Berechnung der Vertikaldiffusion von natürlichen Stoffen und Abfallstoffen in der Iberischen Tiefsee-Ebene aus der vertikalen Konzentrationsverteilung der natürlichen Stoffe über dem Meeresboden

Zusammenfassung

Im Jahre 1966 wurden in der Iberischen Tiefsee-Ebene Untersuchungen durchgeführt, die klären sollten, ob dort besonders gefährliche Abfallstoffe, z. B. radioaktive Abfälle, versenkt werden dürfen, ohne die Menschheit zu gefährden. Die Kernfrage der Untersuchungen war: „Wie schnell können Abfallstoffe, die im Zentrum der Iberischen Tiefsee-Ebene auf dem Meeresboden liegen und dort allmählich in Lösung gehen, in die vom Menschen befischte Oberflächenschicht des Meeres gelangen?”

Die Ausbreitung von Abfallstoffen vom Meeresboden in die darüber befindlichen Wasserschichten kann durch Strömungen, durch Vertikaldiffusion und durch eine möglicherweise vorhandene von unten nach oben gerichtete Nahrungskette bewirkt werden.

Zur Bestimmung der Vertikaldiffusion in den unteren Wasserschichten des Untersuchungsgebietes wurde die vertikale Konzentrationsverteilung von solchen Substanzen über dem Meeresboden gemessen, die vom natürlichen Meeresboden einschließlich der dort sitzenden Organismen ständig abgegeben oder aufgenommen werden: Die O₂-Konzentration und die H-Ionen-Konzentration waren dicht über dem Meeresboden geringer als in dem darüber befindlichen tiefenwasser. Die Abnahme der O₂-Konzentration wird durch die Ansammlung organischen Materials am Meeresboden hervorgerufen, das dort durch Organismen oxydativ abgebaut wird. Die Abnahme der H-Ionen-Konzentration wird durch das im Sediment enthaltene CaCO₃ bewirkt, mit dem sich das an CaCO₃ untersättigte Tiefenwasser ins Gleichgewicht setzt.

Aus der Steigung der O₂-Kurven am Meeresboden wurde die von oben nach unten gerichtete Vertikaldiffusion des O₂ im Untersuchungsgebiet berechnet. Sie liegt bei 10 g O₂ pro m² und Jahr. Aus der Steigung der H-Ionen-Kurven am Meeresboden wurden die von oben nach unten gerichtete Vertikaldiffusion der H-Ionen, die Lösungsgeschwindigkeit des CaCO₃ am Meeresboden und die von unten nach oben gerichtete Vertikaldiffusion des Ca(HCO₃)₂+Ca²⁺ berechnet. Die Vertikaldiffusion der H-Ionen liegt im Untersuchungsgebiet bei 10⁻⁴ g pro m² und Jahr, die Lösungsgeschwindigkeit des CaCO₃ und die Vertikaldiffusion des Ca(HCO₃)₂+Ca²⁺ bei 10⁻² g pro m² und Jahr. Diese Angaben sind nur als Größenordnung zu verstehen.

Da für alle Stoffe dieselben Diffusionsgesetze gelten, ist die vertikale Konzentrationsverteilung aller Stoffe über dem Meeresboden im stationären Zustand mathematisch ähnlich. Daher kann man aus der vertikalen Konzentrationsverteilung des O₂ und der H-Ionen die im stationären Zustand zu erwartende vertikale Konzentrationsverteilung von Abfallstoffen erhalten, wenn man die Abfall-Konzentration am Meeresboden (diese ist häufig durch die Löslichkeit gegeben) und die Abfall-Konzentration im praktisch unveränderten natürlichen Meerwasser einsetzt.

Unter Anwendung dieser Ähnlichkeitsbeziehung wurde eine Gleichung hergeleitet, mit der die im stationären Zustand zu erwartende Vertikaldiffusion von Abfallstoffen, die im Untersuchungsgebiet auf dem Meeresboden kontinuierlich in Lösung gehen, mit dem Meerwasser aber nicht reagieren, berechnet werden kann. Anhand von vier Zahlenbeispielen wird gezeigt, welche Abfallmengen pro m² und Jahr unter den jeweils angenommenen Bedingungen durch Vertikal-diffusion vom Meeresboden aus in die darüber befindlichen Wasserschichten gelangen.

Summary

Investigations on the Iberian Abyssal Plain were made to elucidate whether hazardous wastes, such as radioactive wastes e.g., can be disposed there without danger to mankind. The main question was to find out how quickly wastes lying on the bottom of the central Iberian Abyssal Plain and being dissolved there reach the surface layer which is subjected to fishing.

The spreading of wastes from the sea floor to the above layers can be effected by currents, by vertical diffusion, and by a possible upward-directed food chain.

