Picarro用于監(jiān)測(cè)南極地區(qū)水蒸汽、降水和積雪表面的同位素組成

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(tǒng)運(yùn)用到他們的項(xiàng)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(tuán)隊(duì)如何在南極環(huán)航探險(xiǎn) (ACE) 項(xiàng)目中使用Picarro L2130-i和L2120-i的詳情。

南極環(huán)航探險(xiǎn)(ACE)由萌�；�金會(huì)(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(fā)起。
 

探險(xiǎn)隊(duì)此行的主要目的是環(huán)航南極洲，沿著環(huán)航路線進(jìn)行海洋觀測(cè)和氣象觀測(cè)，同時(shí)對(duì)亞南極洲和南極諸島進(jìn)行陸地觀測(cè)。探險(xiǎn)隊(duì)從開普敦(Cape Town)出發(fā)，將于92天后返航。
 

此次探險(xiǎn)活動(dòng)承載著來自七個(gè)不同國家和地區(qū)的55名科學(xué)家著手進(jìn)行的22個(gè)項(xiàng)目。這個(gè)名為“亞南極島嶼生態(tài)系統(tǒng)的演變及其現(xiàn)狀”的 AARI 項(xiàng)目涉及了若干項(xiàng)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(cè)、大氣中懸浮微粒的測(cè)量和大氣水蒸汽的同位素組成。
 

我們的實(shí)驗(yàn)室，即AARI的氣候與環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室，此行的主要考察任務(wù)是研究冰芯數(shù)據(jù)中的古氣候。在過去幾個(gè)世紀(jì)，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(cè)量南極洲不同位置處淺冰芯中的水穩(wěn)定同位素組成。然而，水穩(wěn)定同位素的記錄數(shù)據(jù)卻不能直接轉(zhuǎn)化為溫度等氣候參數(shù)。事實(shí)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(guān)，也會(huì)受到南極洲不同地區(qū)沉積氣團(tuán)的來源和運(yùn)動(dòng)軌跡的強(qiáng)烈影響。因此，在氣團(tuán)登陸之前，必須限定南極洲周圍海域水團(tuán)中水蒸汽的同位素組成。有了用來了解氣候系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)，人們?cè)诟窳晏m(Greenland)地區(qū)開展了類似的研究(Steen-Larsen et al.Clim.Past, 10, 377–392, 2014)。
 

為了對(duì)水蒸汽分析做相應(yīng)補(bǔ)充，我們還計(jì)劃研究島嶼冰川上的積雪、粒雪和冰層同位素組成，還會(huì)研究冰川上的雪坑和淺冰芯。為了獲得有關(guān)同位素組成年際變化的信息，我們會(huì)根據(jù)每個(gè)島嶼上的雪積累率來選取采樣分辨率。
 

【測(cè)量設(shè)置】

為了測(cè)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(huì)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(diǎn)開始測(cè)量，即包括大西洋斷面以及 ACE 項(xiàng)目之旅的相關(guān)內(nèi)容。在從不來梅哈芬到霍巴特 (Hobart) 的途中，我們只使用了一臺(tái)儀器，即AARI 的Picarro L2120-i，外加由哥本哈根大學(xué)提供的、在Steen-Larsen et al., Atmos.Chem.Phys., 14, 7741–7756, 2014中所述的校準(zhǔn)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。

這使我們能夠善加利用考察船不同側(cè)面的兩個(gè)進(jìn)氣口，并避免因校準(zhǔn)而產(chǎn)生的測(cè)量誤差；盡管如此，我們?nèi)远啻问褂昧藖碜宰灾菩��?zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生的相同蒸氣同時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。

我們使用了位于考察船主甲板上的兩個(gè)進(jìn)氣口，即海平面以上約10米。這兩個(gè)進(jìn)氣口分別位于考察船的右舷和左舷。我們對(duì)進(jìn)氣口使用了直徑為¼”的銅管。將銅管加熱至50°C以免內(nèi)部蒸氣發(fā)生凝結(jié)。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(cè)量結(jié)果】

將所得數(shù)據(jù)與沿路線的天氣觀測(cè)資料（氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向）以及氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)一起進(jìn)行分析。在這里，我們可以得出初步結(jié)果。在大西洋上空，水蒸汽的同位素組成會(huì)隨氣候帶的變化而有所不同；而在南極海域上空，這個(gè)參數(shù)的變化幅度則在很大程度上取決于當(dāng)?shù)氐臍庀鬆顩r。

我們總共獲得了約1000萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。作為該數(shù)據(jù)集的一個(gè)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(shí)也更加明顯。此外，當(dāng)大氣濕度遠(yuǎn)低于儀器的靈敏度區(qū)間時(shí)，Picarro L2130-i的性能會(huì)優(yōu)于 L2120-i。
 

兩臺(tái)校準(zhǔn)設(shè)備用來校準(zhǔn) Picarro 分析儀、Picarro SDM 和自制系統(tǒng)。在航行途中，我們發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備各有利弊。首先，也是最重要的一點(diǎn)，Picarro SDM 較之自制設(shè)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(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，這一數(shù)值遠(yuǎn)低于赤道處的濕度（編者注：我認(rèn)為它實(shí)際上是 30,000 ppm，同時(shí)我承認(rèn)你們的和其他的海洋船舶研究已經(jīng)將δ¹⁸O或δD繪制超過 40,000 ppm H₂O – ig）。另一點(diǎn)是使用自制設(shè)備同時(shí)校準(zhǔn)多臺(tái)儀器的可能性，而這則是使用 SDM 無法實(shí)現(xiàn)的。
 

最后，我們想提的是：在探險(xiǎn)期間，所有的 Picarro 設(shè)備都能完美運(yùn)行，以便我們能夠完成各種測(cè)量程序。

Picarro設(shè)備為我們提供了各種工具，這些工具支持我們?yōu)楸碚鳉夂螂S著時(shí)間推移而發(fā)生變化所實(shí)施的實(shí)地研究和實(shí)驗(yàn)室研究工作。冰芯數(shù)據(jù)在格陵蘭延續(xù)了近123,000年，而在南極洲則延續(xù)了800,000年。為了從這些豐富的記錄中開發(fā)出更加完整的氣候模型，需要獲得從海洋觀測(cè)和陸地觀測(cè)資料中收集的水蒸汽和表層冰研究的額外數(shù)據(jù)。