Physikalische Grundlagen der Wasserisotopen
Bei der Wasserisotopen-Diagnose werden Proben des Schadwassers (z.B. aus durchfeuchtetem Mauerwerk) entnommen und analysiert. Das Grundprinzip der Analyse von Wasserisotopen ist die Bestimmung der relativen Anteile von isotopisch „leichtem“ und „schwerem“ Wasser.
Wasser hat die chemische Formel H2O, d.h. es besteht zu zwei Teilen aus Wasserstoff und zu einem Teil aus Sauerstoff. Die einzelnen Atome von Wasser- und Sauerstoff können in der Natur unterschiedliche Gewichte besitzen, die sogenannten Isotope. So existieren z.B. drei Isotope von Wasserstoff, wobei Deuterium und Tritium doppelt bzw. dreimal so schwer sind wie normaler Wasserstoff, aber auch 10000 mal bzw. ein millionstel milliardenstel mal seltener.
Chemisch gesehen verhalten sich die Isotope eines Elements gleich, doch sie unterscheiden sich wegen ihres unterschiedlichen Gewichts hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften. Vergleichbar wäre ein Elfmeterschießen mit einem Tennisball, einem Fußball oder einem Medizinball.
In allen Fällen handelt es sich um Bälle, jedoch unterscheiden sie sich deutlich in ihren Flugeigenschaften und der Energie, die zu ihrer Beschleunigung aufgebracht werden muss. Ähnliches geschieht in der Natur. Dort verdunsten z.B. Moleküle von „schwerem“ Wasser deutlich langsamer, aber lagern sich schneller ab als „leichte“ Moleküle.
Der Wasserdampf über einer eintrocknenden Pfütze besteht deshalb vorwiegend aus leichten Wassermolekülen, während die Pfütze selbst kontinuierlich an schweren Wassermolekülen angereichert wird. Diese Aufteilung der Isotopen bei Verdunstung und Kondensation ist der Schlüssel zur Wasserschadensdiagnose, da so charakteristische Verteilungen von leichten und schweren Isotopen in verschiedenen Wassertypen entstehen.
Jedoch ist eine einzelne Analyse einer Wasserprobe nur ein Schlaglicht des momentanen Isotopenverhältnisses, denn Verdunstung und Kondensation sind ständig ablaufende Prozesse und verändern dieses Verhältnis weiter. Es braucht also ein Mehr an fundierter Information, um aus Isotopendaten zuverlässig den Typ des Schadwassers herauszuarbeiten.
Bestimmung verschiedener Wassertypen
Jedes Quantum Wasser hat eine ihm eigene Geschichte durchlaufen, was das Ausmaß von Verdunstung und Kondensation betrifft. Da jedoch die Fraktionierung der Isotope direkt mit der Masse der Wassermoleküle zusammenhängt, also physikalisch vorgegeben ist, erzeugen Verdunstung und Kondensation systematische Isotopenwerte je nach Typ Wasser.
Niederschlagswasser
Niederschlag zum Beispiel entsteht global betrachtet aus Wolken, welche zum überwiegenden Teil aus verdunstetem Meerwasser entstehen. Auf regionalem Maßstab variiert die Isotopie der Wolken und des Niederschlags zwar. Beispielsweise je nach Temperatur bei Verdunstung/Kondensation oder der Entfernung, die die Wolken vom Ozean zum Abregnungsort zurückgelegt haben. Dies zeigt sich auch in dem Ausmaß der An- und Abreicherung von schweren und leichten Wassermolekülen im Niederschlag (Abb.2).
Diese Fraktionierung von Wasser- und Sauerstoff läuft für das globale Erdklima aber proportional ab. Das heißt, je mehr schwerer Sauerstoff im Niederschlag zu finden ist, desto mehr schwerer Wasserstoff ist auch vorhanden. Somit bewegt sich die isotopische Zusammensetzung des globalen Niederschlags in charakteristischen Grenzen.
In einem Diagramm der Isotopenwerte von Wasser- und Sauerstoff kann globaler Niederschlag näherungsweise als Gerade dargestellt werden, der sogenannten Global Meteroric Water Line (GMWL, vgl. Abb.3).
Leitungswasser
Aber auch technische Besonderheiten beeinflussen die Isotopie von bestimmten Wassertypen. Dies lässt sich am Beispiel Leitungswasser sehr gut darstellen. Jedes Leitungswasser wird zwar grundsätzlich aus Niederschlag gespeist und liegt damit isotopisch auf der GMWL.
Jedoch wird der Niederschlag vor seiner Verwendung als Leitungswasser zunächst in Reservoiren (Speicherseen) gesammelt. Die Isotopenwerte der verschiedenen Regenfälle, die z.B. durch Temperatur (saisonal) beeinflusst sind, vermischen sich somit zu einem Durchschnittswert des regionalen Niederschlags der letzten Jahre.
Als Folge zeigt Leitungswasser regional relativ gleichbleibende Isotopenwerte. Mit Hilfe von Referenzproben des örtlichen Leitungswassers können somit Verdunstungsbeziehungen zu einem Schadwasser hergestellt werden, um zu prüfen ob ein Wasserschaden z.B. aus einem Haarriss in der Wasserleitung hervorging.
Andere Wässer
Mit ähnlichen physikalischen Beziehungen lassen sich auch jegliche weitere Wässer isotopisch abgrenzen. Beispielsweise ist Kondenswasser isotopisch leichter als Niederschlag, da es aus isotopisch leichter Luftfeuchte gebildet wird. Grundwasser oder Fließgewässer folgen der GWML, aber durch die in Aquiferen gegebene Durchmischung regional in engeren Grenzen. Wasser aus Heizkreisläufen und Fußbodenheizungen rangiert je nach Befüllungsalter und Dichtigkeit des Systems zwischen Leitungswasser und stark erkennbaren Verdunstungsverlusten.
Diese Daten und Beziehungen somit das Fundament eines Isotopengutachtens. Um ein Schadwasser zuverlässig zu entschlüsseln ist außerdem die Einbeziehung aller verfügbaren Informationen nötig. Diese können sein: z.B. Schadenshistorie, Lüftungs- und Trocknungsbedingungen, relative Luftfeuchte, Temperatur, oder technische Gegebenheiten wie Lage des Schadens, Verlauf von Wasserleitungen, Präsenz von Taupunkten, etc.
Diese Faktoren müssen nicht, können aber entscheidend sein für die Interpretation von Isotopendaten. Auch Referenzproben des vermuteten Schadwasses, sofern verfügbar, sind hilfreich. Welche dieser Informationen letztendlich wichtig sind, richtet sich immer nach der jeweiligen Sachlage.