Isótopos

Una de las muchas formas en que los paleoclimatólogos conocen las condiciones climáticas y oceánicas pasadas es mediante el uso de la composición química de las rocas y los especímenes fósiles. Recuerde que los elementos químicos están compuestos por una cierta cantidad de protones, neutrones y electrones. Los elementos tienen un equilibrio cargado (ni positivo ni negativo) porque tienen el mismo número de electrones y protones. Sin embargo, varias reacciones químicas en la naturaleza harán que los elementos ganen o pierdan electrones, y los elementos se carguen positiva o negativamente. Cuando esto sucede, los elementos se convierten en iones. Los iones positivos y negativos atraerán a cada uno para formar sólidos, algunos líquidos y algunos gases. Cuando un sólido se disuelve en agua, los iones positivos y negativos se rompen y se disocian a través del agua. La mayoría de rocas y partes duras fósiles están hechas de compuestos iónicos.

Por ejemplo, la sal de mesa, el cloruro de sodio, se disolverá en agua formando el ion sodio con carga positiva y el ion cloruro con carga negativa. Esto forma una solución acuosa (a base de agua):

En la ecuación anterior, la (s) indica un material sólido (sal de mesa), mientras que (aq) indica que estos iones están disueltos en una solución acuosa.

Los elementos químicos se encuentran en diferentes versiones, llamadas isótopos. Los isótopos son elementos que contienen la misma cantidad de protones, pero difieren en la cantidad de neutrones en sus núcleos. Por ejemplo, hay tres isótopos del elemento oxígeno (O): Oxígeno 16, 17 y 18. Cada isótopo de oxígeno contiene 8 protones, pero difiere en el número de neutrones. Un número de isótopo es una representación abreviada de su masa. Debido a que los protones y los neutrones son aproximadamente iguales en masa, el número de un isótopo es igual a la suma de sus protones y neutrones. Por lo tanto, el oxígeno 16 tiene 8 protones y 8 neutrones, el oxígeno 17 tiene 8 protones y 9 neutrones, y el oxígeno 18 tiene 8 protones y 10 neutrones.

Hay dos tipos principales de isótopos que los geocientíficos utilizan para interpretar la Tierra antigua: isótopos estables e inestables. Un isótopo inestable experimenta una desintegración radiactiva, donde el elemento perderá energía con el tiempo. Varios isótopos radiactivos se producen de forma natural y no todos son malos o causan daño a los seres humanos. Sin embargo, los paleoclimatólogos no suelen trabajar con estos isótopos inestables. En su lugar, utilizamos isótopos estables que no experimentan desintegración radiactiva.

Dos de los isótopos estables más comunes que utilizan los geocientíficos son los de carbono (C) y oxígeno (O). Aunque existen varios tipos de isótopos estables, hablaremos principalmente del carbono y el oxígeno obtenidos de foraminíferos plancticos y bentónicos, ya que son muy comunes en paleoclimatología (especialmente para estudiar nuestros océanos), pero también tocaremos brevemente otros proxies utilizados para isótopos. análisis.

¿Cómo se obtienen los isótopos de carbono y oxígeno?

Los paleoclimatólogos obtienen isótopos de carbono y oxígeno a partir de la calcita, un variedad de carbonato de calcio, con la fórmula química CaCO3. En esta fórmula, hay tres elementos: calcio (Ca), carbono (C) y tres átomos de oxígeno (O). La calcita y el carbonato de calcio son comunes en la Tierra y en los océanos, y pueden tomar varias formas. Aquí hablaremos brevemente sobre los tipos más comunes de calcita que se utilizan para el análisis de isótopos.

La calcita es un componente de muchas rocas sedimentarias. Cuando una roca sedimentaria está compuesta predominantemente por carbonato de calcio, los geocientíficos la llaman piedra caliza. Las rocas calizas son fáciles de erosionar en comparación con las rocas ígneas y metamórficas. El carbonato de calcio se disuelve cuando se expone a ácidos. Debido a que el agua de lluvia es ligeramente ácida, la exposición prolongada a la lluvia erosionará químicamente las formaciones rocosas de piedra caliza (o incluso una estatua de piedra caliza).

