我们如何使用氧同位素作为温度的替代品?

Question

据我所知，科学家们用冰川(或旧的有孔虫壳)中捕获的空气中的氧同位素16与18的比例作为过去温度的代表。我知道$\ce{^18O}$更重，它沉淀得更快，$\ce{^16O}$更轻，它蒸发得更快。

我知道，当天气变暖时，水中会有更多的蒸发和更多的重同位素。蒸汽向两极移动，在那里以雨或雪的形式落下，然后回到水中(这不算)，或者在冰川中停留数十万年。

所以当天气变暖时，海洋沉积物中应该有更多的美元，而北极冰川中应该有更少的美元，对吗?所以在冰川->暖期多$\ce{^16O}$(少$\ce{^18O}$)。

另一方面，当天气寒冷时，随着空气向两极移动，降水发生得更早，重同位素在更大的纬度上下降得更早。在流向两极的空气中，只剩下很少的重同位素。所以冰川->寒冷期$\ce{^16O}$多($\ce{^18O}$少)。这与上面的相反。那么如何从冰和沉积物岩心中计算出温度呢?

Answer 1

这是一个大致的答案。根据皇家化学学会的网页化学气候代理(Evans, 2013)，水中更稀有和更重的$\ce{^18O}$同位素通常比更轻和更常见的$ ce{^16O}$同位素更早地蒸发和冷凝(和沉淀)出来，如下图所示:

来源:密歇根大学网页地球过去的气候

环境越冷，大气中的水蒸气凝结得越快，因此$\ce{^18O}$同位素消耗得越快，在到达两极时$\ce{^18O}$与$\ce{^16O}$的比值就越低(在RSC页面中称为$\delta{\ce{^18O}}$)。相比之下，更温暖的环境意味着水蒸气凝结更晚、更慢，这意味着含有更少$\ce{^18O}$的水蒸气凝结，导致$ delta{\ce{^18O}}$值更高。

简而言之，$\ce{^16O}$的数量并不多，而是$\ce{^18O}$与$\ce{^16O}$的比值，也就是$\delta{\ce{^18O}}$。

下面的地球天文台图表展示了当前的过程，显示了温暖和寒冷环境之间的差异:

来源:地球天文台网页:古气候学:氧气平衡