宇宙成因核素
 7Be和
 10Be示踪大气垂直传输交换研究进展

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.088

地球科学进展 ›› 2020, Vol. 35 ›› Issue (10): 1016 -1028. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.088

宇宙成因核素 ⁷Be和 ¹⁰Be示踪大气垂直传输交换研究进展

刘许柯 ^1, ^2, ³(

),付云翀 ^1, ²(

),周卫健 ^1, ²,张丽 ^1, ²,赵国庆 ^1, ²

^1.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西西安 710061
^2.西安加速器质谱中心陕西省加速器质谱技术及应用重点实验室，陕西西安 710061
^3.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2020-08-17 修回日期:2020-09-23 出版日期:2020-10-10
通讯作者: 付云翀 E-mail:liuxuke@ieecas.cn;fuyc@ieecas.cn
基金资助:
中国科学院战略性先导科技专项(B类)“亚太多尺度气候环境变化动力学”(XDB40000000);国家自然科学基金面上项目“利用加速器质谱技术进行汾渭平原地区气溶胶传输的10Be与7Be示踪研究初探”(11975240)

Cosmogenic Nuclide ⁷Be and ¹⁰Be Trace Atmospheric Vertical Transmission： A Review

Xuke Liu ^1, ^2, ³( ),Yunchong Fu ^1, ²( ),Weijian Zhou ^1, ²,Li Zhang ^1, ²,Guoqing Zhao ^1, ²

^1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences （IEECAS），Xi'an 710061，China
^2.Shaanxi Key Laboratory of Accelerator Mass Spectrometry Technology and Application，Xi'an AMS Center of IEECAS，Xi'an 710061，China
^3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2020-08-17 Revised:2020-09-23 Online:2020-10-10 Published:2020-11-30
Contact: Yunchong Fu E-mail:liuxuke@ieecas.cn;fuyc@ieecas.cn
About author:Liu Xuke (1993-), male, Chengdu City, Sichuan Province, Ph.D student. Research areas include beryllium isotope trace. E-mail: liuxuke@ieecas.cn
Supported by:
the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences "Dynamics of multi-scale climate and environmental change in the Asia-Pacific"(XDB40000000);The National Natural Science Foundation of China "Preliminary study 10Be and 7Be as tracer for aerosol transfers at Fen-Wei Plain by accelerator mass spectrometry"(11975240)

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示踪大气垂直传输交换过程对了解大气中化学物质传输路径、气候变化过程及预测大气环境变化趋势具有重要的科学意义。大气⁷Be和¹⁰Be生成后就迅速被氧化，随干/湿沉降过程到达地表，通过分析其中⁷Be和¹⁰Be浓度以及¹⁰Be/⁷Be值可示踪平流层—对流层交换过程。为全面了解⁷Be和¹⁰Be示踪大气垂直传输交换过程及研究现状，从⁷Be和¹⁰Be的浓度及其比值的分布规律及影响机制方面剖析其对平流层—对流层交换的示踪，对相关示踪研究取得的成果进行了总结和评述。¹⁰Be/⁷Be值作为平流层—对流层交换灵敏示踪剂，相比⁷Be可避免对流层干/湿沉降及不同气团稀释作用影响，明显地避免纬度变化和太阳周期变化带来自身产率变化的影响。最后指出⁷Be和¹⁰Be示踪平流层—对流层交换时需要注意由南北半球区别、地区纬度变化及研究地点的地理位置特征等带来的影响；各地区长周期高精度的⁷Be和¹⁰Be数据对沉降通量研究、平流层—对流层交换示踪、全球气候模型的建立及验证具有重要作用；重悬浮粉尘对¹⁰Be浓度和¹⁰Be/⁷Be值的影响不可忽视，Al元素校正法是去除扬尘影响较为有效的校正方式。

关键词: ¹⁰Be/⁷Be, ⁷Be, ¹⁰Be, 平流层对流层交换, 示踪

The trace of the vertical atmospheric transport has important scientific significance for understanding the transport path of chemical substances in the atmosphere and the process of climate change， and predicting the changing trend of the atmospheric environment. The ⁷Be and ¹⁰Be in the atmosphere are rapidly oxidized after they are formed， and reach the surface with the dry/wet deposition. The concentration of ⁷Be， ¹⁰Be and the ratio of ¹⁰Be/⁷Be can be measured to trace the Stratosphere-Troposphere Exchange （STE）. In order to fully understand the process and research status of ⁷Be and ¹⁰Be trace atmospheric vertical transmission， this work analyzed how the ⁷Be and ¹⁰Be can trace STE from the distribution law and influence the mechanism of their concentration and ratio. At the same time， it summarized and reviewed the results of related research. The reason why ¹⁰Be/⁷Be is used as a sensitive tracer of STE was analyzed. Compared with ⁷Be， it can avoid tropospheric dry/wet sedimentation and dilution of different air masses. It can also obviously avoid the influence of latitude changes and solar cycle changes on its own yield. Finally， this work pointed out that when tracing STE by ⁷Be and ¹⁰Be， it is necessary to pay attention to the difference between the northern and southern hemispheres， the changes in regional latitude， and the geographic characteristics of the research site. The long-period and high-precision ⁷Be and ¹⁰Be data in various regions play an important role in the deposition flux， the trace STE， and the establishment and verification of global climate models. The influence of resuspended dust on the concentration of ¹⁰Be and the ratio of ¹⁰Be/⁷Be cannot be ignored， and the Al element correction method is a more effective correction method to remove the influence of dust.

