819-2014, 2014.

Mennekes, D., Rinderer, M., Seeger, S., and Orlowski, N.: Ecohydrological travel times derived from in situ stable water isotope measurements in trees during a semi-controlled pot experiment Hydrol. Earth Syst. Sci., 25, 4513–4530, https://doi.org/10.5194/hess-25-4513-2021, 2021.

Volkmann, T. H. M., and Weiler, M.: Continual in situ monitoring of pore water stable isotopes in the subsurface, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 1819–1833, ttps://doi.org/10.5194/hess-18-1819-2014, 2014.

Volkmann, T. H. M., Haberer, K., Gessler, A., and Weiler, M.: High-resolution isotope measurements resolve rapid ecohydrological dynamics at the soil-plant interface, New Phytol., 210, 839–849, https://doi.org/10.1111/nph.13868, 2016 a.

Volkmann, T. H. M., Kühnhammer, K., Herbstritt, B., Gessler, A., and Weiler, M.: A method for in situ monitoring of the isotope composition of tree xylem water using laser spectroscopy, Plant Cell Environ., 39, 2055–2063, https://doi.org/10.1111/pce.12725, 2016 b.

Seger, S. and Weiler, M.: Temporal dynamics of tree xylem water isotopes: In-situ monitoring and modelling, Biogeosciences, 18, 4603–4627, https://doi.org/10.5194/bg-18-4603-2021, 2021.

Kontaktieren Sie uns

Sie sind auf der Suche nach einem starken Partner und einer nachhaltigen Zusammenarbeit? Dann melden Sie sich einfach bei uns! Wir lieben spannende und herausfordernde Projekte rund um Umwelttechnik.

WIR FREUEN UNS AUF IHREN ANRUF ODER IHRE E-MAIL