Behavior of stable isotopes (D-18O) of H2O in atmospheric processes

Abstract

The use of environmental tracers, tracers that naturally exist in the Earth system not due to any anthropogenic activity, may offer direct insights into the mechanisms and interactions taking place within the components of the global hydrological cycle. Among environmental tracers, stable water isotopic species due to their conservative essence have been extensively used in order to seek information about several meteorological, hydrological, climatic, etc. disciplines at different spatial and temporal scales. The isotopic applications may extend from meteorological studies as the recognition of the main moisture transport pathways of the air parcels responsible for precipitation over a certain area to anthropological and archaeological applications as the reconstruction of past human dietary patterns and the migration of past populations. The isotopic applications increased nowadays since the isotope derived information from climate archives such speleothems, tree rings, lake sediments, corals, human and animal bones etc. are excellent proxies for the past climate reconstructions. Thus isotopic tracers can be applied in order to obtain information about past climate patterns and to further improve our thoughts for planning and studying the current climate behavior and also the future shifts. Tracing the water cycle requires knowledge of the isotopic patterns for various water reservoirs such as precipitation, lakes, rivers and groundwater. Precipitation is the key component of the global hydrological cycle since it links the atmosphere with the soil-plant continuum. Thus the accurate understanding of the isotopic patterns of precipitation and water vapor is the principal step for water resources studies and planning.This thesis focuses on the behavior of the stable water isotopologues (18O and 2H) in various atmospheric processes under the view of water vapor and precipitation patterns. Chapter 1 provides an overview of the basic isotopic methodology, including the theory of the different fractionation processes that control the distribution of the stable water species in phase changes, the isotopic models for the theoretical simulation of the stable isotopic content of water vapor and precipitation; finally the main isotopic effects that modulate the global isotope precipitation patterns are briefly discussed.Chapter 2 focuses on the isotopic variability of water vapor in a specific location of the Eastern Mediterranean, namely Patras, Greece and its dependence to different air mass trajectories. This study is divided in two parts. The first part examines the temporal variability and the ‘seasonal’ and ‘temperature’ effects of the water vapor isotopes while in the second part a moisture source analysis combined with isotopic tracers is presented. The temperature dependence is more distinct in the mean monthly δv for temperatures below 18 oC, resulting to temperature gradients equal to 0.43‰/oC and 2.6‰/oC for 18O and deuterium respectively. The mean monthly isotopic distribution of water vapor in Patras follows the isotopic variability of a typical coastal station where the maximum of the isotopic composition is reached in June. The Vapor Evaporation Line (VEL) in Patras is δ2H=6.8 (±0.2) * δ18O - 3.5 (±2.6) indicating evaporation at high humidity conditions (90 - 95%). The isotopic composition is strongly affected by westerly air masses but also by air masses coming from Eastern Europe. More depleted isotopic signatures are obtained for Medium Moving trajectories while the deuterium excess especially for air masses with terrestrial source history becomes greater than 18‰. In general higher d-excess values are observed for air parcels having crossed the middle of the Mediterranean basin.Chapter 3 examines the sub-cloud evaporation effect on precipitation in terms of its isotopic composition using three different isotopic approaches namely that of Meteoric Water Lines (MWLs), an isotope-evaporation model and a numerical isotope-evaporation model. The overall analysis is performed using isotopic data for various stations located in the Northern Hemisphere. The lowest MWL slopes are obtained for Madrid, Spain (αLMWL = 7.33) and Rehovot, Israel (αLMWL = 7.35) while in the greatest deviation from the equilibrium state is detected in Rehovot. Then an isotope-evaporation model is evaluated for the calculation of the isotopic enrichment in the falling raindrops induced by the sub-cloud evaporation effect. Both δ18O and δ2H show a linear relationship with