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L2140-i為17O-盈余測量提供助力

來源:北京世紀朝陽科技發(fā)展有限公司   2020年05月07日 14:25  

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個原子質(zhì)量單位差)的偏好大約是對17O相對16O(1個原子質(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)先進入液相剩下的水蒸氣δ18O逐漸變小。相反,較之于云團本身的δ18O,降雨中18O就變得豐富。如果我們評估相同的事件中δ17O,傾向于17O進入液相的優(yōu)先度大約是18O的一半。因此, 云團剩余的水和降雨中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)點的斜率大約0.5(圖1和圖2)。

圖1. 大氣水汽的δ18O與δ17O關(guān)系圖,以及δ18O和17O-盈余關(guān)系圖圖形來自Luz Barkan, 2010; 數(shù)據(jù)來自 Barkan Luz, 2005; Luz 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,仔細觀察就會發(fā)現(xiàn),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  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:

 

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。在這個例子中,來自LuzBarkan(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?,F(xiàn)在擴散到干燥的空氣中,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。因為17O-盈余溫度的變化不太敏感,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)與相對濕度呈負相關(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,這是一個復(fù)雜且費時的方法,且只能在實驗室進行, < 10個實驗室用傳統(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

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)上對其進行改進,通過減少樣品注射次數(shù)和延長每個注入樣品的分析時間來獲得更高的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驗室并支付高額的測樣費用的煩擾。

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