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210Po-210Pb活度不平衡鉴年法测定北极冰区表层冰雪年龄

钟强强 王求贵 于涛 黄德坤 王浩 陈随缘

钟强强,王求贵,于涛,等. 210Po-210Pb活度不平衡鉴年法测定北极冰区表层冰雪年龄[J]. 海洋学报,2022,44(x):1–10 doi: 10.12284/hyxb2022073
引用本文: 钟强强,王求贵,于涛,等. 210Po-210Pb活度不平衡鉴年法测定北极冰区表层冰雪年龄[J]. 海洋学报,2022,44(x):1–10 doi: 10.12284/hyxb2022073
Zhong Qiangqiang,Wang Qiugui,Yu Tao, et al. Dating the Age of Surficial Snow in the Arctic Ocean by 210Po-210Pb Disequilibria[J]. Haiyang Xuebao,2022, 44(x):1–10 doi: 10.12284/hyxb2022073
Citation: Zhong Qiangqiang,Wang Qiugui,Yu Tao, et al. Dating the Age of Surficial Snow in the Arctic Ocean by 210Po-210Pb Disequilibria[J]. Haiyang Xuebao,2022, 44(x):1–10 doi: 10.12284/hyxb2022073

210Po-210Pb活度不平衡鉴年法测定北极冰区表层冰雪年龄

doi: 10.12284/hyxb2022073
基金项目: 中国博士后科学基金(2021M693780);南海海洋资源利用国家重点实验室(海南大学)开放课题(MRUKF2021015);福建省社会发展引导性(重点)项目(2019Y0073);自然资源部第三海洋研究所基本科研业务费专项(海三科2018029)。
详细信息
    作者简介:

    钟强强(1992-),男,江西省南丰县人,博士后,主要研究方向为环境放射化学和同位素海洋学。E-mail: zhongqiangqiang@tio.org.cn

    黄德坤,男,副研究员,主要研究方向为同位素海洋学。E-mail:dkhuang@tio.org.cn

    通讯作者:

    于涛,女,研究员,主要研究方向为海洋化学。E-mail:yutao@tio.org.cn

  • 中图分类号: P734

Dating the Age of Surficial Snow in the Arctic Ocean by 210Po-210Pb Disequilibria

  • 摘要: 远离河流和大陆的北冰洋冰区,大气沉降是210Po、210Bi、210Pb和7Be核素等最重要的来源。降雪一旦形成即被标记具有特定的210Po/210Pb活度比值,并降落到海冰表面,进入封闭状态。在封闭体系的冰雪中,随着时间推移,210Po从相对于210Pb强烈亏损的状态逐渐回复到210Po-210Pb平衡状态。因此可以通过分析北冰洋表层冰雪中210Po-210Pb活度不平衡特征,量化冰区表层冰雪的表观年龄。本文搜集整理了北极地区气溶胶的210Po/210Pb活度比值,结合2018年中国第9次北极科学考察航次和2015年美国GEOTRACES 北冰洋航次(US GEOTRACES Arctic cruise)中若干冰站表层冰雪的210Po/210Pb活度比特征,估算了北冰洋表层冰雪的表观年龄。结果表明,2018年中国冰站采集的表层冰雪年龄变化范围为106~272 d,远大于2015年美国冰站采集的表层冰雪的年龄;而两国冰站表层冰雪的年龄都呈现一定的纬度效应,即随着采样站位越靠近北极点,总体上表层冰雪的年龄呈现越来越大的特点,表明北极冰区表层冰雪越靠近北极点,表层冰雪被保留的时间会越长。210Po/210Pb 活度不平衡定年法可以作为一种评估北冰洋冰雪年龄的方法并与遥感技术协同使用。
  • 图  1  210Po/210Pb活度比随时间的理论变化曲线

    假设条件为:210Po的初始活度为0.1 Bq,210Pb的初始活度为1 Bq。210Po由两部分构成,一部分是初始时刻210Po随时间衰变后剩余的部分(A1),另一部分是母体210Pb衰变内生长生产的210Po(A2)。图中红线、粉色曲线、和绿线分别代表任意时刻210Po、210Pb和210Po/210Pb活度比随时间的变化关系。黑线A1代表初始210Po的衰变曲线,蓝线A2代表210Po的内生长曲线

