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《美國物理學(xué)會新聞》近期發(fā)表了題為《一千年前的氣候是什么樣的？向氬-39要答案》的新聞報道，作者Tess Joosse是威斯康星州麥迪遜市的一名科學(xué)記者。文章介紹了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊關(guān)于氬-39原子阱痕量分析技術(shù)的最新進(jìn)展。以下內(nèi)容來自《美國物理學(xué)會新聞》：

在青藏高原的冰川上和南極冰蓋的底部，古老的冰層中保存著來自多年前地球大氣的氪-81和氬-39等稀有氣體同位素，它們包含了關(guān)于過去氣候的微小線索。

“這些同位素是環(huán)境中的天然時鐘，”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究生儲艷清在今年6月份的美國物理學(xué)會（APS DAMOP)會議上說。 它們均勻分布在地球大氣層中，其惰性使它們免受化學(xué)反應(yīng)的影響。因此，如果我們能探測到這些被稱為“示蹤劑”的同位素，就可以知道很多關(guān)于它們從大氣中循環(huán)出來時氣候的情況。

然而檢測它們并不容易。“想想一公斤冰，”中科大蔣蔚教授說，“其中只有大約2000個氪-81原子”，這對應(yīng)著9×10-13的微小同位素豐度——其探測難度類似于在海灘上找到一粒特別的沙子。氬-39的豐度則更小，僅有8×10-16。要檢測這些原子，需要具備能將原子一個一個數(shù)出來的靈敏系統(tǒng)。

圖 1 原子阱痕量分析裝置原理圖。樣品氣體從左側(cè)進(jìn)入真空裝置，氬-39（氪-81）原子經(jīng)過一系列激光的操縱后，在右側(cè)磁光阱中被俘獲，其熒光被靈敏的EMCCD相機(jī)探測（右上角小圖）。

一種稱為“原子阱痕量分析（ATTA）”的方法可以解決探測這些同位素的技術(shù)難題。原子阱痕量分析使用特定頻率的激光來激發(fā)和捕捉來自冰或水樣品中的這些同位素原子。通過探測單個原子發(fā)出的熒光對原子計數(shù)，研究人員能夠測量出其同位素豐度，并結(jié)合它們的半衰期來確定樣品的年代。

其中，氬-39使研究人員能夠?qū)σ粋€重要地質(zhì)時期的樣品定年，之前在這個時間段沒有其他精確定年方法。海德堡大學(xué)環(huán)境物理學(xué)家Werner Aeschbach教授說：“在這個年齡段真的沒有其他合適的同位素了?！睔?39的半衰期為268年，這意味著它可以對50到1600年前的環(huán)境樣品定年（而氪-81可以對3萬年到130萬年前的更老樣品進(jìn)行定年）。氬-39的定年范圍與全球洋流的循環(huán)周期完美匹配。這些洋流在風(fēng)和溫鹽梯度等因素的推動下，像一條巨大的傳送帶將海水在全球的各個大洋中輸運。一“包”水可能需要1000年左右才能在這條“傳送帶”上完成一個循環(huán)，因此氬-39成為了海水定年和追蹤洋流的最佳工具。“It’s a Goldilocks isotope，”中科大盧征天教授說。

通過研究海水的年齡可以跟蹤洋流，幫助研究人員更好地了解大洋中的海水是如何混合和移動的，甚至可以幫助預(yù)測海洋是如何儲存大氣中的二氧化碳。而確定冰川冰的年齡則可以幫助科學(xué)家重建過去1500年的氣候。

另外，氬-39和氪-81也可用于測定地下水的年代，這對確定這些水資源的可用性和其可持續(xù)利用能力非常重要。例如，估算地下含水層等淡水資源的更新、補(bǔ)給時間，可以幫助研究人員了解和預(yù)測用水需求。美國阿貢國家實驗室的研究人員最近使用原子阱痕量分析技術(shù)對美國佛羅里達(dá)州的地下水樣品進(jìn)行了氪-81定年。他們發(fā)現(xiàn)，古老海水在該地區(qū)最大含水層中的滲透一直持續(xù)到今天——在目前海平面持續(xù)上升并使水源咸化的背景下，這可能是一個需要關(guān)注的問題。

