水汽、降水与积雪中水稳定同位素检测方案(同位素质谱仪)

Picarro博客 监测南极地区水汽、降水和积雪表面的同位素组成（δ18O、δD） 　　在Picarro 公司，我们乐于听到研究小组如何将我们的系统运用到他们的项目中。来自圣彼德堡北极与南极研究所(AARI)的安娜·科萨切克(Anna Kozachek)花时间撰写了一篇短文，其中讲述了她的团队如何在南极环航探险 (ACE) 项目中使用 Picarro L2130-i 和 L2120-i 的详情。 　　南极环航探险(ACE)由萌睿基金会(ACE Foundation)、瑞士极地研究所(SPI)和俄罗斯圣彼得堡的北极与南极研究所(AARI)共同组织发起。探险队一起登上俄罗斯特列什尼科夫院士(Akademik Tryoshnikov)号考察船（图 2）。 　　探险队此行的主要目的是环航南极洲，沿着环航路线进行海洋观测和气象观测，同时对亚南极洲和南极诸岛进行陆地观测。探险队从开普敦(Cape Town)出发，将于92天后返航。详细路线如图3所示。 　　此次探险活动承载着来自七个不同国家和地区的55名科学家着手进行的 22 个项目。这个名为“亚南极岛屿生态系统的演变及其现状”的 AARI 项目涉及了若干项研究课题，包括湖泊沉积物取样、岛上土壤取样、过去海平面变化的地貌观测、大气中悬浮微粒的测量和大气水汽的同位素组成。 　　我们的实验室，即 AARI 的气候与环境研究实验室，此行的主要考察任务是通过冰芯数据研究古气候。在过去几个世纪，南极洲长期缺少气象站，人们记录高频气候变化的唯一途径就是测量南极洲不同位置处浅冰芯中的水稳定同位素组成。然而，水稳定同位素的记录数据却不能直接转化为温度等气候参数。事实上，即使南极洲积雪的同位素组成（δ18O 或 δD）与降水的温度紧密相关，也会受到南极洲不同地区沉积气团的来源和运动轨迹的强烈影响。因此，在气团登陆之前，必须界定南极洲周围海域水团中水汽的同位素组成。有了用来了解气候系统的重要数据，人们在格陵兰(Greenland)地区开展了类似的研究(Steen-Larsen et al.Clim.Past, 10, 377–392, 2014)。 　　为了对水汽分析做相应补充，我们还计划研究岛屿冰川上的积雪、粒雪和冰层同位素组成，还会研究冰川上的雪坑和浅冰芯。为了获得有关同位素组成年际变化的信息，我们会根据每个岛屿上的雪积累率来选取采样分辨率。 测量设置 　　为了测量水汽同位素组成，我们采用了 Picarro 仪器和仪表。特列什尼科夫院士 Akademik Tryoshnikov 考察船会返航到德国不来梅哈芬市 (Bremerhaven)。我们从考察船在该市的起航点开始测量，即包括大西洋断面以及 ACE 项目之旅的相关内容。在从不来梅哈芬到霍巴特 (Hobart) 的途中，我们只使用了一台仪器，即 AARI 的 Picarro L2130-i，外加由哥本哈根大学提供的、在 Steen-Larsen et al., Atmos.Chem.Phys., 14, 7741–7756, 2014 中所述的校准装置。从霍巴特到开普敦的第二站，我们还使用了我们的 Picarro L2130-i和 Picarro SDM（图1展示了安装详情）。 　　这使我们能够善加利用考察船不同侧面的两个进气口，并避免因校准而产生的测量误差；尽管如此，我们仍多次使用了来自自制校准设备产生的同一水汽同时对仪器进行校准。 　　我们使用了位于考察船主甲板上的两个进气口，即海平面以上约10米。这两个进气口分别位于考察船的右舷和左舷。我们对进气口使用了直径为¼”的铜管。将铜管加热至 50°C以免内部水汽发生凝结。我们还使用了额外的泵来加快从外部向分析仪输送空气的速度。 测试结果 　　将所得数据与路途上的天气观测资料（气温、相对湿度、风速和风向）以及气团运动轨迹数据一起进行分析。在这里，我们可以得出初步结果。在大西洋上空，水汽的同位素组成会随气候带的变化而有所不同；而在南极海域上空，这个参数的变化幅度则在很大程度上取决于当地的气象状况。 　　我们总共获得了约 1000 万个数据点。作为该数据集的一个示例，我们展示了沿着从南极洲到彭塔阿雷纳斯(Punta Arenas)的途中水汽的同位素组成。（图4） 　　如图所示，Picarro L2130-i 相比 L2120-i 更加精确，而在比较氘过量(d-excess)图时也更加明显。此外，当大气湿度远低于仪器的灵敏度区间时，Picarro L2130-i 的性能会优于 L2120-i。 　　两台校准设备用来校准 Picarro 分析仪、Picarro SDM 和自制系统。在航行途中，我们发现这些设备各有利弊。首先，也是最重要的一点，Picarro SDM 较之自制设备具有更佳的用户友好性。然而，软件则禁止在大于 24000 ppm 的湿度水平下对仪器进行校准，这一数值远低于赤道处的湿度（编者注：实际上是 30,000 ppm，同时作者和其他的海洋船舶研究已经将 d18O 和 dD 的校准浓度水平超过 40,000 ppm H2O）。另一点是使用自制设备同时校准多台仪器的可能性，而这则是使用 SDM 无法实现的。 　　最后，我们想提的是：在探险期间，所有的 Picarro 设备都能完美运行，以便我们能够完成各种测量项目。 　　Picarro设备为我们提供了各种工具，这些工具支持我们为表征气候随着时间推移而发生变化所实施的实地研究和实验室研究工作。冰芯数据在格陵兰延续了近 123,000 年，而在南极洲则延续了 800,000年。为了从这些丰富的记录中开发出更加完整的气候模型，需要获得从海洋观测和陆地观测资料中收集的水汽和表层冰研究的额外数据。         AARI 的气候与环境研究实验室此行的主要考察任务是通过冰芯数据研究古气候。在过去几个世纪，南极洲长期缺少气象站，人们记录高频气候变化的唯一途径就是测量南极洲不同位置处浅冰芯中的水稳定同位素组成。然而，水稳定同位素的记录数据却不能直接转化为温度等气候参数。事实上，即使南极洲积雪的同位素组成（δ18O 或 δD）与降水的温度紧密相关，也会受到南极洲不同地区沉积气团的来源和运动轨迹的强烈影响。因此，在气团登陆之前，必须界定南极洲周围海域水团中水汽的同位素组成。有了用来了解气候系统的重要数据，人们在格陵兰(Greenland)地区开展了类似的研究(Steen-Larsen et al.Clim.Past, 10, 377–392, 2014)。　　为了对水汽分析做相应补充，我们还计划研究岛屿冰川上的积雪、粒雪和冰层同位素组成，还会研究冰川上的雪坑和浅冰芯。为了获得有关同位素组成年际变化的信息，我们会根据每个岛屿上的雪积累率来选取采样分辨率。