L2140-i為17O-盈余測量提供助力

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、氧穩定同位素研究領域，雖然大多數研究關注于氧重穩定同位素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；通過液態水可以研究常規的蒸發機制。

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量有關——通常被稱為“質量依賴分餾”。對于氧，這意味著對¹⁸O相對于¹⁶O(2個原子質量單位差)的偏好大約是對¹⁷O相對¹⁶O(1個原子質量單位差)的偏好的兩倍。例如，考慮降雨事件中氧同位素的分餾: 由于水分子中化學鍵的穩定性，¹⁸O優先進入液相，剩下的水蒸氣δ¹⁸O逐漸變小。相反，較之于云團本身的δ¹⁸O，降雨中的¹⁸O就變得豐富。如果我們評估相同的事件中δ¹⁷O，傾向于¹⁷O進入液相的優先度大約是¹⁸O的一半。因此, 云團剩余的水份和降雨中的δ¹⁷O大約是δ¹⁸O的一半。通過繪制δ¹⁸O與δ¹⁷O關系圖可以看出其數據點的斜率大約為0.5(圖1和圖2)。

圖1. 大氣水汽的δ^’18O與δ^’17O關系圖，以及δ^’18O和¹⁷O-盈余關系圖（圖形來自Luz 和Barkan, 2010; 數據來自 Barkan和 Luz, 2005; Luz 和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？

除了少數例外，幾乎所有的地球物質的水同位素都落在這條線上。然而，仔細觀察就會發現，該坡度并不*是0.5，而是稍微大一些，而且不同的過程會導致不同的坡度。特別是，幾乎所有的大氣降水，從熱帶到極地地區的冰，其斜率為0.528 (Meijer 和 Li, 1998)。該斜率是液相與氣相平衡分餾綜合效應的體現(斜率為0.529; Barkan和Luz, 2005)和動力學過程，如蒸發、凝結、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(< 0.52)。

為評估δ¹⁷O和δ¹⁸O之間的異常關系,科學家們定義了參數?¹⁷O：

圖2 為了幫助展示¹⁷O-盈余是如何表現出來的，可以用不同斜率的過程矢量圖。在這個例子中，來自Luz和Barkan(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。現在擴散到干燥的空氣中，斜率下降到~0.518。這導致水蒸氣中的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-盈余對溫度的變化不太敏感，其可以用來探測水文系統,對傳統的“氘-盈余”方法(d-盈余=δD-8δ¹⁸O)基礎上添加了額外的信息。Uemura 等人(2010)測量海洋水汽¹⁷O-盈余,發現其與相對濕度呈負相關, 而來自極地冰芯的¹⁷O-盈余記錄提供了關于過去水循環變化的有價值的信息，例如，海洋上相對濕度的大規模變化；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*精度的儀器設備（精度優于0.01 ‰, 或10 per meg）才能捕捉到；其次，傳統的技術測量¹⁷O需要將其轉化為O₂，這是一個復雜且費時的方法，且只能在實驗室進行， < 10個實驗室用傳統的IRMS技術來測定¹⁷O-盈余。

方法推薦：

華盛頓大學Andrew J. Schauer等學者采用

Picarro L2140-i 超高精度液態水同位素分

析儀，在原測樣方法的基礎上對其進行改進，通過減少樣品注射次數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，為簡單的和連續測量δ¹⁸O δ¹⁷O δD和¹⁷O-盈余提供了可能。

測量結果：

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；這個質的提升可以為更多的科研學者們解決質譜儀做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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