蔣蔚說，“原子阱氬-39定年的潛力才剛剛開始在應(yīng)用中展現(xiàn)，因為它比氪-81定年更新、更復(fù)雜?！?。氬-39的環(huán)境豐度極其微小，并且研究人員通常只能獲得很少量的樣品（例如，南極冰芯），這使得氬-39的分析更加具有挑戰(zhàn)性。“除了技術(shù)上的困難以外，”Aeschbach說，“由于全球氣候變化，冰川正在迅速融化，因此研究人員正在與時間賽跑，要在未來幾十年許多冰川退縮或消失之前對它們進(jìn)行采樣和測量?！?/p>

原子阱痕量分析技術(shù)的新進(jìn)展可能會進(jìn)一步推動氬-39定年的應(yīng)用。在今年六月的DAMOP會議上，儲艷清介紹了中科大激光痕量探測與精密測量實驗室的最新工作。該小組近期提高了氬-39原子阱痕量分析的精度，降低了測量需要的時間，并將系統(tǒng)的氬-39原子計數(shù)率提高到每小時10個原子（盧征天說海德堡大學(xué)的一個小組以前達(dá)到了每小時5個原子的計數(shù)率，而中科大團(tuán)隊的目標(biāo)是達(dá)到每小時100個原子）。該小組還與中國科學(xué)院近代物理所的同事合作搭建了一個預(yù)富集系統(tǒng)，通過將樣品中主要同位素氬-40的數(shù)量減少兩個量級來提高待測樣品中氬-39的同位素豐度。

儲艷清在DAMOP會議上報道的技術(shù)改進(jìn)將使研究人員能夠更多、更快地測量樣品，這對于大面積的海洋調(diào)查研究是非常重要的。她說“現(xiàn)在終于有可能開展大規(guī)模的海洋調(diào)查了，海洋學(xué)家為這一天已經(jīng)等了幾十年?！?/p>

圖?2 中科大研究生儲艷清在調(diào)節(jié)氬-39原子阱激光系統(tǒng)。蔣蔚供圖。

中科大盧征天、蔣蔚團(tuán)隊長期以來致力于發(fā)展81Kr、39Ar等極稀有的長壽命惰性氣體同位素的超靈敏檢測技術(shù)，使其能夠真正應(yīng)用于前沿地球科學(xué)研究。尖端的測量技術(shù)吸引了國內(nèi)外科學(xué)家開展合作，最近在地下水、冰川和海洋等研究領(lǐng)域接連取得了一系列進(jìn)展，顯示了新技術(shù)對創(chuàng)新性研究的推動作用：

圖 3 中科大蔣蔚教授與阿根廷同事在地下水采樣現(xiàn)場。從左自右， Daniel Martinez，蔣蔚，Mauricio Quiroz。蔣蔚供圖。

?81Kr揭示阿根廷百萬年古地下水氣候記錄

研究團(tuán)隊和阿根廷馬德普拉塔國立大學(xué)研究人員合作，對阿根廷大西洋沿岸的科羅拉多盆地和薩拉多盆地進(jìn)行了系統(tǒng)的81Kr定年研究。發(fā)現(xiàn)了南美洲迄今為止最老的地下水，年齡至110萬年。另外，還揭示了南美洲低空急流在MIS-3時期可能到達(dá)比現(xiàn)在更南的區(qū)域，相關(guān)成果于4月21日以“81Kr reveals one-million-year-old groundwater at the Atlantic coast of Argentina as a record of Mid-Pleistocene climate”為題發(fā)表在《水文學(xué)雜志》[Journal ofHydrology 610, 127846 (2022)]。

? 氪-81定年約束美國西部Paradox盆地深層地下水流動激活時間

研究團(tuán)隊和美國亞利桑那大學(xué)研究人員合作，利用81Kr對美國科羅拉多高原的Paradox盆地的深層地下水進(jìn)行了研究。在位于地下3公里的數(shù)億年前沉積地層下意外的發(fā)現(xiàn)了年齡約1百萬年的“年輕”地下水，通常在這種地層的地下水年齡要老得多。研究人員推斷產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是在過去3百萬到1千萬年間科羅拉多高原劇烈的地質(zhì)構(gòu)造變化引起科羅拉多河水滲入地下深部鹽礦的上方和下方，對古老的鹵水產(chǎn)生了沖刷作用，使得相對年輕的地下水滲入到古老地層的下方。這一研究刷新了人們對該類系統(tǒng)的認(rèn)識，也顯示了新型地下水定年工具的作用。相關(guān)成果于6月6日以“Krypton-81 dating constrains timing of deep groundwater flow activation”為題發(fā)表在《地球物理研究快報》[Geophysical Research Letters 49, e2021GL097618 (2022)]。

