Picarro L2140-i（冰與水的氫氧同位素的分餾平衡）

水相（蒸汽、液體和固體）的同位素組成能夠在不同的空間和時(shí)間尺度上保存了有關(guān)水文信息。冰的形成和融化是大氣、陸地和海洋水文收支的重要組成部分。不平衡凍結(jié)在自然和人工環(huán)境中很常見(jiàn)。因此，為了在各種環(huán)境中解釋水的同位素組成，了解水的固體和液體之間¹⁸O、¹⁷O和²H的平衡分餾因子至關(guān)重要。

冷凍實(shí)驗(yàn)在500ml 模塊化夾套反應(yīng)器中進(jìn)行（圖1）。連續(xù)監(jiān)測(cè)外護(hù)套和水的溫度。我們通過(guò)調(diào)節(jié)外套溫度來(lái)控制冷凍速度。控制凍結(jié)溫度在−12到−0.9℃之間，允許冷凍速率在0.01和0.70 ml /h/cm²。在所有實(shí)驗(yàn)中以50rpm的轉(zhuǎn)速連續(xù)攪拌大量水，以避免由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的同位素分餾。在淡水和海水實(shí)驗(yàn)，我們分別使用DDW（低氘水，deuterium depleted water，18 MΩcm）和從東地中海（以色列阿特利特）海岸收集的過(guò)濾海水。

圖1.用于限制冰、淡水和海水之間的三重氧和氫同位素分餾的實(shí)驗(yàn)裝置。淡水實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)算凍結(jié)率的內(nèi)表面積為314.16 cm²。

本文通過(guò)Picarro L2140-i光腔衰蕩光譜儀對(duì)殘余液態(tài)水和融化冰中的¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H進(jìn)行了同位素測(cè)量，并利用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物VSMOW2和SLAP2進(jìn)行了校準(zhǔn)。自動(dòng)進(jìn)樣針選擇了10μL SGE自動(dòng)取樣器注射器。在儀器高精度模式下（每次注射9分鐘）注射樣品10次，信號(hào)水平在19000至21000 ppmv之間。作者通過(guò)安裝Picarro鹽襯墊阱解決高鹽溶液測(cè)量精度較低的問(wèn)題。最終儀器在淡水和海水溶液中的δ¹⁷O、δ¹⁸O和δ²H值的分析精度（1σ）分別為0.050‰、0.050‰和0.400‰

水在凍結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)的其三種氧同位素的分餾是水的基本特征之一，了解這一性質(zhì)對(duì)于重建自然界中水文循環(huán)過(guò)程至關(guān)重要。本文通過(guò)限制淡水和海水的分餾平衡，做了一系列控制不同溫度和冷凍速率的冷凍實(shí)驗(yàn)。本文認(rèn)為冷凍速率最低的淡水冷凍實(shí)驗(yàn)，是最接近同位素平衡的，分別產(chǎn)生了¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H的 2.82±0.12‰、1.49±0.07‰和20.05±0.72‰的分餾。最慢的冷凍海水實(shí)驗(yàn)，分別產(chǎn)生¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H的2.92±0.08‰、1.55±0.03‰和21.18±1.85‰的分餾。淡水和海水中的¹⁸O^/16O和²H/¹H分餾估計(jì)值彼此之間存在誤差，與過(guò)去的估計(jì)值大體一致。本文新確定的¹⁷O/¹⁶O分餾將水凍結(jié)過(guò)程中的三重氧質(zhì)量依賴(lài)性限制約為0.528，盡管結(jié)果仍有較大的不確定性。如果這種質(zhì)量依賴(lài)性是準(zhǔn)確的，那么水文循環(huán)中的冰形成和融化過(guò)程也將對(duì)全球大氣水線上的產(chǎn)生巨大影響。

Picarro L2140-i 同位素水分析儀能夠同時(shí)測(cè)量&delta;¹⁸O、&delta;¹⁷O 和 &delta;D，且 ¹⁷O-盈余的測(cè)定精度可優(yōu)于15 per meg（< 0.015&permil; ）?？茖W(xué)家現(xiàn)在有了一個(gè)更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)的選擇，可以高精度測(cè)量液態(tài)和氣態(tài)水中的穩(wěn)定同位素比。

¹⁷O-盈余的測(cè)量與 &delta;¹⁸O 和 &delta;D 的高精度測(cè)量相結(jié)合，確保地球科學(xué)家能夠通過(guò)研究加深我們對(duì)當(dāng)今氣候以及水圈和生物圈之間相互作用的理解，并幫助重建過(guò)去的氣候。 ¹⁷O-盈余在自然界中的偏差通常低于 0.1&permil;，所以量化 &delta;¹⁷O 極小偏差的能力，對(duì)于古氣候、（生態(tài)）水文學(xué)和大氣科學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)必不可少。

所有三種氧同位素（ ¹⁶O ¹⁸O 和 ¹⁷O）的高精度測(cè)量一度局限于高度專(zhuān)業(yè)化的實(shí)驗(yàn)室。這些實(shí)驗(yàn)室擁有昂貴、復(fù)雜的樣品制備系統(tǒng)，用于同位素比值質(zhì)譜（IRMS）分析。而 Picarro L2140-i 分析儀只需按下按鈕便能對(duì) ¹⁷O-盈余進(jìn)行精度達(dá)到甚至優(yōu)于 15 per meg 的水平進(jìn)行測(cè)量。水樣可以直接引入分析儀，不論是直接以水汽的形式，或者是以蒸發(fā)液態(tài)水的方式。&delta;¹⁸O、&delta;¹⁷O、&delta;D 和 ¹⁷O-盈余高效、簡(jiǎn)單和同步的測(cè)量增加了三種氧同位素研究的可行性。這使科學(xué)家能夠輕松擴(kuò)展 ¹⁷O-盈余數(shù)據(jù)集，并通過(guò)有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和野外活動(dòng)探索自然界。

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