早期的理論和實驗表明,降水中17O-盈余(即17O-excess)的變化源自水源區(qū)域相對濕度的變化。然而,隨后對極地和干旱地區(qū)降水17O-盈余的研究表明,其他分餾作用的重要性(如積雪形成以及雨滴再蒸發(fā)過程),降低了海洋水汽源區(qū)域的相對濕度。研究展示了位于東亞季風區(qū)一個海島上兩年的降水17O-盈余記錄,并重建了水汽源區(qū)域的相對濕度。結果表明,亞熱帶島嶼降水17O-盈余在很大程度上是由海洋蒸發(fā)過程中的擴散分餾決定。因此,測量熱帶/亞熱帶地區(qū)的降水17O-盈余,可以成為海洋水分源區(qū)域相對濕度表征的一種*定量示蹤方法。
1、17O-盈余背景介紹
1964年,Dansgaard提出,降水中的氧和氫同位素比(分別為δ18O和δD)可用作水循環(huán)的示蹤方法。 這兩種同位素比率的組合產生了一個水分源參數(shù),即氘-盈余(d-盈余 = δD - 8 δ18O),其源于蒸發(fā)過程中的擴散分餾,并表示為非零截距大氣水線(Craig,1961年)。同位素模型預測 d-盈余可以有效反映海洋水分源中的相對濕度和海面溫度,該理論得到了邊界層水汽觀測結果的支持。
科技進步讓我們可以使用一個稱為17O-excess 的新參數(shù)。同位素組成δ 表示(δ= Rsample / Rref -1)以per mil(‰)表示,其中R是同位素比,Rsample和Rref 分別是樣品和參考水的同位素比。 使用對數(shù) δ 表示:
δ= ln(δ+1)= ln(Rsample / Rref))
17O-盈余定義如下:
17O-盈余 = δ17O− 0.528×δ18O
其中per meg(= 1×10-6)為17O-盈余的單位。
類似于d-盈余,17O-盈余是由海洋蒸發(fā)過程中擴散同位素分餾引起的。此外,理論和實驗都表明 17O-盈余反映了海洋表面相對濕度的變化,且 17O-盈余的溫度依賴性小于d-盈余的溫度依賴性。實際上,對海洋上空大氣水蒸汽的觀測表明,17O-盈余與相對濕度呈負相關。為了評估降水中17O-盈余能否作為海洋水分源區(qū)域相對濕度的替代指標,研究者測量了沖繩副熱帶島嶼上降水中的17O-盈余。該島上的降水是進行這種評估的理想樣本,因為(i)空氣中的高濕度使雨滴的再蒸發(fā)作用小化;(ii)強東亞季風導致整個熱帶地區(qū)相對濕度出現(xiàn)季節(jié)性變化。
2、 穩(wěn)定同位素測量
配置了高精度氣化室的光腔衰蕩光譜儀 L2140-i,同時測量δ17O,δ18O和δD值。為了獲得足夠精度的17O-盈余,需要進行多次重復測量。因此,我們使用了一個350μL的樣品瓶,并用環(huán)氧樹脂密封了樣品瓶內壁和外壁之間的間隙,以防止蒸發(fā)。
每組測量包括20個樣品和兩個工作標準樣品。工作標品使用 VSMOW – SLAP 進行標定。每次進樣1μL,每個樣品進行10次進樣測量。使用平均值的標準誤差(1σ/√n;以下稱SE),估算不確定度分別為δ17O:0.007‰,δ18O:0.008‰ 以及 δD:0.05‰、17O-盈余和d-盈余分別為5 per meg和0.09‰。
3.1、 GISP水中的17O-盈余
對于原子能機構(IAEA)提供的格陵蘭冰蓋降水(GISP)的δ18O和δD測量值分別為-24.774±0.033(±1σ)和-189.39±0.30 ‰??紤]到測量次數(shù),基于標準誤差的不確定度對于δ18O為±0.007‰,對于δD為±0.07‰。為了進行比較,IAEA推薦的δ18O值為-24.76±0.01‰,而δD的推薦值為-189.5±0.2‰。測量結果表明,δ18O和δD在誤差范圍內且與推薦值高度吻合,研究所采用的校準方法與測量方法都是可信的。