    Fig.  1  Theoretical curve of 210Po/210Pb activity ratio versus time

    Assumption: the initial activity of 210Po is 0.1 Bq and the initial activity of 210Pb is 1 Bq. 210Po is composed of two parts, one is the remaining part (A1) after the decay of 210Po, and the other part is the ingrowth of 210Po from 210Pb decay. The red line, pink line, and green line represent the change curves of 210Po, 210Pb, and 210Po/210Pb activity ratio, respectively. The black A1 line denotes the decay curve of initial 210Po and the bule A2 line denotes the ingrowth curve of 210Po from 210Pb decay

    图  2  2018年中国第9次北极科考航次(a)和2015年美国GEOTRACES北冰洋航次(b)在冰区的表层冰雪采样站位

    Fig.  2  Sampling stations of surficial snow in the Arctic Ocean by the Chinese Ninth Arctic cruise in 2018 (a) and the US GEOTRACES Arctic cruise in 2015 (b)

    图  3  北极地区表层大气气溶胶观测站位(a)以及各站位气溶胶的210Po活度(b)、210Pb活度(c)和210Po/210Pb活度比(d)

    Fig.  3  Spatial distribution of aerosol observation stations (a), 210Po activity concentration (b), 210Pb activity concentration (c) and 210Po/210Pb activity ratio (d) in the lower atmosphere over the Arctic region

    图  4  表层冰雪210Po、210Pb和210Po/210Pb活度比随纬度的变化关系

    Fig.  4  Variations of 210Po, 210Pb, and 210Po/210Pb activity ratio with latitude in the Arctic Ocean

    图  5  北冰洋表层冰雪表观年龄的空间分布

    a. 2018年中国九北冰站;b. 2015年美国北冰洋冰站

    Fig.  5  Spatial distribution of age of snow in the Arctic Ocean

    a. Ice stations during the Chinese Ninth Arctic cruise in 2018; b. ice stations during the US GEOTRACES Arctic cruise in 2015

    表  1  中美两国北冰洋航次表层冰雪中210Po活度、210Pb活度和210Po/210Pb活度比值汇编

    Tab.  1  Compilation of 210Po, 210Pb activity and 210Po/210Pb activity ratio in the surficial snow of the Arctic Ocean from the 2018 Chinese Ninth Arctic cruise and the 2015 US GEOTRACES Arctic cruise.

    站位名采样时间经度纬度雪融化后的体积/L冰雪融化后的盐度210Po (mBq/kg)210Pb (mBq/kg)210Po/210Pb比值参考文献
    2018年中国第九次北极科学考察航次[10]
    S012018年8月10日168.83°W79.22°N26055.3±2.679.0±5.20.70±0.06
    S022018年8月12日169.11°W79.93°N27049.1±2.162.8±3.70.78±0.06
    S032018年8月13日169.44°W81.16°N400.236.2±1.830.9±2.11.17±0.10
    S042018年8月14日168.19°W82.03°N170.572.6±4.149.1±3.71.48±0.14
    S052018年8月14日167.36°W82.62°N32087.5±3.5194±70.45±0.02
    S062018年8月20日166.01°W84.71°N390.164.7±3.084.2±5.40.77±0.06
    S072018年8月21日167.67°W84.72°N240.287.1±3.864.5±4.41.35±0.11
    S082018年8月23日162.17°W84.58°N23063.1±3.083.9±5.30.75±0.06
    2015年美国GEOTRACES北冰洋航次[11]
    ST-312015年9月2日176.67°E88.42°N11.60.253.8±1.2232±90.20±0.01
    ST-332015年9月4日3.53°E89.96°N14.50.621.2±0.5145±50.13±0.01
    ST-392015年9月8日149.61°W87.78°N17.50.11.03±0.0326.3±0.80.032±0.001
    ST-422015年9月11日150.54°W85.16°N9.80.75.13±0.1539.7±1.30.11±0.01
    ST-432015年9月13日150.00°W85.16°N17.50.26.10±0.1792.2±3.20.063±0.003
    ST-462015年9月16日149.93°W82.49°N18.250.11.64±0.0678.2±3.00.021±0.001
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    表  2  北极地区表层大气气溶胶中210Po、210Pb活度及210Po/210Pb活度比的数据汇总

