Izotópok
A paleoklimatológusok sokféle módja annak, hogy a kőzet- és kövületminták kémiai felépítésével megismerjék a múltbeli éghajlati és óceáni viszonyokat. Ne feledje, hogy a kémiai elemek néhány protonból, neutronból és elektronból állnak. Az elemek töltöttségi egyensúlya (sem pozitív, sem negatív) azért van, mert azonos számú elektron és proton van. A természetben előforduló különféle kémiai reakciók azonban az elemeknek vagy elektronokat nyernek, vagy vesztenek, és az elemek pozitívan vagy negatívan töltődnek fel. Amikor ez megtörténik, az elemek ionokká válnak. A pozitív és negatív ionok egyaránt vonzani fogják a szilárd anyagokat, a folyadékokat és a gázokat. Amikor egy szilárd anyag feloldódik a vízben, a pozitív és a negatív ionok szétesnek és disszidálnak a vízen keresztül. A legtöbb kőzet és fosszilis-kemény rész ionos vegyületekből készül.
Például az étkezési só, a nátrium-klorid vízben feloldódik, így a pozitív töltésű és a negatív töltésű klorid-ion képződik. Ez vizes (vizes) oldatot képez:
A fenti egyenletben az (ok) szilárd anyagot jelölnek (asztali só), míg az (aq) azt jelzi, hogy ezek az ionok vizes oldatban vannak feloldva.
A kémiai elemek különböző változatokban találhatók, izotópoknak hívják őket. Az izotópok olyan elemek, amelyek ugyanolyan mennyiségű protont tartalmaznak, de különböznek a magjukban található neutronok számától. Például az oxigén (O) elemnek három izotópja van: Oxigén 16, 17 és 18. Az oxigén minden izotópja 8 protont tartalmaz, de a neutronok számában különbözik. Az izotópszám tömege rövidített ábrázolása. Mivel a protonok és a neutronok nagyjából azonos tömegűek, az izotóp száma megegyezik a protonok és a neutronok összegével. Ezért a 16 oxigénnek 8 protonja és 8 neutronja van, a 17 oxigénnek 8 protonja és 9 neutronja van, a 18 oxigénnek pedig 8 protonja és 10 neutronja van.
Az izotópoknak két fő típusa van, amelyeket a geológusok értelmeznek ősi Föld: stabil és instabil izotópok. Egy instabil izotóp radioaktív bomlást tapasztal, ahol az elem idővel energiát veszít. Számos radioaktív izotóp fordul elő természetesen, és nem mindegyik ártalmas vagy ártalmas az emberre. A paleoklimatológusok azonban általában nem dolgoznak ezekkel az instabil izotópokkal. Ehelyett olyan stabil izotópokat használunk, amelyek nem mennek keresztül radioaktív bomláson.
A geológusok által használt leggyakoribb stabil izotópok közül kettő a szén (C) és az oxigén (O). Bár többféle stabil izotóp létezik, elsősorban a planktikus és a bentos foraminiferákból nyert szénről és oxigénről fogunk beszélni, mivel ezek nagyon gyakoriak a paleoklimatológiában (különösen óceánjaink tanulmányozására), de röviden kitérünk az izotópokhoz használt egyéb proxykra is elemzések.
Hogyan jutnak szén- és oxigén izotópokhoz?
A kalcit számos üledékes kőzet alkotóeleme. Amikor az üledékes kőzet döntően kalcium-karbonátból áll, a geológusok mészkőnek nevezik. A mészkőzeteket könnyű kitörni a metamorf és magmás kőzetekhez képest. A kalcium-karbonát savak hatására feloldódik. Mivel az esővíz enyhén savas, az eső hosszan tartó kitettsége kémiailag rombolja a mészkő kőzetképződéseket (vagy akár mészkőszobrot is).
Amikor ez bekövetkezik, a mészkő feloldódott ionjait hordozzák vízzel a talajba, ahol végül eljuthatnak a barlangokhoz. Itt a mészkőionoknak van helyük a barlangba csöpögni, és új mészkő képződményeket képezhetnek cseppkövek és sztalagmitok formájában (általában speleothemáknak nevezik őket). A barlangférgekből származó szén és oxigén stabil izotópjainak elemzéséhez kivágják őket egy barlangból és laboratóriumba viszik, ahol kettévágják és csiszolják.Mikrofúróval ezt követően meghatározott periódusokból apró mintákat fúrnak a speleothem mentén az izotóp-elemzéshez.
