The variation of stable isotopes of water in precipitation in Finland

• Main Author: Kyllönen, K. (Kirsi)
• Format: Dissertation
• Language: English
• Published: University of Oulu 2018
• Subjects: Process and Environmental Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201805312003; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201805312003

The aim of this thesis was to collect available stable isotopic data of precipitation from Finland and analyze it. Stable isotopes of precipitated water can be used as traces in hydrology. They can be used to study the origin of waters, the mechanisms of groundwater recharge, to study meteoric waters and to study the prehistorical climate and geology. The most often used stable water isotopes are oxygen-18 isotope and hydrogen-2 (also called deuterium) isotope. For this thesis, the stable isotopic data was collected from 13 stations. The precipitation samples had been collected by Geological Survey of Finland, Finnish Meteorological Institute and University of Oulu researchers. The isotopic composition of the precipitation samples was analyzed by University of Oulu, Geological Survey of Finland, University of Helsinki and Finnish Meteorological Institute laboratories. Also, as part of this thesis, some of the precipitation samples from Oulu station was collected and analyzed with Picarro L2120-i-analyzator. To analyze precipitated water, the local meteoric water lines, LMWL, were derived for 13 collection stations and for Finland (δ²H = 7.78 δ¹⁸O + 6.83). Also, the weather data was summoned for collection stations to time periods corresponding to precipitation collection time periods from Finnish Meteorological Institute weather data. The isotopic data was also studied for seasonal, temperature, altitude, latitude, amount, oceanic and continental effects. The weather parameters linear regressions with δ18O values were also studied. According the analysis, the temperature of surface during precipitation had the strongest effect on isotopic composition of the precipitation. In Finland, also latitude and oceanic and continental locations and especially seasons affected the isotopic composition of the precipitation. Weather parameters that had some relation to δ¹⁸O values were evaporation and humidity. Wind speed and the amount of rain had very little relation to δ¹⁸O values. As LMWLs of collection stations were studied, it was found that LMWL vary from one year and a season to another. Thus, it is recommended to have at least two years of isotopic data of precipitation when forming the lines. The isotopic data of precipitation collected in this thesis is available for future studies in Finland and internationally. === Työn tavoitteena oli kerätä Suomen saatavilla olevat sateen stabiilit isotooppitiedot ja analysoida niitä. Sadannan stabiileja isotooppeja voidaan käyttää merkkiaineena hydrologiassa. Sadannan isotoopeja voidaan käyttää esimerkiksi tutkittaessa pohjaveden uusiutumista, veden viipymisaikaa hydrologisessa systeemissä, tutkittaessa esihistoriallista ilmastoa sekä geologiassa. Yleisimmin merkkiaineena käytetyt stabiilit veden isotoopit ovat happi-18 ja vety-2. Tässä työssä kerättiin sadannan isotooppitietoja 13 keräysasemalta. Sadenäytteet olivat kerätty Geologian tutkimuskeskuksen, Ilmatieteen laitoksen ja Oulun yliopiston toimesta. Sadenäytteiden isotooppikoostumus oli analysoitu Geologian tutkimuskeskuksen, Ilmatieteen laitoksen, Oulun yliopiston ja Helsingin yliopiston laboratorioissa. Osa Oulun keräysaseman sadenäytteistä kerättiin ja analysoitiin Picarro L2120-i-analysaattorilla osana tätä työtä. Sadannan isotooppiarvoista määritettiin meteorisille vesille Local Meteoric Water Line- suorat, (LMWL), kolmelletoista keräysasemalle sekä koko Suomelle (δ²H = 7.78 δ¹⁸O + 6.83). Työssä kerättiin myös Ilmatieteenlaitoksen tiedostoista sääparametrit keräysasemille näytteiden keräysajalle. Työssä tukittiin myös vuoden aikojen, lämpötilan, korkeusaseman, leveysasteen, sadannan määrän, merellisyyden ja mantereellisuuden vaikutusta sadannan isotooppeihin. Myös sääparametrien lineaarista regressiota isotooppiarvoihin tutkittiin. Analyysien tuloksena havaittiin sadannan aikaisella ilman lämpötilalla olevan suurin vaikutus sadannan isotooppikoostumukseen. Suomessa myös leveysaste, manterellisuus, merellisyys ja erityisesti vuodenajat vaikuttavat sadannan isotooppikoostumukseen. Sääparametreistä haihdunnalla ja ilmankosteudella löydettiin jonkin verran riippuvuutta sadannan isotooppikoostumuksen kanssa, mutta tuulella ja sateen määrällä ei juurikaan. Määritettyjä LMWL-suoria analysoitaessa todettiin, että LMWL-suorat poikkeavat toisistaan vuosittain. Samoin eri vuodenajoille määritetyt suorat poikkesivat toisistaan. Analyysin perusteella LMWL-suoria määriteltäessä on suositeltavaa olla käytettävissä vähintään kahden vuoden sadannan isotooppitiedot. Tässä työssä kootut sadannan isotooppitiedot ovat käytössä jatkotutkimuksiin niin Suomessa kuin kansainvälisestikin.