氢的稳定同位素组成

大气沉积的霜冻可能是水圈中重要性最低的定量成分，但在某些地方却充当着重要的水源。尽管无数研究已经调查了全球水圈几乎所有其他成分的稳定同位素组成，但对其稳定同位素组成却知之甚少。总体而言，科学界很少关注霜冻沉积物，只有几项研究调查了它们的化学和物理特性作为大气污染指标以及它们对通信基础设施造成的潜在危害。

相比之下，霜冻的稳定同位素组成却很少受到关注，尽管在某些地方（例如南极洲的康科迪亚站），霜冻在特定年份可以带来最多的降水量。因此，Stenni等人研究了南极洲地表降水的稳定同位素组成，结果表明，与其他类型的降水相比，霜冻中的δ18O（和δ2H）值较低，而d-过量值较高。

然而，在随后的研究中，Schlosser等人表明，这些差异是由于沉积的季节性造成的，较低的δ值是因为霜冻主要在冬季形成。与这些研究结果部分重叠的是，Lacelle 等人发现，加拿大北部洞穴中的霜沉积物与其他类型的洞穴冰沉积物相比具有较高的 d-过量值，但 δ18O 和 δ2 H 的表现不同，δ18O 值与冰石笋和钟乳石的 δ18O 值重叠，而 δ2 H 值要高得多。作者将这些结果解释为在平衡条件下水蒸发形成蒸汽随后形成霜沉积的过程中动力学分馏的指标。

然而，到目前为止，还没有研究详细检查过霜与其他类型同时沉淀的水的稳定同位素组成之间的关系，以及与大气环流模式的潜在联系，从而对霜沉积的数量和类型进行大规模控制。通过研究南喀尔巴阡山脉（东中欧）霜冻和降水的稳定同位素组成与当地和区域气象参数及霜冻特征的关系，弥补了这一知识空白。

2018 年 12 月至 2019 年 2 月期间，在萨尔库峰气象站（海拔 2180 米）收集了霜冻和降水。水分的主要来源（由高氘过量值表明）是黑海（也可能是里海）以及东欧和西亚的陆地来源。霜冻在强风期沉积，δ18O和δ2H与气温有很强的相关性。霜冻沉积强度与其稳定同位素特征之间没有相关性。我们的数据表明，霜冻积物的δ18O值忠实地记录了沉积期间的气温变化，而d-excess参数记录了水分源的条件。

图 1. 萨尔库山脉 (A) 和气象站 (B) 的位置以及气象站 (C) 和被霜冻覆盖的仪器遮蔽物 (D) 的照片[1]。

降水中氘过量 d 表明水分来自高度蒸发的地表水（即黑海和里海）和/或东欧大陆来源。在几次强风作用下，霜冻沉积下来。沉积的冰量受空气湿度、温度和风速的共同控制，但这些因素都不是主导因素。

我们发现风速和霜冻密度之间存在良好的相关性，这可能是沉积过程中机械压实的结果。降雪和霜冻中的 δ18O 和 δ2 H 值与气温呈很强的相关性。

同样，霜冻中稳定的 O 和 H 同位素比与相对湿度之间也发现了很高的相关性，但我们不排除这是相对湿度和气温之间高度相关的产物。

总体而言，我们认为霜冻中的δ18O和δ2H值是水分输送和沉积过程中大气过程的有力指标，并且可以以类似于降水中δ18O和δ2H值的方式在霜冻沉积是主要大气沉积类型的地区使用。

[1] Feher R, Voiculescu M, Chiroiu P, et al. The stable isotope composition of hoarfrost[J]. Isotopes in Environmental and Health Studies, 2021, 57(4): 386-399.

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