the evaporated fraction with slopes ranging between 0.25‰/% and 0.28‰/% for 18O while for 2H the Δδ/EF values are around 0.9‰/%. The isotopic enrichment is highly correlated with the raindrop diameter and relative humidity conditions where Δδ increases with decreasing relative humidity and decreasing raindrop size. Temperature also contributes to the sub-cloud evaporation effect leading to higher isotopic enrichments for higher temperatures. However the temperature dependence is more distinguishable for smaller raindrops. Then, the vertical variation of the isotopic composition of falling raindrops and the corresponding isotopic enrichment is investigated through a numerical isotope-evaporation model. The isotopic composition becomes enriched in comparison to the initial isotopic composition at the cloud base level when the raindrops travel through drier and warm atmospheres, leading to Δδ18Ο up to 20‰ depending on the raindrop size and the initial meteorological conditions. For near saturated atmospheric conditions (RH = 95%) the isotopic composition does not vary significantly, indicating the absence of sub-cloud evaporation.Chapter 4 discusses the periodic patterns and the ‘temperature effect’ of δ18O in precipitation for various stations located around Central Europe, using periodic and wavelet models. The seasonal distribution of δ18O follows the temporal variability of air temperature providing seasonal amplitudes ranging from 0.94 to 4.47‰; the monthly isotopic maximum is observed in July. The Morlet Wavelet Transform reveals the main periodicity at 12-months where the wavelet power is mainly concentrated. Stations with limited seasonal isotopic effect depict a complex isotopic fingerprint that cannot be examined solely by the seasonality effect. In the case of the temperature dependencies on δ18O the isotope-temperature slope ranges from 0.11 to 0.47‰/oC with steeper values observed at the southernmost stations of the study area. Apart from the linear regression analysis the isotope-temperature slope is investigated under a spectral point of view. High coherencies are detected at the periodicity of 12-months. Generally the slope fluctuates around a mean value but in certain cases (sites with low seasonal effect) abrupt slope changes are derived and the slope becomes strongly unstable. The time-frequency slope is calculated at the annual periodicity mode ranging from 0.45 to 0.83‰/oC with higher values at stations that show a more distinguishable seasonal isotopic behavior. Vienna, Austria, depicts the most complicated coherency spectrum. In Chapter 5 the spatial patterns of the isotopic composition of precipitation in a global scale are briefly discussed. Global gridded isotopic (δ18O and δ2H) surfaces of precipitation through the Köppen-Geiger climate partitioning system (Köppen-Geiger, K-G precipitation ‘isoscapes’) are generated using a hybrid regression/geostatistical approach. The K-G ‘isoscapes’ capture the main isotopic effects as revealed by the Rayleigh distillation process with depleted values at higher latitudes (i.e. North America), at more inland locations (i.e. Siberia) and at high elevated areas (Andes, Alps and the Tibetan Plateau). However the isotopic grids fail to reproduce the isotopic depletion when moving from lower mid-latitudes to the equatorial regions since both the isotopic models and the spatially resolved residuals are unable to explain the isotopic composition in those regions where the high precipitation amounts and the strongly humid conditions are responsible for the observed isotopic depletions. The spatial isotopic uncertainty is quantified in terms of regression and interpolation uncertainties; high uncertainties are due to the isotopic regression models. The mean uncertainty values are equal to ±1.53‰ and ±13.1‰ for δ18O and δ2H respectively. Low uncertainties are associated to adequately sampled regions while high values are obtained for high-elevated regions and in areas with absence of isotopic measurements. The high correlations between the K-G ‘isoscapes’ and GNIP observation reveal the successful isotopic representation of the gridding procedure. Furthermore the generated isotopic grids are compared against the isotopic products from iso-GCMs. Significant spatial isotopic differences among the K-G ‘isoscapes’ and ECHAM, MIROC free models are investigated with negative differences in the Northern-Western and the Central-Eastern parts of Africa. On the other side positive differences are depicted in southern Iran, Pakistan and north India for both isotopic species and iso-GCMs.

