Изотопное фракционирование водорода в круговороте воды — процесс изотопного фракционирования воды по изотопам водорода в цикле круговорота воды в природе. Вода — основной источник водорода для всех живых существ. Круговорот воды (гидрологический круговорот) перемещает воду по поверхности Земли, значительно фракционируя изотопы водорода в воде. Океан имеет довольно однородный изотоп водорода по всему земному шару, около 0 ‰ (). Вариации δD (изотопное отношение дейтерия к протию в образце относительно стандартного, выраженное в промилле), превышающие 10 ‰ в океане, как правило, ограничены поверхностными водами из-за испарения, образования морского льда и добавления метеоритной воды в виде осадков, рек или айсбергов.

Изотопические характеристики воды изучает .

Изотопное фракционирование

В круговороте воды двумя основными процессами, фракционирующими изотопы водорода из морской воды, являются испарение и конденсация. Изотопный состав кислорода (O/O) воды также является важным индикатором в круговороте воды и не может быть отделен от изотопов водорода в процессах изотопного фракционирования, связанных с водой.

При испарении воды океана, равновесный и определяют изотопный состав водорода и кислорода образующегося водяного пара. На границе раздела вода-воздух неподвижный пограничный слой насыщен водяным паром (100 % относительной влажности), и изотопный состав водяного пара отражает равновесное фракционирование с жидкой водой, которое зависит от температуры:

(‰) (‰), где ϵ это мера фракционирования.

Величина фракционирования изотопов водорода в равновесии жидкость-пар в 8 раз превышает величину для поверхности Земли, что отражает относительную разницу масс двух изотопных систем: дейтерий на 100 % тяжелее, чем протий, O на 12,5 % тяжелее, чем O . Переходная зона выше пограничного слоя имеет относительную влажность (h) менее 100 %, в ней кинетическое изотопное фракционирование связано с диффузией водяного пара из пограничного слоя в переходную зону, оно эмпирически зависит от относительной влажности (h):

‰ ‰

Кинетический изотопный эффект, связанный с диффузией, отражает разницу масс молекул воды 1H2O/ 1H2HO / 1H218O.

Вода испаряется, затем конденсируется и, в виде осадков, возвращается на поверхность. Конденсация водяного пара в восходящих воздушных массах понижает температуру и давление насыщенного пара. Медленная скорость процессов обеспечивает равновесные изотопные эффекты. Однако, поскольку водяной пар постепенно конденсируется и теряется из воздуха во время переноса влаги, изотопный состав оставшегося пара, а также образующихся осадков, может быть значительно снижен из-за процесса . Уравнение для дистилляции Рэлея:

где R  — изотопное отношение в исходном водяном паре, R  — изотопное отношение в оставшемся водяном паре после некоторой конденсации, f — доля водяного пара, остающегося в воздухе, α — коэффициент фракционирования равновесия жидкость-пар (α = 1 + ε).

Изотопный состав образующихся осадков (R ) :

По мере того, как f постепенно уменьшается в процессе конденсации, оставшийся пар всё больше и больше обедняется тяжёлыми изотопами. Дистилляция Рэлея может объяснить следующие закономерности по всему миру:

изотопное обеднение от тропиков к полюсам, изотопное обеднение от прибрежных районов к внутренним и изотопное обеднение с высотой над горным хребтом . Эти закономерности обусловлены прогрессирующей потерей влаги во время переноса.

Дистилляция Рэлея может объяснить: сильную корреляция между δD и δO (где δ это изотопное отношение изотопов в образце относительно стандартного, выраженное в промилле) в глобальных осадках, выраженная как (GMWL): δD =8δ O + 10 (позже обновлено до δD = 8,17±0,07 δO + 11,27±0,65). Наклон GMWL отражает относительную величину изотопного фракционирования водорода и кислорода во время конденсации. Пересечение GMWL с осью Y не равно нулю (это называется избытком дейтерия, или d-избытком), что означает, что океаническая вода действительно попадает на GMWL. Это связано с кинетическим изотопным эффектом во время испарения, когда водяной пар диффундирует из насыщенного пограничного слоя в ненасыщенную переходную зону, и не может быть объяснено моделью Рэлея. Тем не менее, устойчивая картина на линии GMWL убедительно свидетельствует о наличии единого доминирующего источника влаги в глобальной атмосфере, которым является тропическая западная часть Тихого океана. Локальная линия метеорной воды может иметь другой наклон и точку пересечения с линией GMWL из-за различий во влажности и интенсивности испарения в разных местах. Таким образом, изотопы водорода и кислорода в воде —отличный индикатор гидрологического цикла как в глобальном, так и в локальном масштабе.

Изотопы воды и климат Изотопный состав метеорных вод может быть использован для определения переменных окружающей среды, таких как температура воздуха, количество осадков, высота над уровнем моря в прошлом, уровень воды в озёрах, а также для отслеживания источников влаги (изотопная гидрология).

Реконструкция температуры Изотопный состав осадков можно использовать для определения изменений температуры воздуха на основе процесса Рэлея. Более низкая температура соответствует более низкому давлению насыщенного пара, что приводит к большей конденсации, которая приводит к изотопному истощению остаточного пара. В результате осадки имеют более отрицательные значения δD и δO (где δ это изотопное отношение изотопов в образце относительно стандартного, выраженное в промилле) при более низкой температуре. Этот изотопный термометр осадков более чувствителен при более низких температурах и широко применяется в высоких широтах. δD и δO имеют температурную чувствительность 8 ‰/°C и 0,9 ‰/°C в антарктическом снегу и чувствительность 5,6 ‰/°C и 0,69 ‰/°C на арктических участках. Значения δD и δO ледяных кернов в Гренландии, Антарктиде и альпийских ледниках — важный архив изменений температуры в геологическом прошлом.

Влияние количества осадков Изотопный состав осадков в тропиках в основном зависит от количества осадков (отрицательная корреляция и также наблюдается для летних осадков в субтропиках. Причины корреляции по Вилли Дансгарду (автор термина «эффект количества»):

комплексное изотопное обеднение в результате процесса Рэлея; небольшое количество осадков с большей вероятностью подвержено влиянию испарения и обмена с окружающей влагой, что приводит к его изотопному обогащению. На низких широтах« эффект количества» для δ O составляет около −1,6 ‰/100 мм увеличения осадков на островных станциях и −2,0 ‰/100 мм на континентальных станциях эффект количества наиболее выражен при сравнении изотопного состава ежемесячных осадков в разных местах тропиков эффект количества также ожидается для HIC (значения изотопного состава водорода, , сокращённо HIC), но калибровочных исследований не так много. В Юго-Восточной Азии чувствительность δD к ежемесячному количеству осадков варьируется от −15 до −25 ‰/100 мм в зависимости от местоположения в умеренных регионах изотопный состав осадков определяется количеством осадков летом, но в большей степени контролируется температурой зимой э«ффект количества» может быть осложнён изменениями региональных источников влаги. реконструкции количества осадков в тропиках в геологическом прошлом основаны на δ O сталактитов или δD биогенных липидов, которые считаются индикаторами изотопного состава осадков.

Примечания

Категория:Изотопы водорода Категория:Гидрология