Izotopy (Čeština)

Jedním z mnoha způsobů, jak paleoklimatologové znají minulé podnebí a oceánské podmínky, je použití chemického složení kamenných a fosilních vzorků. Pamatujte, že chemické prvky se skládají z určitého počtu protonů, neutronů a elektronů. Prvky mají nabitý zůstatek (ani kladný, ani záporný), protože mají stejný počet elektronů a protonů. Různé chemické reakce v přírodě však způsobí, že prvky buď získají nebo ztratí elektrony, a prvky se nabijí kladně nebo záporně. Když k tomu dojde, z prvků se stanou ionty. Kladné a záporné ionty přitahují každý k tvorbě pevných látek, některých kapalin a některých plynů. Když se pevná látka rozpustí ve vodě, kladné a záporné ionty se rozpadnou a disociují ve vodě. Většina hornin a fosilně tvrdých částí je vyrobena z iontových sloučenin.

Například kuchyňská sůl, chlorid sodný, se rozpustí ve vodě a vytvoří kladně nabitý iont sodíku a záporně nabitý chloridový iont. Toto vytváří vodné (na vodní bázi) řešení:

Ve výše uvedené rovnici (s) označuje pevný materiál (kuchyňská sůl), zatímco (aq) znamená, že tyto ionty jsou rozpuštěny ve vodném roztoku.

Chemické prvky se nacházejí v různých verzích, které se nazývají izotopy. Izotopy jsou prvky, které obsahují stejné množství protonů, ale liší se počtem neutronů v jejich jádrech. Například existují tři izotopy prvku kyslík (O): kyslík 16, 17 a 18. Každý izotop kyslíku obsahuje 8 protonů, liší se však počtem neutronů. Číslo izotopu je zkratkovým vyjádřením jeho hmotnosti. Protože protony a neutrony mají zhruba stejnou hmotnost, počet izotopů se rovná součtu jeho protonů a neutronů. Kyslík 16 má tedy 8 protonů a 8 neutronů, kyslík 17 má 8 protonů a 9 neutronů a kyslík 18 má 8 protonů a 10 neutronů.

Existují dva hlavní typy izotopů, které geologové používají k interpretaci starověká Země: stabilní a nestabilní izotopy. Nestabilní izotop zažívá radioaktivní rozpad, kde prvek v průběhu času ztratí energii. Několik radioaktivních izotopů se vyskytuje přirozeně a ne všechny jsou špatné nebo poškozují člověka. Paleoklimatologové však s těmito nestabilními izotopy běžně nepracují. Místo toho používáme stabilní izotopy, které nepodléhají radioaktivnímu rozpadu.

Dva nejběžnější stabilní izotopy, které geologové používají, jsou uhlík (C) a kyslík (O). Ačkoli existuje několik typů stabilních izotopů, budeme hovořit hlavně o uhlíku a kyslíku získaném z planktické a bentické foraminifery, protože ty jsou v paleoklimatologii (zejména ke studiu našich oceánů) velmi běžné, ale krátce se dotknou i dalších zástupců používaných pro izotop analýzy.

Jak se získávají izotopy uhlíku a kyslíku?

Paleoklimatologové získávají izotopy uhlíku a kyslíku z kalcitu, běžného odrůda uhličitanu vápenatého s chemickým vzorcem CaCO3. V tomto vzorci existují tři prvky: vápník (Ca), uhlík (C) a tři atomy kyslíku (O). Kalcit a uhličitan vápenatý jsou běžné na Zemi a v oceánech a mohou mít několik forem. Zde si krátce povíme o nejběžnějších typech kalcitu používaných pro analýzu izotopů.

Kalcit je složkou mnoha sedimentárních hornin. Když je sedimentární hornina složena převážně z uhličitanu vápenatého, geologové ji nazývají vápencem. Vápencové skály se snadno erodují ve srovnání s metamorfovanými a vyvřelými horninami. Uhličitan vápenatý se při působení kyselin rozpouští. Protože dešťová voda je mírně kyselá, dlouhodobé vystavení dešti chemicky eroduje vápencové skalní útvary (nebo dokonce vápencovou sochu).