Οι εφαρμογές των ισοτοπικών ιχνηθετών ποικίλουν. Τα σταθερά ισότοπα του νερού δύναται να χρησιμοποιηθούν σε αμιγώς μετεωρολογικές εφαρμογές όπως για παράδειγμα η αναγνώριση της πηγής προέλευσης και τις πορείας των αερίων μαζών που είναι υπεύθυνες για την βροχόπτωση σε μία περιοχή, ενώ η ανασύσταση της παλαιο-διατροφής του ανθρώπου και οι μεταναστευτικές τάσεις των αρχαίων πληθυσμών μπορούν να ερευνηθούν με την εφαρμογή ισοτοπικών μεθόδων, υποδεικνύοντας τη χρησιμότητα των σταθερών ισοτόπων στην ανθρωπολογία και την αρχαιολογία. Η ανασύσταση των παλαιο-κλιματικών μεταβολών μέσα από κλιματικά αρχεία όπως π.χ. τα σπηλαιοθέματα (σταλαγμίτες και σταλακτίτες), ιζήματα λιμνών, κοράλλια, οστά ζώων και ανθρώπων, κ.α., ανέδειξαν την αναγκαιότητα της ισοτοπικής ιχνηθέτησης. Συνεπώς, η χρήση των σταθερών ισοτόπων όχι μόνο συμβάλλει στην απόκτηση πληροφοριών σχετικά με το παλαιο-κλίμα αλλά δίνει το έναυσμα για την καλύτερη κατανόηση των παρουσών και των μελλοντικών κλιματικών συνθηκών. Η επιτυχής ιχνηθέτηση του υδρολογικού κύκλου απαιτεί τη γνώση της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης και διαφόρων ταμιευτήρων νερού όπως είναι τα ποτάμια, οι λίμνες και τα υπόγεια ύδατα. Η κατακρήμνιση αποτελεί την κύρια συνιστώσα του κύκλου του νερού αφού είναι ο συνδετικός κρίκος ανάμεσα στην ατμόσφαιρα και το σύστημα έδαφος - φυτά. Έτσι η επαρκής κατανόηση της κατανομής των σταθερών ισοτόπων στην κατακρήμνιση και τους υδρατμούς αποτελεί ένα από τα βασικά εργαλεία για τη μελέτη και τη διαχείριση των υδάτινων πόρων σε μία περιοχή.Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικής της του Ατμόσφαιρας του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών και μελετά τη συμπεριφορά των σταθερών ισοτόπων (18Ο και 2Η) του νερού σε διάφορες ατμοσφαιρικές διεργασίες εστιάζοντας κυρίως στους υδρατμούς της ατμόσφαιρας και στην κατακρήμνιση. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφονται οι βασικές αρχές της ισοτοπικής μεθοδολογίας. Αναφέρονται λεπτομερώς, α) οι τύποι της ισοτοπικής κλασμάτωσης που διαμορφώνουν την κατανομή των σταθερών ισοτόπων στις αλλαγές φάσεις του νερού, β) τα ισοτοπικά πρότυπα για τη θεωρητική προσομοίωση της ισοτοπικής σύστασης των υδρατμών και της κατακρήμνισης και γ) τα κύρια ισοτοπικά φαινόμενα που διαμορφώνουν σε παγκόσμια κλίμακα την κατανομή των σταθερών ισοτόπων στην κατακρήμνιση.Το κεφάλαιο 2 εστιάζει στην ισοτοπική μεταβλητότητα των ατμοσφαιρικών υδρατμών στην Πάτρα και την εξάρτηση της από τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες και τις συνθήκες ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας. Το κεφάλαιο αυτό χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος περιγράφει την χρονική μεταβολή της ισοτοπικής σύστασης και την αποτύπωση των φαινομένων της ‘θερμοκρασίας’ και της ‘εποχικής κύμανσης’ στους υδρατμούς. Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου 2 αναλύεται η συσχέτιση της ισοτοπικής υπογραφής των υδρατμών με την πηγή προέλευσης τους. Η μέση μηνιαία ισοτοπική σύσταση, δv, εξαρτάται από τη θερμοκρασία, ιδίως για θερμοκρασίες μικρότερες των 18 οC δίνοντας βαθμίδες ισοτόπου-θερμοκρασίας ίσες με 0.43‰/οC για το 18Ο και 2.6‰/οC για το δευτέριο (2Η). Η μέση μηνιαία κατανομή των σταθερών ισοτόπων στους υδρατμών στην Πάτρα ακολουθεί την ισοτοπική μεταβλητότητα ενός τυπικού παράκτιου σταθμού παρουσιάζοντας το μέγιστη τιμή της των Ιούνιο. Η γραμμή εξάτμισης των υδρατμών (Vapor Evaporation Line, VEL) δίνεται από την εξίσωση δ2H=6.8 (±0.2) * δ18O - 3.5 (±2.6) υποδεικνύοντας ότι η αρχική εξάτμιση στην περιοχή προέλευσης των υδρατμών επέρχεται κάτω από συνθήκες υψηλής σχετικής υγρασίας (90 – 95%). Η ισοτοπική σύσταση στην περιοχή της Πάτρας εξαρτάται ισχυρά από αέριες μάζες δυτικής προέλευσης καθώς και από αέριες μάζες προερχόμενες από την Ανατολική Ευρώπη. Περισσότερο απεμπλουτισμένες ισοτοπικές υπογραφές απαντώνται σε αέριες μάζες με συνολικό μήκος τροχιάς μεταξύ των 1 500 και 3 000 km (Medium Moving trajectories) ενώ το πλεόνασμα δευτερίου ξεπερνά το 18‰ στην περίπτωση των αερίων μαζών με μη ωκεάνια προέλευση. Γενικότερα υψηλότερες τιμές πλεονάσματος δευτερίου αποτυπώνονται στις αέριες μάζες που διασχίζουν το μέσο της λεκάνης της Μεσογείου.Στο κεφάλαιο 3 ερευνάται το φαινόμενο της μερικής εξάτμισης των υδροσταγόνων κατά την πορεία τους από τη βάση του νέφους προς το έδαφος εν μέσω της ακόρεστης σε υδρατμούς ατμόσφαιρας. Η διερεύνηση του φαινομένου πραγματοποιείται με τρεις διαφορετικές ισοτοπικές προσεγγίσεις, α) Μετεωρικές Γραμμές Νερού (MWLs), β) Ισοτοπικό πρότυπο εξάτμισης και γ) Αριθμητικό ισοτοπικό πρότυπο εξάτμισης. Για τη συνολική ανάλυση του φαινομένου λαμβάνονται ισοτοπικά δεδομένα από διάφορους σταθμούς του Βορείου Ημισφαιρίου από τη βάση δεδομένων του GNIP/ISOHIS. Οι μικρότερες κλίσεις των MWL εμφανίζονται στους σταθμούς Madrid-Retiro (Ισπανία) και Rehovot (Ισραήλ) με αLMWL = 7.33 και αLMWL = 7.35 αντίστοιχα ενώ ο σταθμός του Rehovot παρουσιάζει τη μεγαλύτερη απόκλιση από την κατάσταση ισοτοπικής ισορροπίας. Στη συνέχεια η μερική εξάτμιση των υδροσταγόνων κάτω από τη βάση του νέφους προσδιορίζεται με την εφαρμογή ενός ισοτοπικού προτύπου εξάτμισης υπολογίζοντας τον ισοτοπικό εμπλουτισμό (Δδ) των υδροσταγόνων. Τα δ18O και δ2H μεταβάλλονται γραμμικά με το ποσοστό εξάτμισης. Οι κλίσεις (Δδ/EF) για το 18Ο υπολογίζονται μεταξύ των 0.25‰/% και 0.28‰/% ενώ για το δευτέριο οι τιμές του Δδ/EF είναι κοντά στα 0.9‰/%. Ο ισοτοπικός εμπλουτισμός των υδροσταγόνων εξαρτάται από το μέγεθος τους και από τις επικρατούσες συνθήκες σχετικής υγρασίας κάτωθεν του νέφους. Η ποσότητα Δδ αυξάνεται για μικρότερες υδροσταγόνες και μειούμενη σχετική υγρασία. Η θερμοκρασία παίζει σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του φαινομένου της μερικής εξάτμισης κυρίως για τις μικρότερες υδροσταγόνες. Υψηλότερες τιμές ισοτοπικού εμπλουτισμού αποτυπώνονται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του