A study of isotopic exchange between liquid water and ice

Abstract

This study was conducted to investigate the isotopic exchange reaction between ice and melt water which occurs when ice melts. Studies on the isotope exchange of ice and water will be helpful in studying paleo-climate using glacier and hydrological separations in mountainous areas. It is known that the isotopic compositions of melt water generated by the melting of ice vary with time. So far, studies on the isotope exchange reaction between solid and liquid phases of water have been done through snow. In order to confirm the isotopic exchange reaction between the solid phase and the liquid phase of the water through the ice, a melting device was manufactured and the experiment was conducted to confirm that the isotope changes with time in the melt water even when the ice melted. The results of the experiments were quantitatively shown by substituting the solid and liquid isotopic exchange model presented in Feng et al., 2002 and Lee et al., 2009, and the isotopic exchange rate constant kr was calculated. In the above experiment, it was found that the most important thing during the isotopic fractionation between ice and melt water is isotopic exchange between ice and water. The isotopic exchange reaction of ice and melt water is depending on the isotopic exchange rate constant kr, the height of the ice column, and the flow rate of the melt just like in the snow. A total of four experiments were conducted to see how the isotopic exchange rate constant kr value varies with various flow rates. The results of the experiments were quantitatively presented through the model. In ice, the more water in the pores, the smaller the proportion of ice in the isotope exchange reaction. This result shows that the ratio of ice in the isotope exchange reaction in the pore is lower than that of the snow of the result in Lee et al., 2009 due to the difference in the medium in snow and ice. Through this study, we could confirm the physical difference in snow and ice through the model. These findings and the apparatus of the melting experiments will make a helpful contribution to the studies of stable isotopes and the melting process in temperate and polar regions.;이 연구는 얼음이 녹을 때 발생하는 용융수와 얼음 간의 동위원소 교환반응에 대해 알아보기 위해 진행되었다. 물과 얼음의 동위원소 교환반응에 대한 연구는 빙하를 이용한 고기후 복원 연구와 산악지역의 수문분리학을 공부하는데 있어 도움이 될 것이다. 얼음이 녹으면서 발생하는 용융수의 동위원소 조성은 시간에 따라 달라지는 것으로 알려져 있다. 지금까지 물의 고체상과 액체상의 동위원소 교환반응에 대한 연구는 모두 눈을 통해 이루어졌으므로 본 연구에서는 얼음을 통해 이를 알아보고자 하였다. 얼음을 통해 물의 고체상과 액체상의 동위원소 교환반응이 나타나는 것을 확인하기 위해 융해 실험 장치를 제작하고 실험을 진행하여 얼음이 녹을 때에도 용융수에서 시간에 따른 동위원소 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 실험의 결과값을 Feng et al., 2002와 Lee et al., 2009에서 제시한 고체와 액체 간의 동위원소 교환 반응 모델에 대입하여 동위원소 교환반응을 정량적으로 나타내었고 동위원소 교환반응 속도 상수 kr 값을 계산하였다. 위 실험을 통해 얼음과 물의 동위원소 분화를 설명하는데 가장 중요한 것은 얼음과 물의 동위원소 교환 작용이라는 것을 알 수 있었다. 얼음과 융해수의 동위원소 교환반응은 눈에서와 마찬가지로 동위원소 교환속도 상수 kr 값, 얼음 칼럼의 높이, 융해수의 flow rate에 따라 다르게 나타난다. 다양한 flow rate에 따라 동위원소 교환반응 속도 상수 kr 값이 어떻게 나타나는지를 알아보기 위하여 총 4번의 실험이 진행되었다. 실험의 결과값은 모델을 통해 정량적으로 제시되었다. 얼음에서는 공극 속에 존재하는 물이 많아질수록 동위원소 교환반응에 참여하는 얼음의 비율이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 Lee et al., 2009년의 결과와 비교하여 눈과 얼음에서의 매질의 차이로 인해 공극 속에서 동위원소 교환반응에 참여하는 얼음의 비율이 눈보다 낮다는 것을 나타낸다. 이 연구를 통해 눈과 얼음에서의 물리적 차이를 모델을 통해 확인할 수 있었다. 본 연구에서 나온 결과 및 실험 장치는 향후 온대지역이나 극지역에서의 안정동위원소연구 및 융해와 관련된 연구에 도움이 될 것이라 생각된다.