isotoopit

Yksi monista tavoista, joilla paleoklimatologit tietävät menneet ilmasto- ja valtameriolosuhteet, on kallioperäisten ja fossiilisten näytteiden kemiallinen koostumus. Muista, että kemialliset alkuaineet koostuvat tietystä määrästä protoneja, neutroneja ja elektroneja. Elementeillä on varattu tasapaino (ei positiivinen eikä negatiivinen), koska niillä on sama määrä elektroneja ja protoneja. Luonnossa esiintyvät erilaiset kemialliset reaktiot saavat elementit joko saamaan tai menettämään elektroneja, ja alkuaineet latautuvat positiivisesti tai negatiivisesti. Kun näin tapahtuu, elementeistä tulee ioneja. Positiiviset ja negatiiviset ionit houkuttelevat kumpikin muodostamaan kiinteitä aineita, joitain nesteitä ja joitain kaasuja. Kun kiinteä aine liukenee veteen, positiiviset ja negatiiviset ionit hajoavat ja dissosioituvat veden läpi. Suurin osa kivistä ja fossiilisista kovista osista on valmistettu ioniyhdisteistä.

Esimerkiksi pöytäsuola, natriumkloridi, liukenee veteen muodostaen positiivisesti varautuneen natriumionin ja negatiivisesti varautuneen kloridi-ionin. Tämä muodostaa vesipitoisen (vesipohjaisen) liuoksen:

Yllä olevassa yhtälössä (t) merkitsevät kiinteää ainetta (pöytäsuola), kun taas (aq) osoittaa, että nämä ionit ovat liuenneet vesiliuokseen.

Kemiallisia alkuaineita esiintyy eri versioissa, joita kutsutaan isotoopeiksi. Isotoopit ovat elementtejä, jotka sisältävät saman määrän protoneja, mutta eroavat toisistaan neutronien lukumäärän suhteen ytimissään. Esimerkiksi hapen (O) alkuaineita on kolme: happi 16, 17 ja 18. Jokainen hapen isotooppi sisältää 8 protonia, mutta eroaa neutronien lukumäärästä. Isotooppinumero on lyhyt kuvaus sen massasta. Koska protonien ja neutronien massa on suunnilleen sama, isotoopin numero on yhtä suuri kuin sen protonien ja neutronien summa. Siksi hapessa 16 on 8 protonia ja 8 neutronia, hapessa 17 on 8 protonia ja 9 neutronia ja hapessa 18 on 8 protonia ja 10 neutronia.

Isotooppeja on kahta päätyyppiä, joita geotieteilijät tulkitsevat muinainen maa: vakaat ja epävakaat isotoopit. Epävakaa isotooppi kokee radioaktiivisen hajoamisen, jossa alkuaine menettää energiaa ajan myötä. Useat radioaktiiviset isotoopit esiintyvät luonnossa, eivätkä kaikki ole huonoja tai vahingollisia ihmisille. Paleoklimatologit eivät kuitenkaan yleensä työskentele näiden epävakaiden isotooppien kanssa. Sen sijaan käytämme vakaita isotooppeja, joissa ei tapahdu radioaktiivista hajoamista.

Kaksi yleisimpiä vakaita isotooppeja, joita geotieteilijät käyttävät, ovat hiili (C) ja happi (O). Vaikka stabiileja isotooppeja on useita, puhumme pääasiassa planktisista ja bentosista foraminiferista saatavasta hiilestä ja hapesta, koska ne ovat hyvin yleisiä paleoklimatologiassa (etenkin valtameriemme tutkimiseen), mutta koskemme lyhyesti myös muita isotooppeihin käytettyjä valtakirjoja. analyysit.

Kuinka hiili- ja happi-isotoopit saadaan?

Paleoklimatologit saavat hiili- ja happi-isotooppeja kalsiitista, joka on yleinen erilaisia kalsiumkarbonaatteja, kemiallisella kaavalla CaCO3. Tässä kaavassa on kolme elementtiä: kalsium (Ca), hiili (C) ja kolme happiatomia (O). Kalsiitti ja kalsiumkarbonaatti ovat yleisiä maapallolla ja valtamerillä, ja ne voivat olla monenlaisia. Tässä puhumme lyhyesti yleisimmistä isotooppianalyyseissä käytetyistä kalsiittityypeistä.

Kalsiitti on komponentti monissa sedimenttikivissä. Kun sedimenttikivi koostuu pääasiassa kalsiumkarbonaatista, geotieteilijät kutsuvat sitä kalkkikiveksi. Kalkkikiviä on helppo erodoida verrattuna metamorfisiin ja magmakivikiviin. Kalsiumkarbonaatti liukenee altistettaessa hapoille. Koska sadevesi on hieman hapan, pitkäaikainen sateen altistuminen heikentää kemiallisesti kalkkikivimuodostumia (tai jopa kalkkikivipatsasta tältä osin).