A kalcitot a tengeri élőlények is használják kagylóik és kemény részeik felépítéséhez. A gerinctelen állatok (akiknek nincs gerincük) legalább a kambrium óta (~ 550 millió évvel ezelőtt) feloldott kalcitionokat használtak héjuk építéséhez. A kalcitot használó fosszilis csoportok közé tartoznak a brachiopodák, a trilobiták és az ősi tüskésbőrűek, például a blasztoidok. Néhány fennmaradt (még élő) állat, például a tengeri sün és az osztriga is csontvázat épít kalcitból. Ezenkívül néhány protista, például planktikus és bentos foraminiferák, kalcitot használnak tesztjeik felépítéséhez. A kalcitot termelő organizmusok rögzítik héjában a szén és az oxigén értékét, és elemezhetők szén és oxigén izotópok tekintetében.
A paleozoikus korú kőzetekben a tudósok általában más típusú kövületekből szereznek oxigén izotópokat: conodontok . Ezek a kicsi, fogszerű kövületek maradtak meg az ősi angolnaszerű organizmusok közül, amelyek a legkorábbi akkordákat képviselik. A konodontok általában a mészkőzetekben találhatók, mivel ezek a lények úsztak azokon a tengereken, amelyeken a mészkő lerakódott. Ellentétben a meszes brachiopodákkal és trilobitákkal, amelyek között éltek, a conodont fogak apatitból vagy kalcium-foszfátból készülnek, kémiai képlete Ca3O8P2. Ezek a tudósok elemezhetik a konodontokat oxigén izotópok előállításához. Ezeknek a tömeges mészkő-karbonát-mintáknak a megszerzése általában magában foglalja a megfelelő mészkő-kitermelés megtalálását, bizonyos darabokban meghatározott időközönként eldörzsöli a darabokat, és a mintákat visszaviszi a laboratóriumba elemzés céljából.
Miután a megfelelő anyagot (mészkőmintákat, barlanglemezeket vagy kövületeket) összegyűjtötték az izotóphoz Az elemzések során egy kis mintát teszünk tömegspektrométerbe, hogy megmérjük az egyes minták szén- és oxigén izotópjainak mennyiségét. Minden mintát egy fiolába töltünk, majd az összes fiolát egy körhintaba helyezzük (lásd a bal oldali képet, piros nyíllal a minta körhinta felé mutat). Körülbelül három csepp savat teszünk az injekciós üvegekbe a minta feloldása céljából, és ezáltal olyan gáz keletkezik, amely tartalmazza a mérendő ionokat. Az ionok nagyon reaktívak, ezért a tömegspektrométeren belüli méréseket vákuumban végzik. A tömegspektrométereknek többféle típusa létezik, de az izotópok mérésének egyik legáltalánosabb módja az, hogy mágnesekkel és elektromos mezőkkel manipulálják őket, és leengedik őket egy hajlított csövön.
Mivel az elemek izotópjainak súlya különbözik a további neutronok miatt (például a 18 neutront tartalmazó oxigén nehezebb, mint a 16 neutronos oxigénmolekula), ezért a csőben különböző szögekben térnek el. Az ionok / atomok mágnes által történő elhajlásának mértéke az, hogy mennyire nehézek. Egy nehezebb iont / atomot / molekulát nehezebb elhajlítani a mágnesnek, ezért csak kismértékben fordul el, míg a könnyebb i / a / m-nek kisebb a tehetetlensége és könnyebben elfordítható.
Így a könnyebb molekulák jobban elhajlanak, mint a nehezebbek. Ezeket az információkat számítógépre küldik, amely adatokat szolgáltat a kutatónak az egyes mintákban található egyes izotópok mennyiségéről.
A tömegspektrometria működésének részletesebb ismertetéséhez kattintson ide. Ha egy video bemutatót szeretne bemutatni arról, hogy az ionok eltérülnek-e a tömegspektrométeren, kattintson ide.
Ha meg szeretné tudni, hogyan értelmezik a paleoklimatológusok a szén- és oxigén izotópokat, folytassa a „Carbon & Oxigén izotópok oldala!