П’ять стабільних благородних газів є чутливими однозначними маркерами льодовикової талої води - Loose - 2014

Вища школа океанографії, Університет Род-Айленда, Наррагансетт, Род-Айленд, США

благородних

Океанографічний інститут Вудс Хоул, Вудс Хоул, штат Массачусетс, США

Листування: В. Дж. Дженкінс,

Вища школа океанографії, Університет Род-Айленда, Наррагансетт, Род-Айленд, США

Океанографічний інститут Вудс Хоул, Вудс Хоул, штат Массачусетс, США

Листування: В. Дж. Дженкінс,

Анотація

П’ять інертних благородних газів - He, Ne, Ar, Kr та Xe - демонструють унікальний характер насичення розчиненим газом, що виникає в результаті утворення та додавання льодовикової талої води до морської води. Він і Ne перенасичуються, а Ar, Kr та Xe перенасичуються до різного відсотка. Наприклад, додавання 10 ‰ льодовикової талої води до морської води призводить до аномалії насичення ΔHe = 12,8%, ΔNe = 8,9%, ΔAr = −0,5%, ΔKr = −2,2% і ΔXe = −3,3%. Ця закономірність у насиченні благородним газом відображає унікальний характер талої води, який відрізняється від інших основних фізичних процесів, що змінюють концентрацію та насичення газу, а саме сезонні зміни температури на поверхні океану та газообмін, опосередкований бульбашками. Ми використовуємо оптимальний багатопараметричний аналіз, щоб продемонструвати, як всі п’ять благородних газів можуть допомогти відрізнити льодовикову талу воду від нагнітання бульбашок, що рухається вітром, роблячи їх потенційно цінним набором індикаторів для льодовикового танення та його концентрації в глибоких водах світового океану.

1. Вступ

У цьому короткому внеску ми маємо на меті показати, що при використанні п’яти стабільних природних газів можна розрізнити талу воду льодовиків та впорскування бульбашок. Більш важкі НГ значно розчинніші у морській воді, їх розчинність є більш чутливою до змін температури та солоності, а їх атмосферні концентрації унікальні від концентрацій He та Ne. Ці фактори поєднуються, утворюючи концентрації та аномалії насичення, які відрізняються від інших фізичних процесів, що впливають на ці гази. Ми ілюструємо це розрізнення за допомогою емпіричного співвідношення для об'ємного впорскування повітряних бульбашок та додавання розтопленого льодовикового льоду до морської води. Застосовуючи метод оптимального мультипараметра (OMP) до гіпотетичної поверхні океану з інжекцією повітряних бульбашок та додаванням талої води, ми намагаємося продемонструвати кількісне розділення двох процесів.

2 методи

Зміни вмісту тепла та солі в навколишній морській воді, розбиття хвиль, замерзання та танення льодовикового та морського льоду, а також синоптичні зміни атмосферного тиску можуть впливати на вміст розчиненого газу в морській воді [Хамме та Северінгауз, 2007]. Найпростіший спосіб виразити вплив цих процесів на вміст газу - це аномалія насичення, вираження спостережуваного вмісту газу (C.obs) з урахуванням вмісту газу, який слід очікувати, якщо морська вода знаходиться в рівновазі розчинності в атмосфері (C.екв.). Аномалія насичення відображає надлишок або дефіцит вмісту газу, який виявляла б водна маса, якщо б вона переносилася адіабатично на поверхню океану. Тут ми використовуємо позначення to для порівняння ефектів нагрівання, охолодження, впорскування бульбашок вітром та додавання талої води. Значення ∆ були розраховані з використанням функцій розчинності благородного газу, розподілених Робертою Хамме (http://web.uvic.ca/

rhamme/download.html). Розчинність Xe була додатково знижена на 2%, як запропоновано Хамме та Северінгауз [2007].