αέρα. Τέλος, η κατακόρυφη κατανομή της ισοτοπικής σύστασης των υδροσταγόνων και ο ισοτοπικός εμπλουτισμός τους μελετάται μέσω ενός αριθμητικού ισοτοπικού προτύπου εξάτμισης. Κατά την κάθοδο των υδροσταγόνων από το νέφος προς το έδαφος εν μέσω της ακόρεστης σε υδρατμούς ατμόσφαιρας η ισοτοπική σύσταση εμπλουτίζεται σημαντικά σε σύγκριση με την αρχική ισοτοπική σύσταση στη βάση του νέφους. Ο ισοτοπικός εμπλουτισμός φθάνει το 20‰ αναλόγως βέβαια το μέγεθος της σταγόνας και τις αρχικές μετεωρολογικές συνθήκες κοντά στο έδαφος. Στην περίπτωση της σχεδόν κορεσμένης ατμόσφαιρας (RH = 95%) η ισοτοπική σύσταση δεν μεταβάλλεται σημαντικά υποδεικνύοντας την ανυπαρξία του φαινομένου της μερικής εξάτμισης.Το κεφάλαιο 4 ερευνά τη περιοδική χρονική κατανομή του δ18O στην κατακρήμνιση καθώς και τη συσχέτιση του με τη θερμοκρασία για διάφορους σταθμούς της Κεντρικής Ευρώπης κάνοντας χρήση περιοδικών προτύπων και της ανάλυσης σε κυμάτια (wavelets). Η εποχική κατανομή του δ18O ακολουθεί την εποχιακή μεταβλητότητα της θερμοκρασίας του αέρα παρουσιάζοντας εποχικά ισοτοπικά πλάτη μεταξύ των 0.94‰ και 4.47‰ ενώ η μέγιστη τιμή της ισοτοπικής σύστασης λαμβάνεται τον Ιούλιο. Ο μετασχηματισμός κατά Morlet (Morlet Wavelet Transform, MWT) δείχνει ότι η κύρια περιοδικότητα των ισοτοπικών τιμών στη κατακρήμνιση αντιστοιχεί στους 12 μήνες όπου και συγκεντρώνεται κυρίως η κυματική ισχύς. Οι περιοχές με μικρό εποχιακό ισοτοπικό πλάτος έχουν και μία πολύπλοκή ισοτοπική υπογραφή. Συνεπώς η μελέτη της χρονικής ισοτοπικής μεταβλητότητας στην κατακρήμνιση δεν μπορεί αποκλειστικά να εξηγηθεί από το φαινόμενο της εποχικής κύμανσης.Εκτός από τη χρονική μεταβολή του δ18O, μελετάται επίσης και η εξάρτηση του με τη θερμοκρασία (φαινόμενο ‘θερμοκρασίας’). Γενικά η ισοτοπική σύσταση της κατακρήμνισης στα μεσαία και βόρεια γεωγραφικά πλάτη εξαρτάται ισχυρά από τη θερμοκρασία ως επακόλουθο της διεργασίας Rayleigh. Η σχέση ισοτόπου-θερμοκρασίας είναι κατά βάση γραμμική προβάλλοντας κλίσεις από 0.11‰ έως 0.47‰ με ακραίες τιμές για τους νοτιότερους σταθμούς της κεντρικής Ευρώπης. Παράλληλα με τη χρήση της απλής γραμμικής παλινδρόμησης η επίδραση της θερμοκρασίας στην ισοτοπική σύσταση της κατακρήμνισης ερευνάται μέσω της φασματικής προσέγγισης. Υψηλές συσχετίσεις εμφανίζονται ανάμεσα στο δ18O και τη θερμοκρασία για την περιοδικότητα των 12 μηνών όπου η χρονικά μεταβαλλόμενη βαθμίδα δ18O-θερμοκρασίας αυξομειώνεται γύρω από τη μέση τιμή της για κάθε σταθμό. Για τους σταθμούς με χαμηλές τιμές εποχικού ισοτοπικού πλάτους (μικρή επίδραση του εποχικού φαινομένου) οι κλίσεις δ18O-θερμοκρασίας δεν είναι σταθεροί παρουσιάζοντας απότομες μεταβολές/αυξομειώσεις. Η επίδραση της θερμοκρασίας στο δ18O κυμαίνεται μεταξύ των 0.45‰/oC και 0.83‰/oC με υψηλότερες τιμές στους σταθμούς με αξιοσημείωτη εποχική ισοτοπική κατανομή της κατακρήμνισης τους.