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科学家为什么要在北极研究水蒸气

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2018-11-11

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    在北极圈内格陵兰岛的冰盖上, 钻取冰芯的浩大工程已经持续了十几年, 钻头已经深入到冰面以下3000m的深度。 这就是说, 把一段一段的长圆柱形冰芯接起来, 总长度已经超过3000m。
   象树木的年轮, 从圆柱形冰芯的侧面看上去, 冰芯的结构是分层的。 每一层大约有3cm厚, 相当于一年的降雪所压成的致密雪冰。   即使用肉眼也很容易分辨出冰芯的层次, 可以说, 每一层所代表的年代是一目了然的。
   3000m长的冰芯所记录的是过去10万年来分年度的古气候信息。 将冰芯切割成圆片样品(每片厚~1cm), 逐一进行理化分析, 经过众多科学家的艰苦努力, 现在, 格陵兰10万年以来的古气候图像已经展现在世人面前。
     古气候变化的研究必须建立在可靠的温度记录之上。 除了冰芯电导率和甲烷浓度的温度记录, 还可以利用所谓“同位素温度计”。 测定冰芯样品中的氧同位素比: 18O/16O和氢同位素比: 2H/1H, 是了解古气候变化的有效手段 (其中2H代表氘, Deuterium, 元素符号是D)。
     格陵兰地区的降雪是由南方海域蒸发的水汽凝结而成。 蒸发时18O/16O以及D/H具有一定的比例。 当水汽在高空飘向格陵兰的过程中, 它的温度会逐步降低。 于是, 水汽中含有18O和D的所谓“重水汽”将先行凝结, 以降雨的形式落入大海。
   在剩下的水汽中, 18O和D就寥寥无几了。   剩下的水汽最终会在更冷的格陵兰上空形成降雪, 而在降雪所压成的冰芯中留下古气候冷暖的记录。 显然,如果那一年的气候很冷, 水汽在飘向格陵兰的途中凝出的重水汽就多一些, 结果那一年降雪所形成的格陵兰冰芯中18O和D的含量就会少些。
   简言之, 冰芯中的18O和D的含量越少,则表明相关年度的气候越寒冷。   一般说来, 沸点越高的气体越容易冷凝。 在一个大气压下, 普通H2O的沸点是373。0K,而D2O(重水)的沸点是374。
  42K。 另一方面,在相同的温度下,普通H2O的饱和蒸气压总是大于D2O的值: 在T= 293。1K, 二者的蒸气压之比: P普通水/P重水=1。  154。 可见,在湿空气团中, 轻同位素水汽不易凝结。
   参考文献 [ 1 ] Severinghaus J Pet al。Science,1999,286:930 [ 2 ] Lang Cet al。Science,1999,286:934 [ 3 ] Jouzel J。
     Science, 1999,286:910 (中国科学院理化技术研究所 戴闻)。

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