在這項研究中,GISP水的17O-盈余值為33±12 per meg(±1σ)。這些17O-盈余數(shù)據表現(xiàn)出正態(tài)頻率分布,表明系統(tǒng)誤差可忽略不計。將重復測量次數(shù)計入標準誤差,我們對GISP水的17O-盈余測量值為33±2 per meg。為了進行比較驗證,可以參考近年使用不同測量方法報告的結果:OFF-ICOS:23±2 per meg,IRMS:28±4 per meg,CRDS:27±4 per meg。 將這些結果經過 VSMOW-SLAP 歸一化,不同測量方法平均值為27±11 per meg(±1σ),表明本次測量數(shù)據與多種方法測量結果在誤差范圍內是一致的。
3.2 、降水17O-盈余
沖繩島上的降水同位素組成和氣象數(shù)據見圖2。通過降水加權平均值計算每月同位素比。在溫度和相對濕度方面觀察到明顯的季節(jié)性周期,二者在夏季均較高,而在冬季均較低。在雨季和夏季(4-9月),降水量呈不規(guī)則規(guī)律,但通常較大。17O-盈余同樣反映出明顯的季節(jié)性,夏季偏低(5–25 permeg),冬季較高(25–50 permeg)。
圖2. 沖繩降水氧同位素比和氣象數(shù)據的關系圖:
(a)月降水δ18O和δ17O加權平均值
(b)細線為每周降水17O-盈余,粗線為每月降水17O-盈余的加權平均值
(c)氣象站記錄的每月相對濕度
(d)氣象站記錄每月降水量(藍線)和氣溫(紅線)。
3.3 、相對濕度濕度與17O-盈余
沖繩島降水17O-盈余與相對濕度呈負相關關系(圖3),這與對海洋蒸發(fā)模型的預測相符。由于沖繩島被海洋所包圍,因此那霸氣象站(距海岸3公里)的濕度主要受海洋相對濕度變化的影響。與此相反,在西非的降水17O-盈余觀察到明顯的雨滴再蒸發(fā)效應:在較低濕度條件下觀測到的17O-盈余值較低,可歸因為雨滴再蒸發(fā)所致,降水17O-盈余值與相對濕度呈正相關(圖3)。在雨滴再蒸發(fā)模型中,高相對濕度下的再蒸發(fā)量很低,雨滴和周圍的水蒸氣接近同位素平衡。由于沖繩島濕度較高,雨滴再蒸發(fā)的影響可以忽略不計。因此,研究中觀測到的17O-盈余與相對濕度之間的負相關也表明,雨滴蒸發(fā)過程的影響微不足道。
圖3. 17O-盈余與采樣點的相對濕度圖,包括:
紅色圓點:那霸氣象站相對濕度與降水17O-盈余的關系;
藍色正方形:南部海域的水汽17O-盈余與相對濕度的關系;
三角形:西非降水17O-盈余與相對濕度的關系
虛線:每個數(shù)據集的線性回歸。
4 、總結
沖繩島上17O-盈余表現(xiàn)出明顯的季節(jié)因素。根據降水17O-盈余,使用簡單的蒸發(fā)模型,即可重建海洋水氣源區(qū)域中經海表溫度歸一化的相對濕度,與觀測到的相對濕度表現(xiàn)出很好的一致性。這些結果表明,通過擴散同位素分餾強度的變化,沖繩島上降水中的17O-盈余主要受水氣源區(qū)域影響的相對濕度的控制。因此,在潮濕的熱帶和亞熱帶地區(qū),17O-盈余是調查過去和現(xiàn)在的水文地質循環(huán)的重要而*的示蹤方法。
以上內容出自琉球大學化學生物和海洋科學系上野優(yōu)名與上村龍教授的研究報告。
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