Applications of continuous measurements of water vapor isotopes

Abstract

Stable water isotopes have been used as hydrological tracers to quantify the diverse physical processes of atmospheric moisture. They are widely employed as proxies for paleoclimate studies, such as in ice core isotopic records. In this study, the continuous water vapor isotope measurements are suggested, which was conducted on the ocean surface and the snow surface. The observations can contribute to a better understanding of the characteristics of water isotopic composition in various conditions. The vapor isotopic composition over the open sea is mainly controlled by relative humidity at sea surface temperature, but also the sea ice extent which can alter the local water vapor isotopic composition causing anomaly in isotope records in the ice core. Furthermore, in the snow covered region, post-deposition processes need quantitative interpretation to understand the isotopic composition of water in ice cores. The snow–vapor isotopic exchange was invested using interpretation of vapor isotopic composition measurements with various snow samples such as precipitation, surface snow. The custom-made calibration system allowed continuous observations of surface water vapor isotopic compositions was presented in the accuracy of 0.17‰ for δ18O and 1.01‰ for δD. The observations show that water vapor isotopic compositions can be accurately retrieved with a high temporal resolution (10 min). This work can enhance the understanding for the hydrological cycle of Antarctica and suggest its possibility to reduce uncertainties in studying past climate changes and atmospheric models to demonstrate atmospheric moisture origin;본 연구는 해양 및 눈 표면 위 대기 중 수증기안정동위원소를 연속 측정하여 2018-2019년 남극 하계 기간동안 남극 로스해 테라노바만 (Terra Nova Bay, Antarctica) 연안에서의 물 순환에 대해 연구하였다. 남극에서의 물 순환 연구는 고기후 복원을 위한 빙하코어의 물안정동위원소 해석의 정확성을 높이는데 기여할 수 있다. 수증기안정동위원소 측정의 정확도 향상을 위한 검정장치를 개발 및 이용하였으며, δ18O (δD)의 오차는 약 ±0.17 ‰(1.01 ‰)로 확인되었다. 해양에서의 수증기안정동위원소는 상대습도와 같은 기상조건에 주로 결정되는 것으로 확인되었다. 하지만 극지역의 경우 해빙의 발달 정도가 수증기안정동위원소비의 변화를 야기할 수 있고, 이는 빙하코어의 물안정동위원소를 이용한 기후복원 시 해빙의 면적을 고려해야 하는 것을 알려준다. 수증기와 눈 표면의 상호작용 및 상변화에 따른 수증기안정동위원소 분별 작용, 눈의 퇴적 후 작용에 의한 물안정동위원소비의 변화에 대한 연구는 빙하코어 고해상도 연구의 정확성을 높이기 위해 수행되었다. 본 연구는 극지역 해상 및 눈 표면에서의 수증기안정동위원소의 안정적 측정 가능성을 제시하였다. 또한, 고해상의 고기후 연구를 위해 고려해야 하는 기상 조건을 제시하였고, 대기 모델의 극지역 수증기안정동위원소비 예측값과의 비교 검증을 통해 수분의 이동에 따른 물리적 작용에 대해 논의할 수 있었다.