Triple Isotopic Composition of Oxygen in Water from Ice Cores

Význam tématu

Studium stabilních izotopů vody (δ18O, δD a 17O-excess) v ledovcových vrtech poskytuje cenné informace o minulém klimatu a hydrologickém cyklu. Zatímco δ18O a δD jsou dlouhodobě využívány jako teplotní indikátory, parametr 17O-excess umožňuje oddělit vliv relativní vlhkosti v oblasti odpařování a zlepšit rekonstrukce klimatických podmínek.

Cíle a přehled studie / článku

Stručně je představeno zavedení měření trojí izotopické kompozice kyslíku (δ18O, δ17O a 17O-excess) ve vodě z ledovcových vrtů. Cílem bylo demonstrovat:

• Význam 17O-excess jako citlivého ukazatele relativní vlhkosti v oblasti odpařování.
• Standardizaci a kalibraci metody napříč různými hmotnostními spektrometry.
• Aplikaci parametrů na sezónní záznamy ze sněhové sondy NEEM (Grónsko).

Použitá metodika a instrumentace

Voda je převedena na molekulární kyslík fluorinační reakcí s CoF3 při 370 °C podle reakce 2 H2O + 4 CoF3 → O2 + 4 CoF2 + 4 HF. Následně je kyslík po odstranění příměsí zachycen v sérii mrazicích pastí a analyzován duálním vstupem na IRMS. Použité přístroje:

• Thermo Scientific™ Delta V™ IRMS
• Thermo Scientific™ MAT 253™ IRMS
• Fluorinační aparatura s kovovým fluorem (CoF3)

Hlavní výsledky a diskuse

1) Sezónní data z NEEM (2003–2005) ukázala:

• Variace δ18O kopírují místní teplotní změny.
• d-excess má maxima na podzim, ale je ovlivněn teplotními procesy.
• 17O-excess je silně anti-korelovaný s vlhkostí tropického Atlantiku a méně citlivý na teplotu.

2) Kalibrace: mezi dvěma referenčními standardy VSMOW2 (δ18O = 0 ‰) a SLAP2 (δ18O ≈ –55,5 ‰) se ukázalo, že nativní 17O-excess SLAP2 lze definovat jako 0 ppm, což zajišťuje konzistentní porovnání výsledků mezi laboratořemi a s modely.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda poskytuje robustní sledování relativní vlhkosti v oblastech odpařování, které nelze spolehlivě rekonstruovat pouze z δ18O a d-excess. Umožňuje podrobnější výzkum klimatických modelů, studie hydrologického cyklu a zkoumání minulých změn klimatu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření:

• Implementace 17O-excess do klimatických globálních cirkulačních modelů vybavených izotopy.
• Vývoj automatizovaných systémů pro vyšší propustnost a přesnost měření.
• Využití v regionálních studiích extrémních srážek a paleoklimatologii z různých typů archívů (jezera, jeskyně).

Závěr

Měření trojí izotopické kompozice kyslíku v ledovcové vodě přináší nový nástroj pro kvantifikaci relativní vlhkosti v oblastech odpařování a zvyšuje spolehlivost klimatických rekonstrukcí. Klíčová je správná dvoubodová kalibrace vůči VSMOW2 a SLAP2 pro eliminaci systémových posunů mezi přístroji.

Reference

1. Edwards T.W.D. (2002) Mapping and modelling isotope climate and palaeoclimate. IGBP Global Change News Letter 2:2–4.
2. Vimeux F. et al. (2005) Climate controls on isotopic composition of precipitation in Zongo Valley, Bolivia. Earth Planet. Sci. Lett. 240:205–220.
3. Jouzel J. et al. (2003) Isotope/temperature scaling for Antarctic ice cores. J. Geophys. Res. 108:D12.
4. Gat J.R. (1996) Oxygen and hydrogen isotopes in the hydrologic cycle. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 24:225–262.
5. Meijer H.A.J., Li W.J. (1998) Use of electrolysis for accurate 17O and 18O measurements in water. Isot. Environ. Health Stud. 34:349–369.
6. Jouzel J., Merlivat L., Lorius C. (1982) Deuterium excess in Antarctic ice and glacial humidity. Nature 299:688–691.
7. Angert A. et al. (2004) Kinetic 17O effects in the hydrologic cycle. Geochim. Cosmochim. Acta 68:3487–3495.
8. Ciais P., Jouzel J. (1994) Deuterium and oxygen 18 in precipitation: isotope model including mixed clouds. J. Geophys. Res. 99:D8:16793–16803.
9. Barkan E., Luz B. (2005) High-precision measurements of 17O/16O and 18O/16O in H₂O. Rapid Commun. Mass Spectrom. 19:3737–3742.
10. Rinkler R. et al. (2012) 17O-excess in East Antarctica deglaciation records. Clim. Past 8:1–16.
11. Berman E.S.F. et al. (2013) Measurement of δ18O, δ17O and 17O-excess by ICOS and IRMS. Anal. Chem. 85:10392–10398.
12. Schoenemann S.W. et al. (2013) Reference materials for stable isotopes of light elements. IAEA-TECDOC-825.
13. Barkan E., Luz B. (2007) Diffusivity fractionations of H₂O isotopologues. Rapid Commun. Mass Spectrom. 21:2999–3005.
14. Landais A. et al. (2008) 18O and 17O-excess record in Vostok ice. Geophys. Res. Lett. 35:L02709.
15. Landais A. et al. (2012) Triple isotopic composition in snow and vapor at NEEM, Greenland. Geochim. Cosmochim. Acta 77:304–316.