Cuando esto ocurre, los iones disueltos de la piedra caliza son transportados por el agua en el suelo, donde eventualmente pueden encontrar su camino a las cuevas. Aquí, los iones de piedra caliza tienen espacio para gotear en la cueva y formar nuevas formaciones de piedra caliza en forma de estalactitas y estalagmitas (comúnmente conocidas como espeleotemas). Para analizar isótopos estables de carbono y oxígeno de los espeleotemas, se extraen de una cueva y se llevan a un laboratorio, donde se cortan por la mitad y se pulen.Luego, se usa una microperforadora para perforar pequeñas muestras de intervalos definidos a lo largo del espeleotema para el análisis de isótopos.

Los organismos marinos también usan la calcita para construir sus conchas y partes duras. Los animales invertebrados (los que carecen de columna vertebral) han estado usando iones de calcita disueltos para construir sus caparazones desde al menos el Cámbrico (hace unos 550 millones de años). Los grupos fósiles comunes que utilizan calcita incluyen braquiópodos, trilobites y equinodermos antiguos, como los blastoides. Algunos animales existentes (aún vivos), como los erizos de mar y las ostras, también construyen sus esqueletos a partir de calcita. Además, algunos protistas, como los foraminíferos plankticos y bentónicos, usan calcita para construir sus pruebas. Los organismos productores de calcita registran los valores de carbono y oxígeno en sus conchas y pueden analizarse en busca de isótopos de carbono y oxígeno.

En las rocas de la era Paleozoica, los científicos suelen obtener isótopos de oxígeno de otro tipo de fósil: los conodontos. . Estos pequeños fósiles con forma de dientes son todo lo que queda de organismos antiguos con forma de anguila que representan algunos de los primeros cordados. Los conodontos se encuentran comúnmente en rocas calizas ya que estas criaturas nadaron en los mares en los que se depositó la piedra caliza. A diferencia de los braquiópodos calcáreos y los trilobites entre los que vivían, los dientes de conodonte están hechos de apatita o fosfato de calcio, con la fórmula química Ca3O8P2. Estos científicos pueden analizar conodontos para obtener isótopos de oxígeno.

Los científicos también pueden usar muestras de piedra caliza tomadas directamente de un afloramiento para analizar isótopos de carbono y oxígeno. La obtención de estas muestras de carbonato a granel de piedra caliza generalmente implica encontrar un afloramiento adecuado de piedra caliza, martillar algunos trozos a intervalos definidos y llevar las muestras al laboratorio para analizarlas.

¿Cómo se miden los isótopos de carbono y oxígeno?

Una vez que se recolecta el material apropiado (muestras de piedra caliza, espeleotemas o fósiles) para el isótopo análisis, se coloca una pequeña muestra en un espectrómetro de masas para medir las cantidades de isótopos de carbono y oxígeno dentro de cada muestra. Cada muestra se carga en un vial y luego todos los viales se colocan en un carrusel (vea la imagen a la izquierda, con la flecha roja apuntando al carrusel de muestras). Se colocan aproximadamente tres gotas de ácido en los viales para disolver la muestra, creando un gas que contiene los iones a medir. Los iones son muy reactivos, por lo que las mediciones dentro del espectrómetro de masas se realizan dentro del vacío. Hay varios tipos diferentes de espectrómetros de masas, pero una de las formas más comunes de medir isótopos es manipularlos mediante imanes y campos eléctricos, y dispararlos por un tubo doblado.

Debido a que los isótopos de los elementos difieren en peso debido a neutrones adicionales (por ejemplo, el oxígeno con 18 neutrones es más pesado que una molécula de oxígeno con 16 neutrones), se desviarán en diferentes ángulos en el tubo. El grado en que los iones / átomos son desviados por un imán es lo pesados que son. Un ion / átomo / molécula más pesado es más difícil de desviar para el imán, por lo que solo girará ligeramente, mientras que un i / a / m más ligero tiene menos inercia y es más fácil de girar.

Por tanto, las moléculas más ligeras se desvían más que las más pesadas. Esta información se envía a una computadora, que le da al investigador datos sobre la cantidad de cada isótopo en cada muestra.

Para una descripción más detallada de cómo funciona la espectrometría de masas, haga clic aquí. Para ver una demostración en video sobre cómo se desvían los iones dentro de un espectrómetro de masas, haga clic aquí.

Para aprender cómo los paleoclimatólogos interpretan los isótopos de carbono y oxígeno, continúe con Carbon & ¡Página de isótopos de oxígeno!