稳定同位素比质谱“编译”冰芯中的无字天书

继探险时代之后，美国、俄罗斯、法国、英国等国家先后在两极建立了众多科学考察站，这些探险和考察活动极大丰富了人类发展的文明史。中国是极地科学考察事业中的后来者，截至目前，我国在南北极共建立了6座科考站，分别是长城站、中山站、昆仑站、泰山站、罗斯海新站、黄河站。

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神秘的南极和北极，天寒地冻，冰雪皑皑，深深地影响着人类居住的蓝色星球。自古以来，地球两极就吸引着无数人的目光。这里的冰芯是研究古气候和古环境变化最可靠的“天然档案馆”之一：冰芯中有古代空气的微小气泡，这些气体经提取后直接用质谱仪分析其浓度；而温度的测定则是通过冰芯融化后释放的水分子的同位素组成推断出来。

我们知道，一个水分子(H₂O)是由两个氢原子和一个氧原子组成的分子，但事情并没有那么简单，因为氢有¹H、²H和³H三种同位素（³H有放射性，这里不予讨论），氧也有¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O三种同位素。(¹⁷O自然丰度很低，约为0.039%)

水中的重同位素和轻同位素的比值(即²H/¹H和¹⁸O/¹⁶O)随气候变化而变化，根据这一原理，科学家通过测量冰芯样品中氧和氢的同位素比值，可以了解过去发生的气候变化。

为什么会这样呢？我们以¹⁶O和¹⁸O举例简单说明。

蒸发和冷凝是影响海洋中¹⁶O和¹⁸O比例的两个重要过程，含有¹⁶O的水分子比含有¹⁸O的水分子更容易蒸发，同理，含有¹⁸O的水蒸气分子更容易凝结。当空气上升或向两极移动而冷却时，部分水蒸气开始凝结并形成降水，含有¹⁸O的水蒸气分子比含有¹⁶O的水蒸气分子更容易凝结，未凝结的水蒸气分子随着空气继续向极地移动，在此过程中，水蒸气¹⁸O越来越少（衰减），¹⁶O则越来越多（富集）。¹H和²H也有同样的规律。

近几年，科学家测量了在南北极多个位置降雪的样本中δ¹⁸O（δ²H）与年平均温度之间的近似线性关系，并沿着冰芯的深度绘制δ¹⁸O或δ²H的深度图，揭示不同年代的气候变化。

图1：数据来源Jouzel et al., Stable water isotope behavior during the last glacial maximum: A general circulation model analysis. 1994

图2：不同冰层反应不同年代的气候

德国元素Elementar的同位素质谱联用双路进样 （DI-IRMS）技术是碳酸盐和水样分析中更精确、更灵敏的技术，具有更高的精度（≤0.05‰, 1σ, n=10)，而且提供了三种不同样品预处理装置：iso AQUA PREP装置分析地面水、冰芯、生物水；iso CARB PREP装置分析碳酸盐矿物和化石碳酸盐； iso MULTI PREP 装置则可以同时满足以上分析需求。

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