Isotope

Eine der vielen Möglichkeiten, mit denen Paläoklimatologen die Klima- und Ozeanbedingungen der Vergangenheit kennen, ist die chemische Zusammensetzung von Gesteinen und fossilen Proben. Denken Sie daran, dass chemische Elemente aus einer bestimmten Anzahl von Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Elemente haben ein geladenes Gleichgewicht (weder positiv noch negativ), weil sie die gleiche Anzahl von Elektronen und Protonen haben. Verschiedene chemische Reaktionen in der Natur führen jedoch dazu, dass Elemente Elektronen gewinnen oder verlieren und die Elemente positiv oder negativ geladen werden. In diesem Fall werden die Elemente zu Ionen. Positive und negative Ionen ziehen jeweils an, um Feststoffe, einige Flüssigkeiten und einige Gase zu bilden. Wenn sich ein Feststoff in Wasser löst, brechen die positiven und negativen Ionen auseinander und dissoziieren durch das Wasser. Die meisten Gesteine und fossilharten Teile bestehen aus ionischen Verbindungen.

Beispielsweise löst sich Tafelsalz, Natriumchlorid, in Wasser und bildet das positiv geladene Natriumion und das negativ geladene Chloridion. Dies bildet eine wässrige (auf Wasser basierende) Lösung:

In der obigen Gleichung geben die (s) ein festes Material an (Tafelsalz), während (aq) anzeigt, dass diese Ionen in einer wässrigen Lösung gelöst sind.

Chemische Elemente werden in verschiedenen Versionen gefunden, die als Isotope bezeichnet werden. Isotope sind Elemente, die die gleiche Menge an Protonen enthalten, sich jedoch in der Anzahl der Neutronen in ihren Kernen unterscheiden. Zum Beispiel gibt es drei Isotope des Elements Sauerstoff (O): Sauerstoff 16, 17 und 18. Jedes Sauerstoffisotop enthält 8 Protonen, unterscheidet sich jedoch in der Anzahl der Neutronen. Eine Isotopenzahl ist eine Kurzdarstellung ihrer Masse. Da Protonen und Neutronen ungefähr gleich groß sind, entspricht die Anzahl eines Isotops der Summe seiner Protonen und Neutronen. Daher hat Sauerstoff 16 8 Protonen und 8 Neutronen, Sauerstoff 17 8 Protonen und 9 Neutronen und Sauerstoff 18 8 Protonen und 10 Neutronen.

Es gibt zwei Haupttypen von Isotopen, mit denen Geowissenschaftler die Isotope interpretieren alte Erde: stabile und instabile Isotope. Ein instabiles Isotop erfährt einen radioaktiven Zerfall, bei dem das Element mit der Zeit Energie verliert. Mehrere radioaktive Isotope kommen auf natürliche Weise vor und nicht alle sind schlecht oder schädigen den Menschen. Paläoklimatologen arbeiten jedoch normalerweise nicht mit diesen instabilen Isotopen. Stattdessen verwenden wir stabile Isotope, die keinen radioaktiven Zerfall erfahren.

Zwei der häufigsten stabilen Isotope, die von Geowissenschaftlern verwendet werden, sind Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O). Obwohl es verschiedene Arten von stabilen Isotopen gibt, werden wir hauptsächlich über Kohlenstoff und Sauerstoff sprechen, die aus planktischen und benthischen Foraminiferen gewonnen werden, da diese in der Paläoklimatologie sehr häufig sind (insbesondere zur Untersuchung unserer Ozeane), aber auch kurz auf andere für Isotope verwendete Proxys eingehen Analysen.

Wie werden Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope erhalten?

Paläoklimatologen erhalten Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope aus Calcit, einem häufigen Vielzahl von Calciumcarbonat mit der chemischen Formel CaCO3. In dieser Formel gibt es drei Elemente: Calcium (Ca), Kohlenstoff (C) und drei Sauerstoffatome (O). Calcit und Calciumcarbonat sind auf der Erde und in den Ozeanen verbreitet und können verschiedene Formen annehmen. Hier werden wir kurz auf die häufigsten Arten von Calcit eingehen, die für die Isotopenanalyse verwendet werden.

Calcit ist ein Bestandteil in vielen Sedimentgesteinen. Wenn ein Sedimentgestein überwiegend aus Kalziumkarbonat besteht, nennen Geowissenschaftler es einen Kalkstein. Kalksteinfelsen sind im Vergleich zu metamorphen und magmatischen Gesteinen leicht zu erodieren. Calciumcarbonat löst sich auf, wenn es Säuren ausgesetzt wird. Da Regenwasser leicht sauer ist, werden bei längerer Regeneinwirkung Kalksteinformationen (oder sogar eine Kalksteinstatue) chemisch abgetragen.

