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Deuterium, Tritium and Gross-Beta-Activity Investigations on Alpine Glaciers (Ötztal Alps)*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

W. Ambach
Affiliation:
Physikalisches Institut der Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria
H. Eisner
Affiliation:
Physikalisches Institut der Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria
M. Elsässer
Affiliation:
Physikalisches Institut der Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria
U. Löschhorn
Affiliation:
Physikalisches Institut der Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria
H. Moser
Affiliation:
Institut für Radiohydrometrie der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH, München, Germany
W. Rauert
Affiliation:
Institut für Radiohydrometrie der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH, München, Germany
W. Stichler
Affiliation:
Institut für Radiohydrometrie der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH, München, Germany
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

By measuring the deuterium contents of stream water, spring water and melt water, as well as ice and snow samples, the mean contributions to melt water in the run-off from Hintereisferner have been estimated: that of melt water being 60% and that of spring water being 40% in the months of July to September. Spring water is characterized by very low deuterium contents, whereas ice-melt water and snow-melt water in the summer were found to have about the same, rather high deuterium content. The deuterium content in the run-off was subjected to considerable seasonal fluctuations owing to the changing shares in melt water and spring water. The deuterium contents in individual glacier run-offs show similar seasonal fluctuations and are furthermore characterized by a parallel shift of the deuterium concentrations, because of the different altitudes of catchment areas. Differences in the mean altitudes of catchment areas were estimated for the winter and summer discharges on the basis of the isotope altitude effect.

The seasonal fluctuations of the tritium contents in glacier discharges are caused mainly by the melt water from glacier ice, which contains practically no tritium. Minimum values of tritium content in the runoff were thus found during the period of maximum ice ablation. The mean residence time of the base-flow in the ground-water system of a catchment area was roughly estimated to be a few years on account of the tritium content in the winter run-off and in the precipitations of past years.

Profiles of the gross beta activity in firn cores, despite a reduced atmospheric fall-out during the past years, clearly show activity peaks in summer horizons that are suitable for net accumulation analyses. A characteristic peak in the profile of the tritium content which may be attributed to the net accumulation of 1962/63 is well suited for use as a reference horizon.

Résumé

Résumé

En mesurant la teneur en deutérium des eaux courantes, eaux de sources et eaux de fonte, ainsi que celle d'échantillons de glace et de neige, on a pu estimer la contribution moyenne des eaux de fontes dans les débits issus de l'Hintereisferner; pour les mois de juillet à septembre, celle de l'eau de fusion est de 60% et celle de l'eau de source de 40%. L'eau de source se caractérise par une très grande pauvreté en deutérium alors que les eaux de fusion de la glace et de la neige ont à peu près la même teneur, assez élevée, en deutérium. Les richesses en deutérium dans l'émissaire sont sujettes à des fluctuations saisonnières considérables en raison des changements des contributions respectives des eaux de source et de fonte. Les teneurs en deutérium des écoulements issus de chaque glacier individuel présentent des fluctuations saisonnières similaires et sont en plus caractérisées par une variation parallèle des concentrations en deutérium selon les différentes altitudes des bassins d'accumulation. Les différences dans les altitudes moyennes des bassins d'alimentation ont été estimées pour les débits hivernaux et estivaux compte tenu de l'effet de l'altitude sur les isotopes.

Les fluctuations saisonnières de la teneur en tritium dans les débits glaciaires résultent surtout des eaux de fonte de la glace de glacier qui ne contiennent à peu près pas de tritium. Les minimum de teneur en tritium dans les écoulements se situent donc pendant les périodes d'ablation maximum de la glace. Le temps moyen de rétention de l'eau du fond dans le système phréatique d'un bassin d'alimentation est approximativement estimé à quelques années, eu égard au contenu en tritium de l'écoulement hivernal et des précipitations des années précédentes.

