Begrenzungen der Oberflächenspeziationsprogramme

Thermodynamische Daten (zusammengefasst in der "thermodynamische Datenbasis") sind eine Kompression von experimentell erhobenen physiko-chemischen Daten. Der dazu gehörende Kompressionscode wird "Speziationsprogramm" genannt. Beispiele sind die in den USA Ende der 1970ger bis Anfang der 1980ger Jahre im United States Geological Survey (USGS), am MIT [Massachusetts Institute of Technology, Cambridge] mit Beteiligung der Stanford University und im Lawrence Livermore National Laboratory entwickelten Computerprogramme, mit denen die Verteilung ("Speziation") der chemischen Bestandteile von wässrigen Lösungen insbesondere auf adsorbierende Oberflächen ("Oberflächenkomplexierung") berechnet werden konnte [WATEQ, MINEQL, EQ3/6].

Anschaulich kann man die thermodynamische Datenbasis mit einem komprimierten Bild vergleichen, z.B. mit einem jpeg: In diesem Vergleich entspricht

• dem unkomprimierten Original die experimentell untersuchte physiko-chemische Situation an den adsorbierenden Oberflächen,
• dem jpeg die Oberflächenkomplexierungs-Datenbasis.

Ebenso wie das jpeg nur dazu benutzt werden darf, sich das Original vor Augen zu führen, darf die Oberflächenkomplexierungs-Datenbasis nur dazu benutzt werden, die ursprüngliche experimentelle Situation darzustellen. In anderen Worten:

• Schließt man vom jpeg rückwärts auf das Original und stellt die Begrenzungen der Kompression nicht in Rechnung, so erhält man eine falsche Vorstellung vom Original.
• Analoges gilt für die thermodynamischen Daten: Wendet man sie auf bisher nicht untersuchte Umweltverhältnisse an, so erhält man nicht die realen Vorgänge.
  Tiefere Gründe dafür sind
  1. die Nichtlinearität des Systems, d.h. es weist Sprünge in seinem Verhalten auf, weshalb man nicht zwischen verschiedenen Umweltzuständen interpolieren oder von einem Satz von Umweltzuständen aus extrapolieren kann,
  2. unsere Unkenntnis darüber, ob wir im Experiment alle relevanten Umweltparameter unter Kontrolle haben.

  Verwendet man Oberflächenspeziationsprogramme in Radionuklid-Ausbreitungsrechnungen, führt Punkt (2) zu einem weiteren Problem: Die Radionuklidausbreitung läuft selbstorganisiert ab, d.h. sie wählt von Zeitschritt zu Zeitschritt aus dem uns nur unvollständig bekannten Fundus von Umweltparametern selbständig einige aus, und diese Wahl kann zeitabhängig sein (mehr ...).

Daraus folgt:
Es ist üblich, die langsame geologische Entwicklung pauschal als Garanten für Stabilität anzunehmen. Dies müssen wir im Lichte der Nichtlinearität und der Selbstorganisation des geologisch/geochemischen Systems quantifizieren, d.h. wir müssen angeben, welche geologisch/geochemischen Prozesse unter dieser oberflächlich betrachtet geologischen Stabilität ablaufen können (mehr ...).

Version: 18.2.2011

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Joachim Gruber