In diesem Fall werden die gelösten Ionen aus Kalkstein transportiert durch Wasser in den Boden, wo sie schließlich den Weg zu Höhlen finden können. Hier haben die Kalksteinionen Raum, um in die Höhle zu tropfen und neue Kalksteinformationen in Form von Stalaktiten und Stalagmiten (üblicherweise als Speläotheme bezeichnet) zu bilden. Um stabile Isotope von Kohlenstoff und Sauerstoff aus Speläothemen zu analysieren, werden sie aus einer Höhle herausgeschnitten und in ein Labor gebracht, wo sie halbiert und poliert werden.Ein Mikrobohrer wird dann verwendet, um winzige Proben aus definierten Intervallen entlang des Speläothems für die Isotopenanalyse zu bohren.

Calcit wird auch von Meeresorganismen verwendet, um ihre Schalen und harten Teile aufzubauen. Wirbellose Tiere (solche ohne Rückgrat) verwenden seit mindestens dem Kambrium (vor ~ 550 Millionen Jahren) gelöste Calcitionen, um ihre Schalen aufzubauen. Häufige fossile Gruppen, die Calcit verwenden, sind Brachiopoden, Trilobiten und alte Stachelhäuter wie Blastoide. Einige noch vorhandene (noch lebende) Tiere wie Seeigel und Austern bauen ihre Skelette ebenfalls aus Kalzit. Darüber hinaus verwenden einige Protisten wie planktische und benthische Foraminiferen Calcit, um ihre Tests zu erstellen. Calcit produzierende Organismen erfassen die Werte von Kohlenstoff und Sauerstoff in ihren Schalen und können auf Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope analysiert werden.

In Gesteinen des Paläozoikums erhalten Wissenschaftler üblicherweise Sauerstoffisotope von einer anderen Art von Fossil: Conodonten . Diese kleinen, zahnähnlichen Fossilien sind alles, was von alten aalähnlichen Organismen übrig geblieben ist, die einige der frühesten Akkordaten darstellen. Conodonten sind häufig in Kalksteinfelsen zu finden, da diese Kreaturen in den Meeren schwammen, in denen der Kalkstein abgelagert wurde. Im Gegensatz zu den kalkhaltigen Brachiopoden und Trilobiten, unter denen sie lebten, bestehen Conodont-Zähne aus Apatit oder Calciumphosphat mit der chemischen Formel Ca3O8P2. Diese Wissenschaftler können Conodonten analysieren, um Sauerstoffisotope zu erhalten.

Wissenschaftler können auch Kalksteinproben verwenden, die direkt von einem Aufschluss entnommen wurden, um Isotope von Kohlenstoff und Sauerstoff zu analysieren. Um diese massiven Carbonatproben von Kalkstein zu erhalten, müssen Sie in der Regel einen geeigneten Aufschluss von Kalkstein finden, einige Stücke in definierten Intervallen wegschlagen und die Proben zur Analyse ins Labor zurückbringen.

Wie werden Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope gemessen?

Sobald das entsprechende Material (Kalksteinproben, Speläotheme oder Fossilien) für Isotope gesammelt wurde Bei Analysen wird eine kleine Probe in ein Massenspektrometer gegeben, um die Mengen an Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen in jeder Probe zu messen. Jede Probe wird in ein Fläschchen geladen, und alle Fläschchen werden dann in ein Karussell gegeben (siehe Bild links, wobei der rote Pfeil auf das Probenkarussell zeigt). Ungefähr drei Tropfen Säure werden in die Fläschchen gegeben, um die Probe aufzulösen, wodurch ein Gas entsteht, das die zu messenden Ionen enthält. Ionen sind sehr reaktiv, daher finden die Messungen im Massenspektrometer im Vakuum statt. Es gibt verschiedene Arten von Massenspektrometern, aber eine der gängigen Methoden zur Messung von Isotopen besteht darin, sie durch Magnete und elektrische Felder zu manipulieren und sie in ein gebogenes Rohr zu schießen.

Da sich Isotope von Elementen aufgrund zusätzlicher Neutronen im Gewicht unterscheiden (z. B. ist Sauerstoff mit 18 Neutronen schwerer als ein Sauerstoffmolekül mit 16 Neutronen), werden sie in der Röhre unter verschiedenen Winkeln abgelenkt. Der Grad, in dem die Ionen / Atome von einem Magneten abgelenkt werden, ist wie schwer sie sind. Ein schwereres Ion / Atom / Molekül ist für den Magneten schwerer abzulenken, so dass er sich nur geringfügig dreht, während ein leichteres I / A / M weniger Trägheit aufweist und leichter zu drehen ist.

Somit werden leichtere Moleküle stärker abgelenkt als schwerere. Diese Informationen werden an einen Computer gesendet, der den Forschern Daten zur Menge jedes Isotops in jeder Probe liefert.

Für eine detailliertere Darstellung der Funktionsweise der Massenspektrometrie klicken Sie hier. Klicken Sie hier, um eine Videodemonstration zur Ablenkung von Ionen in einem Massenspektrometer zu erhalten.

Um zu erfahren, wie Paläoklimatologen Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope interpretieren, fahren Sie mit Carbon & Seite der Sauerstoffisotope!