L2140-i為17O-盈余測量提供助力

摘要：什么是¹⁷O-盈余？為什么要測量¹⁷O-盈余 ? 如何測試¹⁷O-盈余？

     在水中氫、氧穩(wěn)定同位素研究領(lǐng)域，雖然大多數(shù)研究關(guān)注于氧重穩(wěn)定同位素¹⁸O和更普遍的輕同位素¹⁶O，卻常常忽略了另外一個(gè)氧同位素¹⁷O。¹⁷O在自然態(tài)氧的組成中少于0.04%，但是它可以通過冰芯研究過去的濕度；通過葉片和莖稈可以研究蒸散；通過液態(tài)水可以研究常規(guī)的蒸發(fā)機(jī)制。

背景知識拓展：

   在幾乎所有的自然過程中，對一種同位素的偏好與每種同位素的質(zhì)量有關(guān)——通常被稱為“質(zhì)量依賴分餾”。對于氧，這意味著對¹⁸O相對于¹⁶O(2個(gè)原子質(zhì)量單位差)的偏好大約是對¹⁷O相對¹⁶O(1個(gè)原子質(zhì)量單位差)的偏好的兩倍。例如，考慮降雨事件中氧同位素的分餾: 由于水分子中化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，¹⁸O優(yōu)先進(jìn)入液相，剩下的水蒸氣δ¹⁸O逐漸變小。相反，較之于云團(tuán)本身的δ¹⁸O，降雨中的¹⁸O就變得豐富。如果我們評估相同的事件中δ¹⁷O，傾向于¹⁷O進(jìn)入液相的優(yōu)先度大約是¹⁸O的一半。因此, 云團(tuán)剩余的水份和降雨中的δ¹⁷O大約是δ¹⁸O的一半。通過繪制δ¹⁸O與δ¹⁷O關(guān)系圖可以看出其數(shù)據(jù)點(diǎn)的斜率大約為0.5(圖1和圖2)。

圖1. 大氣水汽的δ^’18O與δ^’17O關(guān)系圖，以及δ^’18O和¹⁷O-盈余關(guān)系圖（圖形來自Luz 和Barkan, 2010; 數(shù)據(jù)來自 Barkan和 Luz, 2005; Luz 和Barkan, 2010; Landais 等人, 2008)。大氣水與海水相比¹⁷O-盈余更高。

什么是¹⁷O-盈余？

除了少數(shù)例外，幾乎所有的地球物質(zhì)的水同位素都落在這條線上。然而，仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)，該坡度并不*是0.5，而是稍微大一些，而且不同的過程會導(dǎo)致不同的坡度。特別是，幾乎所有的大氣降水，從熱帶到極地地區(qū)的冰，其斜率為0.528 (Meijer 和 Li, 1998)。該斜率是液相與氣相平衡分餾綜合效應(yīng)的體現(xiàn)(斜率為0.529; Barkan和Luz, 2005)和動力學(xué)過程，如蒸發(fā)、凝結(jié)、空氣中的水蒸氣擴(kuò)散和葉片蒸騰，所有這些都與較淺的斜坡有關(guān)(< 0.52)。

為評估δ¹⁷O和δ¹⁸O之間的異常關(guān)系,科學(xué)家們定義了參數(shù)?¹⁷O：

圖2 為了幫助展示¹⁷O-盈余是如何表現(xiàn)出來的，可以用不同斜率的過程矢量圖。在這個(gè)例子中，來自Luz和Barkan(2010)，展示了¹⁷O-盈余的海洋水蒸氣起源。在海洋附近形成的水汽(100%濕度)將遵循平衡分餾，斜率為0.529，使¹⁷O相對于大氣降水線略有減少。現(xiàn)在擴(kuò)散到干燥的空氣中，斜率下降到~0.518。這導(dǎo)致水蒸氣中的¹⁷O-盈余，這將隨著氣團(tuán)的相對濕度而演變。

為什么測試¹⁷O-盈余？

?¹⁷O被稱為“¹⁷O-盈余”, 它量化了與“大氣降水線”的偏差，這里λ= 0.528。因?yàn)?/span>¹⁷O-盈余對溫度的變化不太敏感，其可以用來探測水文系統(tǒng),對傳統(tǒng)的“氘-盈余”方法(d-盈余=δD-8δ¹⁸O)基礎(chǔ)上添加了額外的信息。Uemura 等人(2010)測量海洋水汽¹⁷O-盈余,發(fā)現(xiàn)其與相對濕度呈負(fù)相關(guān), 而來自極地冰芯的¹⁷O-盈余記錄提供了關(guān)于過去水循環(huán)變化的有價(jià)值的信息，例如，海洋上相對濕度的大規(guī)模變化；降水的水分來源 ((Landais 等人, 2008; Winkler等人, 2012)。

如何測試¹⁷O-盈余？

通常情況下，¹⁷O-盈余的量往往非常小(小于0.01‰)，因此，需要非常高精度的測量(通常為5-8 per meg)。這也使得對¹⁷O-盈余的測量極其困難，通常需要*精度的儀器設(shè)備（精度優(yōu)于0.01 ‰, 或10 per meg）才能捕捉到；其次，傳統(tǒng)的技術(shù)測量¹⁷O需要將其轉(zhuǎn)化為O₂，這是一個(gè)復(fù)雜且費(fèi)時(shí)的方法，且只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行， < 10個(gè)實(shí)驗(yàn)室用傳統(tǒng)的IRMS技術(shù)來測定¹⁷O-盈余。

方法推薦：

華盛頓大學(xué)Andrew J. Schauer等學(xué)者采用

Picarro L2140-i 超高精度液態(tài)水同位素分

析儀，在原測樣方法的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)，通過減少樣品注射次數(shù)和延長每個(gè)注入樣品的分析時(shí)間來獲得更高的¹⁷0和¹⁷O-盈余測量精度，為簡單的和連續(xù)測量δ¹⁸O δ¹⁷O δD和¹⁷O-盈余提供了可能。

測量結(jié)果：

使用改進(jìn)后的高精度模式獲得δD，δ¹⁷O，δ¹⁸O，d和Δ¹⁷O精度分別為0.4 mUr，0.04 mUr，0.07 mUr，0.5 mUr和8μUr，其中mUr = 0.001 =‰，μUr= 10^–6。通過改進(jìn)Picarro L2140-i的測量方法，使原本¹⁷O-excess確保精度在15 per meg能提高到8 per meg；這個(gè)質(zhì)的提升可以為更多的科研學(xué)者們解決質(zhì)譜儀做¹⁷O-盈余繁雜，需要將樣品寄到國外實(shí)驗(yàn)室并支付高額的測樣費(fèi)用的煩擾。

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