監測南極水蒸汽、降水和積雪表面的同位素組成

Picarro | 監測南極地區水蒸汽、降水和積雪表面的同位素組成（δ18O、δD）

　　文章來源：Picarro Blog

　　在Picarro公司，我們樂于聽到研究小組如何將我們的系統運用到他們的項目中。來自圣彼德堡北極與南極研究所(AARI)的安娜·科薩切克(Anna Kozachek)撰寫了一篇短文，其中講述了她的團隊如何在南極環航探險 (ACE) 項目中使用Picarro L2130-i和L2120-i的詳情。

　　南極環航探險(ACE)由萌?；饡?ACE Foundation)、瑞士極地研究所(SPI)和俄羅斯圣彼得堡的北極與南極研究所(AARI)共同組織發起。

探險隊一起登上俄羅斯特列什尼科夫院士(Akademik Tryoshnikov)號考察船。

　　探險隊此行的主要目的是環航南極洲，沿著環航路線進行海洋觀測和氣象觀測，同時對亞南極洲和南極諸島進行陸地觀測。探險隊從開普敦(Cape Town)出發，將于92天后返航。

詳細路線圖

　　此次探險活動承載著來自七個不同國家和地區的55名科學家著手進行的22個項目。這個名為“亞南極島嶼生態系統的演變及其現狀”的 AARI 項目涉及了若干項研究課題，包括湖泊沉積物取樣、島上土壤取樣、過去海平面變化的地貌觀測、大氣中懸浮微粒的測量和大氣水蒸汽的同位素組成。

　　我們的實驗室，即AARI的氣候與環境研究實驗室，此行的主要考察任務是研究冰芯數據中的古氣候。在過去幾個世紀，南極洲長期缺少氣象站，人們記錄高頻氣候變化的唯一途徑就是測量南極洲不同位置處淺冰芯中的水穩定同位素組成。然而，水穩定同位素的記錄數據卻不能直接轉化為溫度等氣候參數。事實上，即使南極洲積雪的同位素組成（δ¹⁸O或δD）與降水的溫度緊密相關，也會受到南極洲不同地區沉積氣團的來源和運動軌跡的強烈影響。因此，在氣團登陸之前，必須限定南極洲周圍海域水團中水蒸汽的同位素組成。有了用來了解氣候系統的重要數據，人們在格陵蘭(Greenland)地區開展了類似的研究(Steen-Larsen et al.Clim.Past, 10, 377–392, 2014)。

　　為了對水蒸汽分析做相應補充，我們還計劃研究島嶼冰川上的積雪、粒雪和冰層同位素組成，還會研究冰川上的雪坑和淺冰芯。為了獲得有關同位素組成年際變化的信息，我們會根據每個島嶼上的雪積累率來選取采樣分辨率。

　　【測量設置】

　　為了測量水蒸汽同位素組成，我們采用了 Picarro 儀器和儀表。特列什尼科夫院士Akademik Tryoshnikov考察船會返航到德國不來梅哈芬市 (Bremerhaven)。我們從考察船在該市的起航點開始測量，即包括大西洋斷面以及 ACE 項目之旅的相關內容。在從不來梅哈芬到霍巴特 (Hobart) 的途中，我們只使用了一臺儀器，即AARI 的Picarro L2120-i，外加由哥本哈根大學提供的、在Steen-Larsen et al., Atmos.Chem.Phys., 14, 7741–7756, 2014中所述的校準裝置。從霍巴特到開普敦的第二站，我們還使用了我們的 Picarro L2130-i和 Picarro SDM。

安裝詳情

　　這使我們能夠善加利用考察船不同側面的兩個進氣口，并避免因校準而產生的測量誤差；盡管如此，我們仍多次使用了來自自制校準設備產生的相同蒸氣同時對儀器進行校準。

　　我們使用了位于考察船主甲板上的兩個進氣口，即海平面以上約10米。這兩個進氣口分別位于考察船的右舷和左舷。我們對進氣口使用了直徑為?”的銅管。將銅管加熱至50°C以免內部蒸氣發生凝結。我們還使用了額外的泵來加快從外部向分析儀輸送空氣的速度。

　　【測量結果】

　　將所得數據與沿路線的天氣觀測資料（氣溫、相對濕度、風速和風向）以及氣團運動軌跡數據一起進行分析。在這里，我們可以得出初步結果。在大西洋上空，水蒸汽的同位素組成會隨氣候帶的變化而有所不同；而在南極海域上空，這個參數的變化幅度則在很大程度上取決于當地的氣象狀況。

　　我們總共獲得了約1000萬個數據點。作為該數據集的一個示例，我們展示了沿著從南極洲到彭塔阿雷納斯(Punta Arenas)的途中水蒸汽的同位素組成。

　　如圖所示，Picarro L2130-i 相比 L2120-i更加精確，而在比較氘過量(d-excess)圖時也更加明顯。此外，當大氣濕度遠低于儀器的靈敏度區間時，Picarro L2130-i的性能會優于 L2120-i。

　　兩臺校準設備用來校準 Picarro 分析儀、Picarro SDM 和自制系統。在航行途中，我們發現這些設備各有利弊。首先，也是最重要的一點，Picarro SDM 較之自制設備具有更佳的用戶友好性。然而，軟件則禁止在大于 24000 ppm 的濕度水平下對儀器進行校準，這一數值遠低于赤道處的濕度（編者注：我認為它實際上是 30,000 ppm，同時我承認你們的和其他的海洋船舶研究已經將或δ¹⁸O或δD繪制超過 40,000 ppm H₂O – ig）。另一點是使用自制設備同時校準多臺儀器的可能性，而這則是使用 SDM 無法實現的。

　　最后，我們想提的是：在探險期間，所有的 Picarro 設備都能完美運行，以便我們能夠完成各種測量程序。

　　Picarro設備為我們提供了各種工具，這些工具支持我們為表征氣候隨著時間推移而發生變化所實施的實地研究和實驗室研究工作。冰芯數據在格陵蘭延續了近123,000年，而在南極洲則延續了800,000年。為了從這些豐富的記錄中開發出更加完整的氣候模型，需要獲得從海洋觀測和陸地觀測資料中收集的水蒸汽和表層冰研究的額外數據。