Isotoper
En af de mange måder, hvorpå paleoklimatologer kender tidligere klima og havforhold, er ved hjælp af den kemiske sammensætning af sten og fossile prøver. Husk, at kemiske grundstoffer er sammensat af et antal protoner, neutroner og elektroner. Elementer har en ladet balance (hverken positiv eller negativ), fordi de har et lige antal elektroner og protoner. Imidlertid vil forskellige kemiske reaktioner i naturen medføre, at elementer enten vinder eller mister elektroner, og elementerne bliver positivt eller negativt ladede. Når dette sker, bliver elementerne ioner. Positive og negative ioner vil tiltrække hver for at danne faste stoffer, nogle væsker og nogle gasser. Når et fast stof opløses i vand, brydes de positive og negative ioner fra hinanden og adskilles gennem vandet. De fleste klipper og fossile hårde dele er lavet af ioniske forbindelser.
F.eks. opløses bordsalt, natriumchlorid i vand, der danner den positivt ladede natriumion og negativt ladede chloridion. Dette danner en vandig (vandbaseret) opløsning:
I ovenstående ligning angiver (s) et fast materiale (bordsalt), hvorimod (aq) indikerer, at disse ioner er opløst i en vandig opløsning.
Kemiske grundstoffer findes i forskellige versioner, kaldet isotoper. Isotoper er elementer, der indeholder den samme mængde protoner, men adskiller sig i antallet af neutroner i deres kerner. For eksempel er der tre isotoper af elementet oxygen (O): Ilt 16, 17 og 18. Hver isotop af ilt indeholder 8 protoner, men adskiller sig i antallet af neutroner. Et isotopnummer er en stenografisk repræsentation af dens masse. Fordi protoner og neutroner er omtrent lige store i masse, er en isotops antal lig med summen af dens protoner og neutroner. Derfor har ilt 16 8 protoner og 8 neutroner, ilt 17 har 8 protoner og 9 neutroner, og ilt 18 har 8 protoner og 10 neutroner.
Der er to hovedtyper af isotoper, som geoforskere bruger til at fortolke oldtidens jord: stabile og ustabile isotoper. En ustabil isotop oplever radioaktivt henfald, hvor elementet mister energi over tid. Flere radioaktive isotoper forekommer naturligt, og ikke alle er dårlige eller skader mennesker. Imidlertid arbejder paleoklimatologer ikke almindeligt med disse ustabile isotoper. I stedet bruger vi stabile isotoper, der ikke gennemgår radioaktivt henfald.
To af de mest almindelige stabile isotoper, der bruges af geovidenskabere, er kulstof (C) og ilt (O). Selvom der er flere typer stabile isotoper, vil vi hovedsagelig tale om kulstof og ilt opnået fra planktisk og bentisk foraminifera, da disse er meget almindelige i paleoklimatologi (især for at studere vores have), men vil også kort berøre andre fuldmagter, der bruges til isotop. analyser.
Hvordan opnås kulstof- og iltisotoper?
Calcit er en komponent i mange sedimentære klipper. Når en sedimentær sten består overvejende af calciumcarbonat, kalder geoforskere det en kalksten. Kalksten er lette at erodere sammenlignet med metamorfe og vulkanske klipper. Calciumcarbonat opløses, når det udsættes for syrer. Da regnvand er let surt, vil langvarig udsættelse for regn kemisk udhule kalkstenformationer (eller endda en kalkstenstatue for den sags skyld).
Når dette sker, bæres de opløste ioner fra kalksten derefter med vand ned i jorden, hvor de til sidst kan finde vej til huler. Her har kalkstenionerne plads til at dryppe ned i hulen og danne nye kalkstenformationer i form af stalaktitter og stalagmitter (almindeligvis benævnt speleothems). For at analysere stabile isotoper af kulstof og ilt fra speleothems skæres de ud af en hule og føres til et laboratorium, hvor de saves i halve og poleres.En mikroboremaskine bruges derefter til at bore små prøver fra definerede intervaller langs speleothemet til isotopanalyse.
Calcit bruges også af marine organismer til at bygge deres skaller og hårde dele. Dyr med hvirvelløse dyr (dem der mangler en rygrad) har brugt opløste calcitioner til at bygge deres skaller siden i det mindste Cambrian (ca. 550 millioner år siden). Almindelige fossile grupper, der bruger calcit, inkluderer brachiopoder, trilobitter og gamle pighuder, såsom blastoider. Nogle bevarede (stadig levende) dyr, som søpindsvin og østers, bygger også deres skelet af calcit. Derudover bruger nogle protister, såsom planktisk og bentisk foraminifera, calcit til at opbygge deres test. Calcitproducerende organismer registrerer værdierne af kulstof og ilt i deres skaller og kan analyseres for kulstof- og iltisotoper.
I klipper i paleozoisk alder får forskere almindeligvis iltisotoper fra en anden type fossil: konodoner . Disse små, tandlignende fossiler er alt, hvad der er tilbage af gamle ållignende organismer, der repræsenterer nogle af de tidligste akkordater. Konodonter findes almindeligvis i kalksten, da disse skabninger svømmede i havene, hvor kalksten blev deponeret. I modsætning til de kalkholdige brachiopoder og trilobitter, de levede blandt, er konodontænder lavet af apatit eller calciumphosphat med den kemiske formel Ca3O8P2. Disse forskere kan analysere konodonter for at opnå iltisotoper.
Forskere kan også bruge kalkstensprøver taget direkte fra en outcrop til at analysere isotoper af kul og ilt. At få disse bulkcarbonatprøver af kalksten indebærer typisk at finde en passende fremspring af kalksten, hamre nogle klumper væk med definerede intervaller og tage prøverne tilbage til laboratoriet for at analysere.
Hvordan måles kulstof- og iltisotoper?
Når det rigtige materiale (kalkstenprøver, speleothems eller fossiler) er samlet til isotop analyser, sættes en lille prøve i et massespektrometer for at måle mængderne af kulstof- og iltisotoper inden for hver prøve. Hver prøve lægges i et hætteglas, og alle hætteglassene sættes derefter i en karrusel (se billedet til venstre med rød pil, der peger på prøvekarusellen). Cirka tre dråber syre sættes i hætteglassene for at opløse prøven, hvilket skaber en gas, der indeholder de ioner, der skal måles. Ioner er meget reaktive, så målingerne inden for massespektrometeret finder sted i et vakuum. Der er flere forskellige typer massespektrometre, men en af de almindelige måder at måle isotoper er at manipulere dem med magneter og elektriske felter og skyde dem ned i et bøjet rør.
Fordi isotoper af elementer adskiller sig i vægt på grund af yderligere neutroner (for eksempel er ilt med 18 neutroner tungere end et iltmolekyle med 16 neutroner), vil de afbøjes i forskellige vinkler i røret. Graden af, hvor ioner / atomer afbøjes af en magnet, er hvor tunge de er. Et tungere ion / atom / molekyle er sværere for magneten at afbøje, så det drejer kun lidt, mens et lettere i / a / m har mindre inerti og er lettere at dreje.
Således afbøjes lettere molekyler mere end tungere. Denne information sendes til en computer, der giver forskeren data om mængden af hver isotop i hver prøve.
Klik her for en mere detaljeret redegørelse for, hvordan massespektrometri fungerer. Klik her for en videodemonstration om, hvordan ioner afbøjes i et massespektrometer.
For at lære, hvordan paleoklimatologer fortolker kulstof- og iltisotoper, skal du fortsætte til Carbon & Oxygenisotoper side!