冰芯的稳定同位素变化

冰川中存在的氧原子(O)和氢原子(H)以不同的同位素存在。同位素是一种元素的不同形式，由原子质量或每个原子核中质子和中子的总和的变化而产生。每一种元素的原子中的质子数是恒定的。因此，质量的变化是原子中中子数变化的结果。氧原子有8个质子，但也可能有8个、9个或10个中子，因此氧原子有3种不同的同位素

图3.1冰期极大期地表水氧同位素比值变化(低海平面)和间冰期(最高海平面)。(改编自Lowe and Walker, 1997)

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质量为16(160)，17(170)和18(180)。氢原子有一个质子，但可能没有或只有一个中子，有两种同位素(XH和2H)，后者也被称为氘(D;0.016%)。因此，水分子可能由这五种同位素的九种可能组合中的任何一种组成。然而，这些组合中有三种是常见的:1H2160、WO和1HDlsO。自然界中氧同位素的相对数量是lsO的99.76%、lsO的0.04% 170和lsO的0.2% 160。

落在冰川或冰盖上的降水的同位素组成取决于水文循环中蒸发和凝结的历史。在蒸发过程，由轻同位素组成的水分子比由重同位素组成的水分子更容易变成蒸汽。这个过程叫做分馏。生成的蒸汽相对富集于:H和160。随着凝结的进行，更多剩余的重同位素将被移除，蒸汽将在18Ô中越来越耗尽，D.当水蒸气在大气中上升和/或通过冰盖向内陆输送时，冷却将导致同位素成分越来越轻的降水。因此，降水的同位素组成反映了降水发生时的温度(图3.1)。测量结果表明，温度和氧同位素组成之间存在高度相关性(图3.2)，其校准值为0.33 / mil“C”1 (Cuffey等，1995)。尽管温度不是决定氧同位素的唯一因素

温度(C)

图3.2积雪同位素组成与当地年平均地表温度的关系。(修改自Jouzel et al, 1997)

温度(C)

图3.2积雪同位素组成与当地年平均地表温度的关系。(修改自Jouzel et al, 1997)

成分，冰川冰的同位素组成被用于温度重建。Jouzel等人(1997)回顾了极地同位素模型的经验时间斜率(曲线梯度)。他们发现当时的斜坡比现代的斜坡要低，这种差异很可能是由于水分蒸发来源的变化，降水的季节性变化，降水强度的变化逆温层，或者这些因素的组合。尽管校准同位素古温度表存在问题，但同位素作为一种测量方法的使用温度代理似乎是合理的。

用质谱法测量冰芯中的氧同位素组成，给出了与标准平均海水(SMOW)的偏差(<5180)。大气中较重的lsO同位素在海洋表面蒸发过程中被耗尽(平均约10%)。然而，同位素组成有大约15%的季节性变化。因此，季节变化可以通过精确的氧同位素测量来检测。由于扩散效应，<5lsO信号的振幅随深度而减小，但在160,000 yr bp仍能检测到显著变化。

氢同位素的作用方式与氧同位素相同。大气中氢/氘的比例水(雪)由饱和蒸气压和空气中的分子扩散度决定。来自东方冰芯的氘剖面显示出与格陵兰岛氧同位素记录相似的变化(Jouzel et al, 1990)。

稳定同位素含量的下核变化被用来重建气候变化的模式和幅度。raybet雷竞技最新图3.3显示了来自格陵兰GRIP岩心的氧同位素记录和来自格陵兰的氘剖面Vostok核心在南极洲。自同位素分馏与温度有关，波动主要反映全球温度的变化。这些曲线与从深海岩心中获得的曲线相似。这两个艾姆间冰期在记录中很容易发现全新世。

格陵兰岛峰会(GRIP)

Vostock南极洲

3 140

格陵兰岛峰会(GRIP)