圖 4 亞利桑那州立大學(xué)水文學(xué)家在美國西部Paradox盆地采樣。Jennifer MacIntosh供圖。

? 惰性氣體記錄沙漠中深層古地下水位上升

研究團(tuán)隊和以色列、美國、瑞士的研究人員合作對位于以色列Negev沙漠下的Nubia大型砂巖地下水系統(tǒng)進(jìn)行了研究。他們利用81Kr定年技術(shù)探測到了古老的地下水并測量其中的氖氣，研究發(fā)現(xiàn)地下水中含有大量的過量溶解空氣（dissolved excess air）。研究人員推斷這一現(xiàn)象可能是由地下大片低滲透率巖石構(gòu)造捕獲的空氣在地下水位長時間上升作用下溶解到水中導(dǎo)致的。據(jù)此，研究人員進(jìn)一步推測在過去的洪水期（pluvial periods），北非干旱地區(qū)的地下水位可能發(fā)生過頻繁的大規(guī)模漲落。相關(guān)成果于6月30日以“Large-scale paleo water-table rise in a deep desert aquifer recorded by dissolved noble gases”為題發(fā)表在《水文學(xué)雜志》[Journal of Hydrology 612, 128114 (2022)]。

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圖?5 橫跨以色列Negev沙漠和西奈半島的Nubia大型地下水系統(tǒng)。圖片取自Ram, R., et al., Journal of Hydrology 612, 128114 (2022)。

? 南極洲拉森冰架藍(lán)冰地質(zhì)年代研究

研究團(tuán)隊和韓國、日本、美國的研究人員合作，對南極洲維多利亞地的拉森冰架地表藍(lán)冰區(qū)域進(jìn)行了研究。利用穩(wěn)定同位素和81Kr定年，確定了藍(lán)冰的地質(zhì)年代，初步重建了古氣候記錄。這是首次利用81Kr定年的藍(lán)冰來獲取古氣候記錄。相關(guān)成果于6月15日以“Chronostratigraphy of the Larsen blue-ice area in northern Victoria Land, East Antarctica, and its implications for paleoclimate”為題發(fā)表在《冰凍圈》[The Cryosphere 16, 2301 (2022)]。

圖 6南極洲地圖。拉森冰架位于紅色方框處。右圖為用來進(jìn)行氪-81定年的藍(lán)冰樣品。圖片取自Lee, G. et al., The Cryosphere 16, 2301 (2022)。

圖 7 西太平洋的雅浦-馬里亞納海溝，橙色點標(biāo)出了氬-39海水定年研究的采樣站位。 圖片取自Gu, J.-Q. et al., Journal of Geophysical Research: Oceans 127, e2022JC018417 (2022).

?39Ar、85Kr、14C同位素刻畫西太平洋雅浦-馬里亞納海溝海水混合

研究團(tuán)隊與中國科學(xué)海洋研究所合作利用39Ar、85Kr、14C示蹤劑對西太平洋雅浦-馬里亞納海溝海水的混合情況進(jìn)行了研究。獲取了示蹤劑的垂直剖面，利用多示蹤劑對不同深度海水的Transit-Time-Distribution參數(shù)進(jìn)行了約束，刻畫了其大洋通風(fēng)和混合情況，并與北太平洋和南太平洋進(jìn)行了比對。該工作對更加準(zhǔn)確的估算太平洋中的碳儲量具有重要意義，是首個利用39Ar同位素在西太平洋開展的研究工作。相關(guān)成果于6月20日以“Estimation of the Ventilation Transit Time Distribution at the Yap?Mariana Junction Using39Ar,85Kr and14C Tracers”為題發(fā)表在《地球物理學(xué)研究雜志：海洋學(xué)》[Journal of Geophysical Research: Oceans 127, e2022JC018417 (2022)]。

該系列工作研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1029/2022JC018417

（中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院））