Kun näin tapahtuu, kalkkikivestä liuenneet ionit kuljetetaan sitten vedellä maaperään, josta he voivat lopulta löytää tiensä luoliin. Täällä kalkkikivi-ioneilla on tilaa tippua luolaan ja muodostaa uusia kalkkikivimuodostelmia tippukivipuiden ja stalagmiittien muodossa (joita kutsutaan yleisesti speleoteemeiksi). Speleothemien stabiilien hiilen ja hapen isotooppien analysoimiseksi ne leikataan luolasta ja viedään laboratorioon, jossa ne sahataan puoliksi ja kiillotetaan.Sitten käytetään mikroporaa poraten pieniä näytteitä määrätyin välein speleoteemia pitkin isotooppianalyysiä varten.

Kalsiittia käytetään myös meren eliöillä rakentaakseen kuorensa ja kovia osiaan. Selkärangattomat eläimet (eläimet, joilta puuttuu selkäranka) ovat käyttäneet liuenneita kalsiitti-ioneja kuorensa rakentamiseen ainakin Kambriumista lähtien (~ 550 miljoonaa vuotta sitten). Yleisiä fossiiliryhmiä, jotka käyttävät kalsiittia, ovat brachiopodit, trilobiitit ja muinaiset piikkinahkaiset, kuten blastoidit. Jotkut olemassa olevat (vielä elävät) eläimet, kuten merisiilit ja osterit, myös rakentavat luurankonsa kalsiitista. Lisäksi jotkut protistit, kuten planktiset ja bentaaliset foraminiferat, käyttävät kalsiittia testien rakentamiseen. Kalsiittia tuottavat organismit tallentavat kuoressaan hiili- ja happiarvot, ja ne voidaan analysoida hiili- ja happi-isotooppien varalta.

Paleotsoisen aikakauden kallioissa tutkijat hankkivat happi-isotooppeja toisesta fossiilista: konodontit . Nämä pienet, hampaiden kaltaiset fossiilit ovat kaikki jäljellä muinaisista ankeriaan kaltaisista organismeista, jotka edustavat joitain varhaisimmista soinnuista. Conodontteja esiintyy yleisesti kalkkikivikivissä, kun nämä olennot uivat merissä, joihin kalkkikivi laskeutui. Toisin kuin kalkkipitoiset brachiopodit ja trilobiitit, joiden joukossa he elivät, konodonttihampaat on valmistettu apatiitista tai kalsiumfosfaatista, kemiallisella kaavalla Ca3O8P2. Nämä tutkijat voivat analysoida konodontteja hapen isotooppien saamiseksi.

Tutkijat voivat myös käyttää suoraan paljastolta otettuja kalkkikivinäytteitä hiilen ja hapen isotooppien analysointiin. Näiden kalkkikivikarbonaattinäytteiden hankkiminen edellyttää tyypillisesti sopivan kalkkikivipaljan löytämistä, tiettyjen palojen kaatamista pois määritellyin välein ja näytteiden ottamisen takaisin laboratorioon analysoimaan.

Kuinka hiili- ja happi-isotooppeja mitataan?

Kun sopiva materiaali (kalkkikivinäytteet, speleothemit tai fossiilit) on kerätty isotooppia varten Analyyseissä pieni näyte laitetaan massaspektrometriin hiili- ja happi-isotooppien määrän mittaamiseksi jokaisessa näytteessä. Jokainen näyte ladataan injektiopulloon ja kaikki injektiopullot laitetaan sitten karuselliin (katso kuva vasemmalla, punainen nuoli osoittaa näytekaruselliin). Noin kolme tippaa happoa laitetaan pulloihin näytteen liuottamiseksi, jolloin muodostuu kaasu, joka sisältää mitattavat ionit. Ionit ovat erittäin reaktiivisia, joten massaspektrometrin mittaukset tapahtuvat tyhjössä. Massaspektrometrejä on useita erilaisia, mutta yksi yleisimmistä tavoista mitata isotooppeja on manipuloida niitä magneeteilla ja sähkökentillä ja ampua ne alas taivutetusta putkesta.

Koska alkuaineiden isotoopit eroavat painostaan lisä neutronien vuoksi (esimerkiksi 18 neutronia sisältävä happi on painavampaa kuin happimolekyyli, jossa on 16 neutronia), ne taipuvat putkessa eri kulmissa. Aste, johon ionit / atomit taipuvat magneetilla, on kuinka raskas ne ovat. Raskaampaa ionia / atomia / molekyyliä on vaikeampi taipua magneettille, joten se kääntyy vain vähän, kun taas kevyemmällä i / a / m: llä on vähemmän inertiaa ja sitä on helpompi kääntää.

Näin kevyemmät molekyylit taipuvat enemmän kuin raskaammat. Nämä tiedot lähetetään tietokoneelle, joka antaa tutkijalle tietoja kunkin näytteen kunkin isotoopin määrästä.

Saat tarkemman kuvan massaspektrometrian toiminnasta napsauttamalla tätä. Napsauta tästä videoesittelyä siitä, miten ionit taipuvat massaspektrometrissä, napsauttamalla tätä.

Jos haluat tietää, miten paleoklimatologit tulkitsevat hiili- ja happi-isotooppeja, siirry kohtaan ”Hiilen & Happi-isotooppien sivu!