Το κεφάλαιο 5 περιγράφει την παγκόσμια χωρική κατανομή της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης. Πλεγματικά ισοτοπικά (δ18O και δ2H) δεδομένα στην κατακρήμνιση παράγονται χρησιμοποιώντας μία υβριδική διαδικασία που συνδυάζει την πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση και τη γεωστατιστική παρεμβολή λαμβάνοντας επίσης υπόψη την παγκόσμια ταξινόμηση του κλίματος κατά Köppen-Geiger (K-G ‘isoscapes’). Τα χωρικά K-G ισοτοπικά δεδομένα απεικονίζουν τα βασικά ισοτοπικά φαινόμενα που εξάγονται από τη διεργασία Rayleigh. Απεμπλουτισμένες ισοτοπικές τιμές εμφανίζονται στα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη (π.χ. στη Βόρεια Αμερική), στις περιοχές που βρίσκονται στην ενδοχώρα (π.χ. Σιβηρία) και στις περιοχές με μεγάλα υψόμετρο (π.χ. Άνδεις, Άλπεις και οροπέδιο του Θιβέτ). Ωστόσο τα πλεγματικά ισοτοπικά δεδομένα αποτυγχάνουν να εξηγήσουν την παρατηρούμενη ισοτοπική μεταβλητότητα της κατακρήμνισης στις περιοχές του ισημερινού. Στην περίπτωση αυτή τα ισοτοπικά πρότυπα καθώς επίσης και επίσης και τα χωρικά παρεμβαλλόμενα υπόλοιπα των ισοτοπικών προτύπων αδυνατούν να προσομοιώσουν άρτια την ισοτοπική σύσταση της κατακρήμνισης. Στις περιοχές αυτές κυριαρχούν τα μεγάλα ύψη βροχόπτωσης και οι ισχυρά υγρές μετεωρολογικές συνθήκες προκαλώντας έντονο ισοτοπικό απεμπλουτισμό στην συλλεγόμενη βροχόπτωση.Η αβεβαιότητα των πλεγματικών ισοτοπικών δεδομένων προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας τις αντίστοιχες αβεβαιότητες από τις μεθόδους της παλινδρόμησης και της γεωστατιστικής παρεμβολής. Οι μέσες τιμές της αβεβαιότητας υπολογίζονται ίσες με ±1.53‰ για το 18Ο και ±13.1‰ για το 2Η. Μικρές τιμές αβεβαιότητας εμφανίζονται στις περιοχές με επαρκές δίκτυο ισοτοπικών σταθμών ενώ οι περιοχές με μεγάλο υψόμετρο καθώς και αυτές που παρουσιάζουν μικρό αριθμό σημείων δειγματοληψίας χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές αβεβαιότητας. Γενικότερα, η προσαρμογή των ισοτοπικών προτύπων αποτελεί και τη βασικότερη πηγή για τις υπολογιζόμενες υψηλές αβεβαιότητες.Η αξιολόγηση των πλεγματικών ισοτοπικών δεδομένων επιτυγχάνεται συγκρίνοντας με πραγματικές μετρήσεις που προέρχονται από τη βάση ισοτοπικών δεδομένων του GNIP. Οι υψηλή συσχέτιση μεταξύ των δύο ισοτοπικών σετ (πλεγματικά και παρατηρήσεις) εξηγεί, α) την αρτιότητα των πλεγματικών δεδομένων στην απεικόνιση της ‘πραγματικής’ χωρικής κατανομής των ισοτόπων ανά την υφήλιο, και β) την ικανότητα προσέγγισης της ισοτοπικής σύστασης με χρήση της συνδυαστικής μεθόδου παλινδρόμησης-παρεμβολής.Επιπλέον μία από τις χρησιμότητες των πλεγματικών ισοτοπικών δεδομένων είναι η χρήση τους για την αξιολόγηση των γενικευμένων κλιματικών προτύπων. Σημαντικές χωρικές ισοτοπικές διαφορές εμφανίζονται μεταξύ των πλεγματικών ισοτοπικών δεδομένων κατά K-G και των ισοτοπικών προϊόντων από τα πρότυπα ECHAM και MIROC free. Αρνητικές τιμές παρατηρούνται σε τμήματα της βορειοδυτικής και κεντροανατολικής Αφρικής. Επίσης θετικές διαφορές στην ισοτοπική σύσταση εμφανίζονται στο νότιο Ιράν, στο Πακιστάν και στις βόρειες περιοχές της Ινδίας.