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-450年

图3.3 GRIP冰芯记录的过去16万年稳定氧同位素变化，以及来自南极洲的Vostok冰芯的氘比值。(改编自Lowe and Walker, 1997)

-450年

图3.3 GRIP冰芯记录的过去16万年稳定氧同位素变化，以及来自南极洲的Vostok冰芯的氘比值。(改编自Lowe and Walker, 1997)

在GRIP和GISP2数据记录中，有大量的频率<5180的Eemian间冰期后振荡。在80,000 - 20,000 yr bp之间，约20间冰段记录事件。这些被解释为反映5-8°C量级的突然温度变化。这些所谓的

Dansgaard-Oeschger事件持续了大约500-2000年，因此不能用轨道强迫机制来解释。相反，它们被解释为反映涉及冰盖/冰川波动、海洋系统变化和大气环流波动的反馈机制。

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图3.4 GRIP(上面板)0ohnsen et ah, 1997)和GISP2(下面板)冰芯的晚冰期和全新世氧同位素变化(Stuiver el ah, 1995)。

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从冰芯的稳定同位素记录中获取温度序列并不简单。对于较老的部分记录尤其如此，因为冰川变形以及来自其他地区的冰流。不同的现代同位素值可以给出与实际温度变化无关的同位素主题变化。GRIP和GISP2的岩心是在格陵兰冰盖顶部附近钻取的，如果在最后一次间冰期/冰期循环期间，冰分水岭没有明显移动，那么冰流就很少。

降水中氧同位素比率与气候条件之间的关系也难以量化(Lorius et ah, 1989)。已经提出了几种方法，包括将季节性雪/冰中的同位素值与气象数据进行比较(Dansgaard et ah, 1975)，使用统计方法将钻孔温度记录和同位素数据联系起来，以及建立氧同位素比与古温度的校准模型(Cuffey et al, 1992)。

同位素信号的解释GISP2冰芯表明该地点同时受到冰岛低压向东南和戴维斯海峡/巴芬湾风暴向西南和西的影响(Barlow et al, 1997)。GISP2同位素信号受到北大西洋涛动的影响:格陵兰岛西部和北欧之间冬季温度的跷跷板。

来自GISP2峰顶区域的氧同位素剖面显示180/160信号在地表附近迅速平滑。在深度约2米以下，平滑的ilsO信号保存得相当完好，可以反映当地的平均天气状况;较长的气候变化也具有区raybet雷竞技最新域和全球意义(Grootes和Stuiver, 1997)。在大约75,000 - 11,650 yr bp(新仙女木/前北纪转变)之间，氧同位素记录的特征是在中间稳定间值和低稳定间值之间频繁快速切换。对叠加在轨道诱导变化上的变化的光谱分析得出了1500年和4000年的显著周期性。在其他气候记录中也发现了在GISP2冰芯氧同位素信号中记录到的类似波动，这有力地表明GISP2氧同位素信号是更多区域性和世界性气候事件的局部表达。raybet雷竞技最新来自北大西洋附近冰原的融水影响了波林- aller0d - younger Dryas夹层和夹层复合体期间的海洋环流。全新世的特征是相对稳定的平均同位素值(图3.4)，但主要存在6.3年、11年和210年的振荡。后两者也在宇宙成因同位素10Be和14C的太阳调制记录中得到确认，表明太阳辐照度的变化是这些周期性的主要原因。氧同位素信号记录了火山喷发造成的冷却; the effects, however, are small and volcanic eruptions are considered not to trigger large climate variations (Grootes and Stuiver, 1997).

INTIMATE(整合冰芯、海洋和陆地记录)小组建议将格陵兰岛的GRIP冰芯指定为最后终结期(约22,000- 11500 yr bp)的层型，并将氧同位素剖面作为事件地层的基础(图3.5)，根据其同位素变化分为层间层和层间层(Björck et al, 1998)。

继续阅读:raybet雷竞技最新来自冰芯的气候记录

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