Když k tomu dojde, jsou přeneseny rozpuštěné ionty z vápence vodou do půdy, kde mohou nakonec najít cestu do jeskyní. Zde mají vápencové ionty prostor pro odkapávání do jeskyně a vytváření nových vápencových útvarů ve formě stalaktitů a stalagmitů (běžně označovaných jako speleotémy). K analýze stabilních izotopů uhlíku a kyslíku ze speleotém jsou vyříznuty z jeskyně a odvezeny do laboratoře, kde jsou rozřezány na polovinu a vyleštěny.Mikrodrill se poté použije k vrtání drobných vzorků z definovaných intervalů podél speleotému pro analýzu izotopů.

Kalcit je také používán mořskými organismy k vytváření skořápek a tvrdých částí. Bezobratlí zvířata (ti, kterým chybí páteř) používají rozpuštěné kalcitové ionty ke stavbě svých mušlí přinejmenším od kambria (před 550 miliony let). Běžné fosilní skupiny, které využívají kalcit, zahrnují brachiopody, trilobity a starověké ostnokožce, jako jsou blastoidy. Některá existující (stále žijící) zvířata, jako mořští ježci a ústřice, také staví své kostry z kalcitu. Kromě toho někteří protisté, jako je planktická a bentická foraminifera, používají k sestavení testů kalcit. Organismy produkující kalcit zaznamenávají hodnoty uhlíku a kyslíku ve svých skořápkách a lze je analyzovat na izotopy uhlíku a kyslíku.

V horninách paleozoického věku vědci běžně získávají izotopy kyslíku z jiného typu fosilií: konodontů . Tyto malé zkameněliny podobné zubům jsou pozůstatky prastarých organismů podobných úhořům, které představují jedny z prvních strunatců. Conodonty se běžně vyskytují ve vápencových skalách, protože tato stvoření plavala v mořích, ve kterých byl vápenec uložen. Na rozdíl od vápnitých brachiopodů a trilobitů, mezi nimiž žili, jsou conodontské zuby vyrobeny z apatitu nebo fosforečnanu vápenatého s chemickým vzorcem Ca3O8P2. Tito vědci mohou analyzovat konodonty za účelem získání izotopů kyslíku.

Vědci také mohou k analýze izotopů uhlíku a kyslíku použít vzorky vápence odebrané přímo z výchozu. Získání těchto objemných vzorků uhličitanu z vápence obvykle zahrnuje nalezení vhodného výchozu vápence, vytloukání některých kusů v definovaných intervalech a odebrání vzorků zpět do laboratoře k analýze.

Jak se měří izotopy uhlíku a kyslíku?

Jakmile je pro izotop odebrán vhodný materiál (vzorky vápence, speleotémy nebo fosilie) Při analýzách se malý vzorek vloží do hmotnostního spektrometru, aby se změřilo množství izotopů uhlíku a kyslíku v každém vzorku. Každý vzorek se vloží do lahvičky a všechny lahvičky se poté vloží do karuselu (viz obrázek vlevo, s červenou šipkou směřující ke karuselu se vzorky). Přibližně tři kapky kyseliny se dají do lahviček, aby se rozpustil vzorek, čímž se vytvoří plyn, který obsahuje měřené ionty. Iony jsou velmi reaktivní, takže měření v hmotnostním spektrometru probíhají ve vakuu. Existuje několik různých typů hmotnostních spektrometrů, ale jedním z běžných způsobů měření izotopů je manipulace s nimi pomocí magnetů a elektrických polí a jejich sestřelení po ohnuté trubici.

Protože izotopy prvků se liší hmotností v důsledku dalších neutronů (například kyslík s 18 neutrony je těžší než molekula kyslíku se 16 neutrony), budou se v trubici vychylovat pod různými úhly. Míra vychýlení iontů / atomů magnetem je tak těžká. Těžší iont / atom / molekula je pro magnet těžší odklonit, takže se bude otáčet jen mírně, zatímco lehčí i / a / m má menší setrvačnost a je snadnější se otočit.

Lehčí molekuly jsou tedy vychýleny více než ty těžší. Tato informace se odesílá do počítače, který poskytuje výzkumníkovi údaje o množství každého izotopu v každém vzorku.

Podrobnější popis fungování hmotnostní spektrometrie najdete zde. Chcete-li video demonstrovat, jak jsou ionty vychýleny v hmotnostním spektrometru, klikněte sem.

Chcete-li se dozvědět, jak paleoklimatologové interpretují izotopy uhlíku a kyslíku, pokračujte v části „Uhlík & Stránka Oxygen Isotopes!