Η διερεύνηση της ισοτοπικής σύστασης στις διάφορες ατμοσφαιρικές διεργασίες ανέδειξαν μία σειρά από μελλοντικούς άξονες για περαιτέρω έρευνα τόσο σε τοπικό επίπεδο (π.χ. Ελλάδα) όσο και σε πλανητικό επίπεδο.(1) Ισοτοπικός Άτλας της Ελλάδας: Διάφορες εργασίες έχουν πραγματοποιηθεί με σκοπό τη μελέτη της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης, των πηγών και των υπόγειων υδάτων στον ελλαδικό χώρο. Ωστόσο, στην περίπτωση της κατακρήμνισης μόνο τρεις σταθμοί που συμπεριλαμβάνονται στο δίκτυο GNIP παραμένουν ενεργοί, ενώ η διαθεσιμότητα των δεδομένων καλύπτει μία χρονική περίοδο 10 χρόνων. Αυτό συνιστά την αναγκαιότητα της σύστασης ενός τοπικού δικτύου ακόμα και για περιορισμένο χρονικό διάστημα με σκοπό τη λήψη ισοτοπικών δεδομένων της κατακρήμνισης, των επιφανειακών υδάτων κ. ά. για την δημιουργία του ισοτοπικού Άτλα στην Ελλάδα. Η προσπάθεια αυτή μπορεί να προσφέρει χρήσιμες πληροφορίες στους υδρολόγους με τομέα έρευνας τη διαχείριση των υδάτινων πόρων.(2) Σταθερά ισότοπα από κλιματικά αρχεία: Η μελέτη του παλαιου-κλίματος με χρήση σταθερών ισοτόπων από κλιματικά αρχεία είναι ιδιαίτερα σημαντική. Σε συνεργασία με τοπικές και κρατικές αρχές, η συστηματική παρακολούθηση των σταθερών ισοτόπων από κλιματικά υποκατάστατα (proxies) στην Ελλάδα είναι απαραίτητη για την διερεύνηση των πιθανών περιοδικοτήτων του κλίματος. Η συστηματική και συνδυαστική μελέτη των διάφορων υποκατάστατων με διαφορετική γεωγραφική προέλευση δύναται να επιτρέψει την ανασύσταση των παλαιο-κλιματικών συνθηκών.(3) Ανάλυση των περιοδικοτήτων της ισοτοπικής σύστασης στην κατακρήμνιση σε συνδυασμό με τις συνθήκες ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας: Η μεταβλητότητα της ισοτοπικής σύστασης της κατακρήμνισης εξαρτάται από τους διαφορετικούς τύπους της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας. Η χρονικά μεταβαλλόμενη ισοτοπική υπογραφή της κατακρήμνισης λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία ατμοσφαιρικών δεικτών όπως η κύμανση του Βορείου Ατλαντικού, μπορεί να συμβάλει στην ανασύσταση των παλαιών συνθηκών της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας με απώτερο σκοπό την καλύτερη γνώση και την επεξήγηση των παρουσών και των μελλοντικών κλιματικών μεταβολών.(4) Χωρική κατανομή της εξατμισοδιαπνοής: Μία από τις σημαντικότερες συνιστώσες του υδρολογικού κύκλου αποτελεί η εξατμισοδιαπνοή. Επειδή η ισοτοπική διερεύνηση του φαινομένου της εξατμισοδιαπνοής είναι δύσκολη και μεγάλου οικονομικού κόστους, η ανάπτυξη χωρικών ισοτοπικών δεδομένων της εξατμισοδιαπνοής προβάλει ως η εναλλακτική επιλογή για την καλύτερη γνώση του συστήματος Ατμόσφαιρα-Έδαφος-Φυτά. Η χωρική ισοτοπική κατανομή της εξατμισοδιαπνοής μπορεί επίσης να αποτελέσει ένα σημαντικό εργαλείο για την βελτίωση και την αξιολόγηση των Γενικευμένων Προτύπων Κυκλοφορίας που είναι εφοδιασμένα με ισοτοπικά πρότυπα για την προσομοίωση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο έδαφος.