Key words: ¹⁰Be/⁷Be, ⁷Be, ¹⁰Be, Stratosphere-troposphere exchange, Trace.

中图分类号:

P402

图1 ⁷Be、¹⁰Be和¹⁰Be/⁷Be的变化规律
(a) ⁷Be、 ¹⁰Be浓度以及 ¹⁰Be/ ⁷Be值的季节变化 ^{[

29
]}；(b) ⁷Be、 ¹⁰Be浓度在不同纬度上的变化趋势 ^{[

35
,

36
]}；(c) ⁷Be、 ¹⁰Be浓度以及 ¹⁰Be/ ⁷Be值在不同海拔上的变化趋势 ^{[

32
]}， ¹⁰Be/ ⁷Be 值：小于1.0（第1组，正方形），1.0~2.0（第2组，圆圈），2.0~3.0（第3组，三角形）和大于3.0（第4组，菱形）

Fig.1 Changes of ⁷Be concentration, ¹⁰Be concentration, and ¹⁰Be/⁷Be ratio
(a) The trends of ⁷Be concentration, ¹⁰Be concentration, and ¹⁰Be/ ⁷Be ratio at different seasons ^{[

29
]}; (b) The trends of ⁷Be ^{[

35
]} and ¹⁰Be ^{[

36
]} concentrations at different latitudes; (c) The trends of ⁷Be concentration, ¹⁰Be concentration, and ¹⁰Be/ ⁷Be ratio at different altitudes ^{[

32
]}. ¹⁰Be/ ⁷Be ratio：<1.0（group 1，square），1.0~2.0（group 2，circle），2.0~3.0（group 3，triangle），and > 3.0（group 4，rhombus）

表1 大气中 ⁷Be和 ¹⁰Be在不同纬度及全球平均的产率分布（产率单位 : atmos/（cm²·s）， 数据来自参考文献[ 40 ] ）

Table 1 The production rates of ⁷Be and ¹⁰Be at different latitudes and global average in the atmosphere （unit: atmos/（cm ²·s）， data from reference [ 40 ]）

核素	北纬							全球
核素	0°~10 °	10 °~20 °	20 °~30 °	30 °~40 °	40 °~50 °	50 °~60 °	60 °~90 °	全球
⁷Be	0.0148	0.0161	0.0197	0.0285	0.0478	0.0710	0.0740	0.0354
¹⁰Be	0.00775	0.00841	0.01040	0.01470	0.02480	0.03680	0.03860	0.01840
¹⁰Be/⁷Be	0.52	0.52	0.53	0.52	0.52	0.52	0.52	0.52

表1 大气中 ⁷Be和 ¹⁰Be在不同纬度及全球平均的产率分布（产率单位 : atmos/（cm²·s）， 数据来自参考文献[ 40 ] ）

Table 1 The production rates of ⁷Be and ¹⁰Be at different latitudes and global average in the atmosphere （unit: atmos/（cm ²·s）， data from reference [ 40 ]）

核素	北纬							全球
核素	0°~10 °	10 °~20 °	20 °~30 °	30 °~40 °	40 °~50 °	50 °~60 °	60 °~90 °	全球
⁷Be	0.0148	0.0161	0.0197	0.0285	0.0478	0.0710	0.0740	0.0354
¹⁰Be	0.00775	0.00841	0.01040	0.01470	0.02480	0.03680	0.03860	0.01840
¹⁰Be/⁷Be	0.52	0.52	0.53	0.52	0.52	0.52	0.52	0.52

图2 大气中⁷Be、和¹⁰Be产率的纬度分布^{[

29
]}
S代表平流层，T代表对流层

Fig.2 Distribution of ⁷Be production rates and ¹⁰Be production rates in the atmosphere at different latitudes^{[

29
]}
S stands for stratosphere and T stands for troposphere

图3 ¹⁰Be/⁷Be值与距对流层顶距离的关系^{[

32
]}

Fig.3 ¹⁰Be/⁷Be plotted versus distance from the tropopause^{[

32
]}

图4 1999—2014年⁷Be、¹⁰Be和¹⁰Be/⁷Be随STE的变化情况^{[

28
]}
(a) ⁷Be在3~6月和10~11月观察到2个峰值；(b) ¹⁰Be在3~6月和10~11月观察到1个主峰和1个次小峰；(c) ¹⁰Be/ ⁷Be在3~6月观察到1个峰值，这可归因于此期间发生的STE;NA和DZ分别代表东京站数据和太宰府站数据，其前面的数字代表收集的年份

Fig.4 The Changes of ⁷Be, ¹⁰Be and ¹⁰Be/⁷Be with the STE process between 1999 and 2014^{[

28
]}
(a) The ⁷Be concentration has 2 peaks from March to June and October to November; (b) The ¹⁰Be concentration has 1 main peak and 1 minor peak from March to June and October to November, respectively; (c) The ¹⁰Be/ ⁷Be ratio has a peak from March to June, which may be caused by STE. NA and DZ represent the data of Tokyo and Dazaifu station, respectively. The number after the station name represents the year collected

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Cosmogenic Nuclide 7Be and 10Be Trace Atmospheric Vertical Transmission： A Review

Cosmogenic Nuclide ⁷Be and ¹⁰Be Trace Atmospheric Vertical Transmission： A Review