Des profils de l'activité béta brute dans des carottes de névé montrent clairement, malgré la diminution des retombées radio-actives atmosphériques au cours des dernières années, que les horizons d'été présentent des pointes utilisables pour l'analyse de l'accumulation annuelle, une pointe caractéristique dans le profil de la teneur en tritium que l'on peut attribuer à la saison d'accumulation 1962-63 est bien placée pour constituer un horizon de référence.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Aus Messungen der Deutcriumgehalte von Bachwasser, Quellwasser und Schmelzwasser sowie von Eis- und Schneeproben wurden die mittleren Anteile von Schmelzwasser zu 60% und von Quellwasser zu 40% im Abfluss des Hintereisferners für die Monate Juli bis September ermittelt. Quellwasser ist durch besonders geringen Deuteriumgehalt gekennzeichnet, während für Eisschmelzwasser und Schneeschmelzwasser im Sommer etwa gleich grosse, jedoch relativ hohe Deutériumgehalte gemessen wurden. Durch den wechselnden Anteil von Schmelzwasser und Queltwasscr im Jahresabfluss ergeben sich grosse jahreszeitliche Schwankungen des Deutériumgehalts im Abfluss. Die Deutériumgehalte einzelner Gletschcr-abflüsse zeigen untereinander einen ähnliehen jahreszeitlichen Verlauf und auf Grund der verschiedenen Höhenlagen der Einzugsgebiete eine Parallelversctzung der Ganglinien. Mit Hilfe des Isotopenhöheneffekis wurden für Winter- und Sommerabflüsst Dill'erenzen in den mittleren Höhenlagen der Einzugsgebiete abgeschätzt.

Der jahreszeitliche Verlauf der Tritiumgehalte in Gletscherabflüssen ist hauptsächlich durch den Zufluss von Schmelzwasser aus Gletschereis geprägt, da Gletschereis praktisch kein Tritium enthält. Daher zeigen sieh Minimal werte des Tritiumgehalts im Àbfluss während der grössten Kisablation. Aus der Abnahme des Tritiumgehalls im Winterabfluss und in den Niederschlägen der leizten Jahre wird die mittlere Verweilzeit des base-flow im Grundwassersystem des Einzugsgebietes abgeschätzt.

Tiefenprofile der Gesamt-Beta-Aktivität im Firn zeigen trotz verringertem atmosphärischen fall-out der letzten Jahre an Sommerhorizonten gut nachweisbare Aktivitätsspitzen, die zu Rücklagenanalysen herangezogen werden können. Ein markanter peak im Tiefenprofil des Tritiumgehalts. welcher der Rücklage 1962/63 zugeordnet werden kann, eignet sich als Bezugshorizont.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1976
Figure 0

Fig.1. Map of the catchment area of Rofenache (Ötztal Alps, Austria). Sampling sites: 1 = Hintereisbach (HEB), 2= Kesselwandbach (KWB), 3 = Vernagtbach (VB), 4 = Spring Hochjochhospiz (HJH). 5 - Rofenache, gauge Vent (RA).

Figure 1

Table I. Data on glaciers in the area of investigation: hintereisferner (HEF), kesselwandferner (KWF) and vernagtferner (VF)

Figure 2

Fig.2. Seasonal fluctuations of the deuterium concentration at Vent (cf. Fig. 1).(a) Precipitation, Vent: dots correspond to individual precipitations, the step function giving the weighted monthly mean value;(b) Water samples Rofenache (RA), Vent: dots correspond to individual samples, the step function giving the unweighted monthly mean value.The double standard deviation of the δD values is 1% 0).

Figure 3

Fig.3. Deuterium content of snow, melt weiter from snow, ice, melt water from ice, spring water and stream water of Hintereisferner. The samples were taken in July, August, and September of 1969 to 1971.

Figure 4

Table II. Range of variation and mean values of the deuterium contents of samples from snow, melt water from snow, ice, melt water from ice, spring water and stream water of hintereisfernerThe samples of snow, melt water from snow, ice, melt water from ice were collected in the summer months of the years 1969 to 1971, samples of spring water and stream water were collected July to September 1969-74.

Figure 5

Fig.4. Seasonal variation of the deuterium content δD in the run-off of Hintereisfener (HEB) and Kesselwandferner (KWB) in the years 1966 to 1973.

