Fraktionering og temperaturer: hvorfor afspejler δ¹⁸O og δD temperaturen?

I 1950erne undersøgte Willi Dansgaard sammenhængen mellem den årlige middeltemperatur og δ¹⁸O i prøver af nedbør samlet mange forskellige steder i verden. I nutidige prøver af nedbør fandt han en klar sammenhæng, og man antager at denne sammenhæng også gælder for fortidens nedbør - i hvert fald kvalitativt.

Sammenhængen skal ses udfra, at den maksimale mængde fugtighed som luft kan indeholde, aftager når temperaturen falder. Når fugtig luft bliver afkølet, vil vandmolekylerne på et tidspunkt kondensere og danne nedbør. Da de tunge isotoper har lettere ved at kondensere, vil den fugtige luftmasse gradvist miste relativt flere vandmolekyler med de tunge isotoper (¹⁸O og ²H som også normalt betegnes D) end med de mere normale, lette varianter (¹⁶O og ¹H). Hver gang der dannes nedbør vil antallet af de tunge isotoper i luftmassen falde yderligere. I fysikkens sprog taler man om fraktionering, altså en gradvis ændring af det relative isotopforhold. Når det er koldt (f.eks. om vinteren eller i en kold klimatisk periode) har luftmasserne på deres vej til Grønland været udsat for mere nedkøling og på den måde dannet mere nedbør. Den resterende vanddamp vil derfor indeholde færre af de tunge isotoper (svarende til lavere δ¹⁸O og δD værdier). 

Årstidsvariationen af δD i grønlandsk sne og is skyldes sæsonmæssige variationer af den mængde regn som en luftmasse afleverer på vejen til Grønland. Sommer- og vinterlag i iskernen kan derfor skelnes fra hinanden ud fra målinger af δD.

Et eksempel på hvordan antallet af tunge isotoper i luftmasserne falder på deres vej til Grønland, er vist i figuren ovenfor, for henholdsvis sommer og vinter. Faldet i mængden af Deuterium (angivet som δD i skyer og nedbør) afhænger af mængden af regn som har forladt skyen (illustreret her med hvor mange gange der bliver dannet nedbør under skyen). På denne måde reflekterer δD hvor meget nedbør der har forladt luftmassen, hvilket igen hænger sammen med temperaturen. Givet den komplekse natur af den fysiske sammenhæng mellem δD (eller δ¹⁸O) og temperaturen ved nedbørsstedet, kan det godt virke overraskende, at den observerede sammenhæng mellem de to parametre er så stærk, men ikke desto mindre er δ¹⁸O selv i dag den mest benyttede proxy for fortidens temperaturer.

Læs mere:
- Isotoper og delta-notationen
- Isotopmålinger som basis for iskernedatering
- Metoder til måling af isotopforhold i vand