    Tab.  2  Summary of 210Po, 210Pb and 210Po/210Pb activity ratios in aerosols of the lower atmosphere over the Arctic regions

    站位名观测时间经度纬度210Po210Pb气溶胶中
    210Po/210Pb比
    文献
    起点终点起点终点μBq/m3μBq/m3
    北冰洋-12015年8月10日–8月17日170.509°W167.688°W56.074°N69.926°N0.7±0.19.3±0.50.075±0.007[11]
    北冰洋-22015年8月20日–8月23日170.75°W174.953°W75.566°N79.997°N3.8±0.270.0±1.70.055±0.003
    北冰洋-32015年8月23日–8月27日174.953°W174.731°E80.001°N83.572°N5.5±0.3105±50.052±0.004
    北冰洋-42015年8月27日–8月30日175.043°E170.654°E83.757°N86.244°N8.2±0.7107±30.077±0.007
    北冰洋-62015年9月4日–9月8日176.752°E97.848°W88.408°N89.945°N4.8±0.3105±30.046±0.003
    北冰洋-72015年9月8日–9月12日104.19°W149.43°W89.941°N87.352°N2.0±0.2105±30.019±0.002
    北冰洋-82015年9月12日–9月16日149.044°W149.855°W87.27°N85.145°N0.17±0.0256.7±3.30.002 9±0.000 3
    北冰洋-92015年9月17日–9月20日150.395°W149.377°W85.163°N82.259°N0.07±0.0571.7±3.30.000 9±0.000 7
    北冰洋-102015年9月21日–9月26日150.811°W148.501°W82.101°N78.974°N1.4±0.1100±30.014±0.001
    北冰洋-112015年9月26日–9月29日148.093°W150.176°W78.804°N75.047°N5.8±0.5358±300.016±0.002
    北冰洋-122015年9月29日–10月3日150.215°W156.793°W75.06°N73.426°N4.7±0.3125±50.037±0.003
    北冰洋-132015年10月3日–10月7日156.766°W162.562°W73.397°N71.998°N5.2±0.3158±70.033±0.003
    北冰洋-142015年10月7日–10月9日162.56°W168.449°W72.004°N65.95°N9.2±0.7127±80.072±0.007
    北冰洋平均值4.0±2.9#(n=13)152±82#(n=13)0.038±0.027#(n=13)
    Poker Flat1996年1月8日–2月26日147.5°W65.1°N99.8±73.5*(n=2)922±141*(n=2)0.103±0.064*(n=2)[12]
    Eagle1996年1月10日–3月15日141.2°W65.9°N36.5±16.2*(n=6)361±122*(n=6)0.108±0.050*(n=6)
    Ny-Alesund1995年2–3月11.87°E78.93°N56±34*(n=18)325±265*(n=18)0.191±0.038*(n=18)[13]
    Lisbon1986年–1989年9.1°W38.78°N11.0±2.6*(n=16)131±37*(n=16)0.090±0.020*(n=16)[14]
    Detroit1999年–2001年83.017°W42.417°N71.7(n=30)1150(n=30)0.062(n=30)[15]
    Lodz2008年10月–2009年7月19.4667°E51.7833°N77±18*(n=38)597±69*(n=38)0.129±0.034*(n=38)[16]
    注:#表示基于13个北冰洋表层大气气溶胶数据计算的平均值和标准偏差, *代表平均值±标准偏差。
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    表  3  基于210Po/210Pb活度不平衡法估算中美两国北冰洋航次表层冰雪年龄

    Tab.  3  Estimated age of snow based on the 210Po-210Pb disequilibrium for the Chinese and American cruise in the Arctic Ocean

    站位名冰雪年龄/d参考文献
    2018年中国“九北”科考航次
    S01217±63本文
    S02272±79
    S03/
    S04/
    S05106±31
    S06262±76
    S07/
    S08249±73
    2015年美国GEOTRACES北冰洋航次
    ST-3134±2[11]
    ST-3320±1
    ST-39/
    ST-4215±1
    ST-434.9±0.6
    ST-46/
    注:“/”表示无法计算出结果。
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