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Field pH Determinations in Glacial Melt Waters

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Richard C. Metcalf*
Affiliation:
Department of Geography, University of Manchester, Manchester M13 9PL, England
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Abstract

Laboratory pH analyses of glacial melt waters are unrepresentative of in situ values, due primarily to CO2 gas exchange between the sample and the atmosphere, and solute enrichment from chemical reaction with sediment and colloidal particles. A method is presented which enables field pH measurements that are reproducible within ±0.04 pH units to be made in glacial melt waters, using commonly available digital pH meters with combination electrodes.

During initial spring snow melt in May 1981 at Gornergletscher, Switzerland, melt waters in the proglacial stream leaving the glacier terminus were oversaturated with respect to atmospheric p(CO2), and rapidly increased pH during CO2 outgassing at in situ temperature and pressure. Summer ice melt from glaciers which are temperate in the ablation zone are usually undersaturated by about ten times with respect to atmospheric p(CO2), and rapidly lower their pH values to achieve equilibrium upon encountering the atmosphere, as observed at Gornergletscher during July and August 1981. Gornergletscher summer proglacial stream waters, sometimes show pH increases from rock weathering, with the rate limited by the transfer rate of CO2 across the air-water interface to drive the weathering reactions. Throughout the year, any water parcel at equilibrium with atmospheric CO2 is generally at an equilibrium pH value, if filtration prohibits solute enrichment. For these reasons, laboratory pH measurements are unacceptable for quantitative studies of melt-water chemistry and should be discontinued.

Résumé

Résumé

Les analyses de pH en laboratoire des eaux de fusion glaciaires ne sont pas représentatives des valeurs in situ, en raison d’abord des échanges gazeux de CO2 entre l’échantillon et l’atmosphère et de l’enrichissement en matière dissoute à partir de réactions chimiques avec les particules sédimentaires et colloïdales. On présente une méthode permettant des mesures sur le terrain pH fiables dans une fourchette de ±0, 04 unités pH dans les eaux de fusion glaciaires, en utilisant un pH metre digital facile à se procurer avec des électrodes incorporées.

Pendant la fusion printanière initiale en mai 1981 au Gornergletscher en Suisse, les eaux de fusion dans l’émissaire proglaciaire à la sortie du front du glacier était sursaturé par rapport à la pression partielle en CO2 de l’atmosphère, et il y avait une croissance rapide du pH pendant le dégazage en CO2 à la température et à la pression ambiantes. Les eaux de fusion d’été à partir de glaciers qui sont tempérés dans la zone d’ablation, sont d’habitude sous-saturées de 10 fois par rapport à la pression partielle de CO2 dans l’atmosphère et abaissent rapidement leur valeur du pH pour s’equilibrer avec l’atmosphère rencontré, comme cela a été observé au Gornergletscher en juillet et août 1981. L’émissaire du Gornergletscher montre parfois en été des augmentations de pH à la suite de désagrégation de roche, à une vitesse limitée par la vitesse de transfert du CO2 à travers l’interface eau–air qui règle les réactions de désagrégation. Sur l’ensemble de l’année, un volume d’eau en équilibre avec le CO2 de l’atmosphère, est en général à un pH stable si la filtration empêche l’enrichissement en matière dissoute. C’est pourquoi les mesures de pH en laboratoire sont inacceptables pour des études quantitatives de la chimie des eaux de fusion et devraient être abandonnées.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Vor allem wegen des CO2-Gasaustausrhes zwischen einer Probe und der Atmosphäre und der Lösusngsanreicherung aus chemischen Reaktionen mit Ablagerungs- und Colloid-Partikeln sind pH-Analysen von Gletscherschmelzwasser im Labor nicht repräsentativ für in situ-Werte. Es wird ein Verfahren beschrieben, das mit allgemein verfügbaren digitalen pH-Metern mit Kombinationselektroden pH-Messungen in Gletscherschmelzwasser im Feld ermöglicht, die innerhalb von ±0.04 pH-Einheiten reproduzierbar sind.

Während der anfänglichen Frühlingsschneeschmelze im Mai 1981 waren Schmelzwasser im Gletscherbach des Gornergletschers (Schweiz), die aus dem Gletscherende kamen, übersättigt im Hinblick auf atmosphärisches p(CO2); ihr pH-Wert nahm schnell zu, als CO2 unter in situ-Temperatur und -Druck entwich. Sommerschmelzwasser von Gletschern, die in der Ablationszone temperiert sind, sind gewöhnlich um den Faktor 10 im Vergleich zu atmosphärischem p(CO2) untersättigt und verringern ihre pH- Werte schnell bis zum Gleichgewicht, wenn sie mit der Atmosphäre in Berührung kommen, wie im Juli und August 1981 am Gornergletscher beobachtet wurde. Sommerliche Schmelzwasser im Vorfeld des Gornergletschers zeigen manchmal pH-Zuwächse infolge Felsverwitterung, wobei die Rate durch die Übergangsrate von CO2 durch die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser begrenzt ist. Während des ganzen Jahres besitzt jedes Wasserpaket, das mit atmosphärischem CO2 im Gleichgewicht steht, einen pH-Gleichgewichtswert, wenn Filtration eine Anreicherung mit Lösungen verhindert. Deshalb sind Labor-pH-Messungen für quantitative Studien der Schmelzwasserchemie unannehmbar; sie sollten nicht mehr ausgeführt werden.

Information

Type
Instruments & Methods
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
Figure 0

Fig. 1. Field d(pH)/dt experiment of 29 July 1981 showing a pH reversal at 20 min due to CO2 outgassing from solution after the base of the sample had heated above 4°C without an ice-water bath. Gas bubbles coming out of solution were visible on the beaker walls after 32 min.

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Fig. 2. Field d(pH)/dt experiment of 14 May 1981 showing an increase of pH with time for initial spring melt waters leaving the Gornergletscher terminus. Noise at 25 min was caused by convection during thermometer insertion and at 54 min by vibration from a nearby avalanche.

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Fig. 3. Logarithmic response time of a combination pH electrode in various buffers at 0°C in laboratory tests.

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Fig. 4. Calculated p(CO2) values in equilibrium with Swiss glacier ice melt at 0°C, derived using gas chromatographic measurements and Henry’s Law, compared to atmospheric p(CO2) for dry air at the sampling altitude.

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Fig. 5. Field d (pH)/dt measurements of 7 August 1981 showing: CO2 gas uptake in melt water beginning 1 min after sample collection from a supraglacial/englacial stream (Curve 1), and CO2 equilibrium in a replicate sample measured 242 min after collection (Curve 2).