Figure 6

Fig.5. Seasonal variation of the deuterium content δD in the run-off of Hintereisferner (HEB) and Vernagtferner (VB) in the years 1971 to 1974.

Figure 7

Fig.6. Seasonal variation of the deuterium content δD in the run-off of Hintereisferner (HEB) and Rofenache (RA) in the years 1969 to 1974.

Figure 8

Fig.7. Seasonal variation of the deuterium content δD in the run-off of Hintereisferner (HEB) and the spring of Hochjochhospiz (HJH)for 1969 to 1974.

Figure 9

Fig.8. Altitude distribution of the glacier area for Hintereisferner [HEF), Vernagtferner (VF) and Kesselwandferner (KWF) and the altitude of the averaged equilibrium tine. Right: fraction of glacier area per 50 m altitude interval. Left: integrated altitude distribution curve. The results for Hintereisferner and Vernagtferner were taken from Reinwarth (1972), results for Kesselwandferner were kindly made available by H. Hoinkes.

Figure 10

Table III. Mean values of the dueuterium content (δD) In the run-off of hintereisferner (HEB), vernagtferner (VB), kesselwandferner (KWB) and the spring hochjochhospiz (HJH), as well as rofenache (RA) in the winter, spring and summer periods (COLUMN)For an explanation of the time limitation of the seasons see text. In HJH, the winter covers a period from November to March, spring from April to June, summer July to September. Wherever possible, the differences in the mean deuterium contents △ΔD (of VB, KWB, HJH and RA) as compared to HEB are given.

Figure 11

Table IV. Time sequence of melt water contributions in the run-off of rofenache based on the seasonal fluctuations in deuterium content

Figure 12

Fig.9. Daily variations of the deuterium content δD and the discharge of Vernagtferner (VB) for the period from 30 August 1974 to 6 September 1974. Data on discharge were kindly made available by O. Reinwarth.

Figure 13

Fig.10. Upper section: Seasonal variation of the tritium content in the run-off Hintereisferner (HEB; individual samples) and Rofenache (RA; unweighted monthly mean) in the years 1973 and 1974. The double standard deviation of the measured values is 9-13 T. U. at maximum. Middle section: Seasonal variations of the tritium content in precipitation samples. Vent, weighted monthly means. Bottom section: Monthly means of discharge of Rofenache (gauge at Vent). (The Hydrographischer Dienst, Innsbruck, is thanked for supplying the measured discharge data.)

Figure 14

Fig.11. Decrease in tritium content in the winter run-off of Kesselwandferner (KWB) •. Hintereisferner [HEB) X, and Rofenache at Vent (RA) ○, and decrease in precipitation at Hohenpeissenberg (Bavaria) — — —, Petzenkirchen (Austria) —, Wien —, and Vent (Austria) vvv. Curve drawn by estimation. (IAEA, 1971, 1973) Gratitude is expressed for the private information on measured data by the Isotope Hydrology Section of the IAEA, Wien.

Figure 15

Fig.12. Vertical profile of the gross beta activity in the accumulation area of Kesselwandferner. I: drilling I. 3 225 m a.s.t., July 1973; II: drilling II. 3 167 m a.s.t., July 1973; activity measurements: October 1973 to January 1974. SH = summer horizon.Profile a: Specific beta activity As (pCi/kg) of the firn sample; values < 1 pCi/kg have not been plotted.Profile b: Specific beta activity As’ of the dry residue; values < 0.1 and 0.2 pCi/mg, respectively, have not been plotted.Profile c: Specific dry residue g' (mg/kg) of the firn sample.

Figure 16

Fig.13. Variation in gross beta activity for the years of 1958 to 1973.(a) Precipitation samples AβNS (pC/1);(b) air sample AβL, (pCi/m2).Station: Wien (Hohe Warte), Innsbruck (Hygienisches Institut der Universität Innsbruck), and Garmisch (top of Berg Wank). (The respective institutions are thanked for making data available.)

Figure 17

Fig.14. Vertical profile of the tritium content in core IV (Kesselwendferner, 3 227 m a.s.l., July 1973). The measured results refer to the date of sampling. The twofold standard deviations of the tritium concentrations are 3 to 7°0.