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Experimental determination and theoretical framework of kinetic fractionation at the water vapour–ice interface at low temperature

Authors :
Frédéric Prié
Anais Orsi
Amaelle Landais
Erik Kerstel
Mathieu Casado
Jean-François Doussin
Janek Landsberg
Dan Israel
Edouard Pangui
Alexandre Cauquoin
Laboratoire Interdisciplinaire de Physique [Saint Martin d’Hères] (LIPhy)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette] (LSCE)
Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) (LMD)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-École polytechnique (X)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département des Géosciences - ENS Paris
École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)
Glaces et Continents, Climats et Isotopes Stables (GLACCIOS)
Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Energies (LPTHE)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA (UMR_7583))
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Department of Mathematics [Texas A&M University]
Texas A&M University [College Station]
Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)
Département des Géosciences - ENS Paris
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-École polytechnique (X)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)
Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)
Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Grenoble Alpes (UGA)
Source :
Geochimica et Cosmochimica Acta, Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016, 174, pp.54-69. ⟨10.1016/j.gca.2015.11.009⟩, Geochimica et Cosmochimica Acta, Elsevier, 2016, 174, pp.54-69. ⟨10.1016/j.gca.2015.11.009⟩
Publication Year :
2016
Publisher :
HAL CCSD, 2016.

Abstract

Water isotopes are commonly used for climate reconstruction from ice cores. The different heavy isotopes of water such as H218O, H217O or HDO give information about local temperature but also temperature and humidity of water vapour sources. Quantification of these parameters relies on the good knowledge of equilibrium and kinetic isotopic fractionation at each step of the water cycle. One of the strongest limitations when interpreting water isotopes in remote Antarctic ice cores is the formulation of the isotopic fractionation at solid condensation (vapour to ice). This classical formulation also implies a good knowledge of coefficients for equilibrium fractionation and water vapour diffusion in air as well as supersaturation in clouds. The uncertainties associated with these different parameters make the formulation of isotopic fractionation at solid condensation only empirical. Here, we make use (1) of recent development in the measurements of water isotopes in the water vapour through infra-red spectroscopy and (2) of the possibility to measure accurately 17O-excess of water to test the classical formulation and parameterization of isotopic fractionation at solid condensation. A first experiment involving very strong supersaturation evidences a strong kinetic effect on 17O-excess at solid condensation, similar to d-excess. It also shows the limits of the classical formulation of water isotopic fractionation during solid condensation estimation at very low temperature. A second experiment performed in a cloud chamber under controlled conditions uses cavity ring down spectrometers (CRDS) to determine the spatial variability of water vapour isotopic composition due to diffusion (kinetic effect) during solid condensation. The spatial variability of water vapour isotopic composition can be relatively well reproduced by the resolution of diffusion toward a cold plate. This preliminary study opens new perspectives to revisit the classical formulation of water isotopic fractionation during solid condensation at very low temperature.

Details

Language :
English
ISSN :
00167037
Database :
OpenAIRE
Journal :
Geochimica et Cosmochimica Acta, Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016, 174, pp.54-69. ⟨10.1016/j.gca.2015.11.009⟩, Geochimica et Cosmochimica Acta, Elsevier, 2016, 174, pp.54-69. ⟨10.1016/j.gca.2015.11.009⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....667b79195b16c4fa48d0f69919e189eb
Full Text :
https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.11.009⟩