For determining the vertical diffusion in the lower layers of the area of investigation, the vertical distribution of substances released or absorbed by the natural sea floor and its organisms was measured. There were lower O₂ and hydrogen ion concentrations close to the sea floor as compared with the above-lying deep water. The decrease in the O₂ concentration is caused by the accumulation of organic matter at the sea floor decomposed there by organisms. The decrease in the hydrogen ion concentration results from the CaCO₃ content of the sediment which compensates the CaCO₃ deficit of the deep water.

From the slope of the O₂ curves at the sea floor the downward-directed vertical diffusion of O₂ in the area of investigation was computed. It amounts to 10 g O₂ per m² and year. The slope of the hydrogen ion curves at the sea floor served the computations of downward-directed vertical diffusion of hydrogen ions, velocity of solution of CaCO₃ at the sea floor, and upward-directed vertical diffusion of Ca(HCO₃)₂+Ca²⁺. The vertical diffusion of hydrogen ions amounts to 10⁻⁴ g per m² and year, the CaCO₃ solution velocity and the vertical diffusion of Ca(HCO₃)₂+Ca²⁺ to 10⁻² g per m² and year. These data are to be understood as order of magnitude.

As the same diffusion laws apply to all substances, the vertical distribution of all substances above the sea floor is mathematically similar in the steady state. Thus, the vertical waste distribution to be expected in the steady state can be derived from the vertical O₂ and hydrogen ion distributions by using the waste concentration at the sea floor (this is often given by the solubility) and the waste concentration in the practically unchanged natural sea water.

By applying this similarity relation, an equation was set up to compute the vertical diffusion in the steady state for wastes being dissolved continuously on the bottom of the area of investigation and not reacting with the sea water. Four numerical examples demonstrate what waste quantities per m² and year reach the upper water layers by vertical diffusion from the sea floor.

Résumé

Des recherches ont été conduites durant l'année 1966 dans la plaine abyssale ibérique pour déterminer si des déchets particulièrement dangereux, par exemple radio-actifs, pouvaient y être immergés sans danger pour la vie humaine. Le principal problème à résoudre était le suivant: Avec quelle vitesse des déchets, posés sur le fond au centre de la plaine abyssale ibérique et s'y dissolvant peu à peu, atteignent-ils la couche océanique superficielle où les hommes pêchent?

La diffusion des déchets du fond vers les couches d'eau surjacentes peut résulter des courants, ou de la diffusion verticale ou éventuellement d'une chaîne alimentaire dirigée de bas en haut.

Pour déterminer la diffusion verticale dans les couches inférieures de la zone étudiée, on a mesuré la répartition verticale des concentrations au dessus du fond de la mer de substances qui sont en permanence libérées ou absorbées par le fond de la mer dans son état naturel y compris par les organismes qui s'y trouvent. La concentration en oxygène et la concentration en ions H étaient plus faibles au voisinage immédiat du fond que dans les couches d'eau situées au dessus. La diminution de la concentration en oxygène est provoquée par l'accumulation sur le fond de matériaux organiques qui y sont désagrégés par oxydation organique. La diminution de la concentration en ions H est provoquée par le CaCO₃ contenu dans le sédiment avec lequel s'équilibre l'eau profonde non saturée en CaCO₃.

A partir de la pente des courbes de O₂ au fond de la mer, on a calculé la diffusion verticale de O₂ dirigée du haut vers le bas, dans la zone étudiée. Elle est voisine de 10 g O₂ par m² et par an

A partir de la pente des courbes d'ions H au fond de la mer, on a calculé la diffusion verticale des ions H dirigée du haut vers le bas, la vitesse de dissolution du CaCO₃ au fond de la mer et la diffusion verticale dirigée du bas vers le haut de (CO₃H)₂Ca+Ca⁺⁺. La diffusion verticale des ions Hest voisine, dans la zone étudiée. de 10⁻⁴ g par m² et par an. La vitesse de dissolution du CaCO₃ et la diffusion verticale de Ca(HCO₃)₂+Ca⁺⁺ sont voisines de 10⁻² g par m² et par an. Ces données ne doivent être considérées que comme des ordres de grandeur.

Comme les mêmes lois de diffusion sont valables pour toutes les substances, la répartition verticale de leurs concentrations au-dessus du fond est semblable, au sens mathématique, en régime stationnaire. On peut par conséquent déduire de la répartition verticale des concentrations en O₂ et ions H, la répartition verticale des concentrations de déchets à laquelle il faut s'attendre en régime stationnaire, connaissant la concentration de déchets sur le fond (celle-ci est couramment déduite de la solubilité) et la concentration de déchets d'une eau de mer naturelle non modifiée.

Par application de ce rapport de similitude, on est conduit à une équation par laquelle on peut calculer en régime stationnaire la diffusion verticale à laquelle il faut s'attendre pour les déchets qui se dissolvent da façon continue sur le fond de la mer dans la zone étudiée, et ne réagissent avec l'eau de mer. On montre, au moyen de quatre exemples numériques quelles quantités de déchets par m² et par an peuvent passer par diffusion verticale du fond de la mer aux couches d'eau qui le surmontent.