2.1 Благородні гази в повітряних бульбашках морської поверхні

Повітря, що потрапляє під розбивні хвилі, може призвести до надмірного насичення, оскільки бульбашки газу змушуються в розчин під зростаючим гідростатичним тиском [Кілінг, 1993] і може бути важливим процесом у потоках газу повітря-мореГоддійн-Мерфі та ін., 2012]. Щоб представити вплив впорскування міхура на аномалію насичення, ми моделюємо впорскування повітряних бульбашок, використовуючи рівняння загального потоку впорскування повітряних міхурів (FBI) в моль м −2 с −1 від Стенлі та співавт. [2006], де U10 - швидкість вітру 10 м, , Р., і Т - тиск, газова постійна і температура відповідно. При поділі на глибину змішаного шару (100 м у випадку з малюнком 1), FBI дає оцінку швидкості нагнітання повітря у верхніх частинах океану. Хоча вважається, що ця емпірична залежність дає реалістичні результати впорскування бульбашок, вибір співвідношення захоплення бульбашок не є центральним для цього аналізу, оскільки він передбачає об'ємну кількість заглибленого повітря, і ми стурбовані диференційною реакцією природних газів на відміну від загальної кількість впорскування міхура газу.

Використовуючи це співвідношення та постійну швидкість вітру 10 мс −1, що дме протягом 25 днів, утворюється інтегрований потік бульбашок приблизно 8,8 × 10 −4 см 3 STP g −1 аномалій повітря та насичення ΔHe = 11,6%, ΔNe = 8,8%, ΔAr = 2,1%, ΔKr = 1,1% і ΔXe = 0,5% у морській воді = 34 і Т = 0 ° С. Усі NG перенасичені, але ефект зменшується для важчих NG, враховуючи їх більшу розчинність у воді. Отримані коефіцієнти газу складають = 5,4, = 4,1, = 0,5 і = 0,2 (Рисунок 1).

Другий процес впорскування бульбашок, відомий як частковий обмін бульбашками, призводить до того, що більші бульбашки повітря лише частково розчиняються перед тим, як спливати назад на поверхню [Кілінг, 1993]. Процес подібний до дифузійного газообміну, оскільки він залежить від диференціалу газу повітря-вода та молекулярної дифузійності кожного газу. Отже, надлишкові аномалії насичення від часткового міхурового обміну складають майже 1: 1 для кожного з природних газів, так що цей процес має проекцію, яка набагато ближча до сезонного нагрівання-охолодження, ніж до додавання талої води (рис. 1). Частковий обмін бульбашок вважається менш значним для надмірного насичення [Хамме та Емерсон, 2006; Стенлі та співавт., 2006], із повітряним внеском 2: 1 впорскування бульбашок: частковий міхуровий обмін [Хамме та Емерсон, 2006; Стенлі та співавт., 2006].

2.2 Шляхетні гази в льодовикових талих водах

Середній вміст повітря в крижаних ядрах льоду на Антарктиді становить 0,11 г см −3 на основі зразків з 14 місць буріння навколо Антарктиди [Martinierie та ін., 1992; Гоман та ін., 2002]. Це повітря затримується під час осадження снігу і залишається в пастці, коли сніг еволюціонує до твердіння, а потім до льоду. Відомо, що кілька артефактів змінюють концентрацію благородних газів у льодовиковому льоду. Перший - це незначне виснаження неону від диференціальної дифузії через льодовиковий фірн [Северінггаус і битва, 2006]; цей ефект може змінити вміст неону в льодовикових талих водах менше ніж на 1%, і він не впливає на більші природні гази - Ar, Kr та Xe. На відміну від цього, розшарування газів у шарі твердих речовин на основі їх молекулярної маси має дещо більший ефект. Цей процес, відомий як гравітаційне збагачення, призводить до збільшення приблизно на 7% співвідношення He/Xe у льодовиковому льоду порівняно з атмосферою [Крейг та ін., 1988]. Ефект можна врахувати, використовуючи температуру та глибину закриття шару твердих порід.