Isotopi

Uno dei tanti modi in cui i paleoclimatologi conoscono il clima e le condizioni oceaniche del passato è usare la composizione chimica di campioni di roccia e fossili. Ricorda che gli elementi chimici sono composti da un certo numero di protoni, neutroni ed elettroni. Gli elementi hanno un equilibrio carico (né positivo né negativo) perché hanno un numero uguale di elettroni e protoni. Tuttavia, varie reazioni chimiche in natura faranno sì che gli elementi guadagnino o perdano elettroni e gli elementi diventino caricati positivamente o negativamente. Quando ciò accade, gli elementi diventano ioni. Gli ioni positivi e negativi attireranno ciascuno per formare solidi, alcuni liquidi e alcuni gas. Quando un solido si dissolve in acqua, gli ioni positivi e negativi si rompono e si dissociano attraverso lacqua. La maggior parte delle rocce e delle parti fossili dure sono costituite da composti ionici.

Ad esempio il sale da cucina, il cloruro di sodio, si dissolverà in acqua formando lo ione sodio caricato positivamente e lo ione cloruro caricato negativamente. Questo forma una soluzione acquosa (a base dacqua):

Nellequazione precedente, la (s) indica un materiale solido (sale da cucina), mentre (aq) indica che questi ioni sono disciolti in una soluzione acquosa.

Gli elementi chimici si trovano in diverse versioni, chiamate isotopi. Gli isotopi sono elementi che contengono la stessa quantità di protoni, ma differiscono nel numero di neutroni nei loro nuclei. Ad esempio, ci sono tre isotopi dellelemento ossigeno (O): Ossigeno 16, 17 e 18. Ciascun isotopo dellossigeno contiene 8 protoni, ma differisce nel numero di neutroni. Un numero di isotopo è una rappresentazione abbreviata della sua massa. Poiché protoni e neutroni sono più o meno uguali in massa, il numero di un isotopo è uguale alla somma dei suoi protoni e neutroni. Pertanto, lossigeno 16 ha 8 protoni e 8 neutroni, lossigeno 17 ha 8 protoni e 9 neutroni e lossigeno 18 ha 8 protoni e 10 neutroni.

Ci sono due tipi principali di isotopi che i geoscienziati usano per interpretare il Terra antica: isotopi stabili e instabili. Un isotopo instabile subisce un decadimento radioattivo, dove lelemento perderà energia nel tempo. Diversi isotopi radioattivi sono presenti in natura e non tutti sono dannosi o causano danni agli esseri umani. Tuttavia, i paleoclimatologi non lavorano comunemente con questi isotopi instabili. Invece, utilizziamo isotopi stabili che non subiscono il decadimento radioattivo.

Due degli isotopi stabili più comuni utilizzati dai geoscienziati sono quelli del carbonio (C) e dellossigeno (O). Sebbene esistano diversi tipi di isotopi stabili, parleremo principalmente di carbonio e ossigeno ottenuti da foraminiferi planctici e bentonici, in quanto questi sono molto comuni in paleoclimatologia (soprattutto per studiare i nostri oceani), ma toccheremo anche brevemente altri proxy usati per gli isotopi analisi.

Come si ottengono gli isotopi di carbonio e ossigeno?

I paleoclimatologi ottengono isotopi di carbonio e ossigeno dalla calcite, un comune varietà di carbonato di calcio, con la formula chimica CaCO3. In questa formula ci sono tre elementi: calcio (Ca), carbonio (C) e tre atomi di ossigeno (O). La calcite e il carbonato di calcio sono comuni sulla Terra e negli oceani e possono assumere diverse forme. Qui parleremo brevemente dei tipi più comuni di calcite utilizzati per lanalisi degli isotopi.

La calcite è un componente di molte rocce sedimentarie. Quando una roccia sedimentaria è composta prevalentemente da carbonato di calcio, i geoscienziati la chiamano calcare. Le rocce calcaree sono facili da erodere rispetto alle rocce metamorfiche e ignee. Il carbonato di calcio si dissolve se esposto agli acidi. Poiché lacqua piovana è leggermente acida, lesposizione prolungata alla pioggia eroderà chimicamente le formazioni rocciose calcaree (o anche una statua calcarea se è per questo).

Quando ciò si verifica, gli ioni disciolti dal calcare vengono quindi trasportati dallacqua nel terreno, dove alla fine possono trovare la strada per le grotte. Qui, gli ioni di calcare hanno spazio per gocciolare nella grotta e formare nuove formazioni calcaree sotto forma di stalattiti e stalagmiti (comunemente chiamate speleotemi). Per analizzare gli isotopi stabili del carbonio e dellossigeno dagli speleotemi, vengono ritagliati da una grotta e portati in un laboratorio, dove vengono segati a metà e lucidati.Un microdrill viene quindi utilizzato per perforare minuscoli campioni da intervalli definiti lungo lo speleotema per lanalisi degli isotopi.

La calcite viene anche utilizzata dagli organismi marini per costruire i loro gusci e parti dure. Gli animali invertebrati (quelli privi di spina dorsale) hanno utilizzato ioni di calcite disciolti per costruire i loro gusci almeno fin dal Cambriano (~ 550 milioni di anni fa). I gruppi fossili comuni che utilizzano la calcite includono brachiopodi, trilobiti e antichi echinodermi, come i blastoidi. Anche alcuni animali esistenti (ancora vivi), come i ricci di mare e le ostriche, costruiscono i loro scheletri dalla calcite. Inoltre, alcuni protisti, come i foraminiferi planctici e bentonici, usano la calcite per costruire i loro test. Gli organismi che producono calcite registrano i valori di carbonio e ossigeno nei loro gusci e possono essere analizzati per gli isotopi di carbonio e ossigeno.

Nelle rocce dellera paleozoica, gli scienziati ottengono comunemente isotopi di ossigeno da un altro tipo di fossile: i conodonti . Questi piccoli fossili simili a denti sono tutto ciò che rimane di antichi organismi simili ad anguille che rappresentano alcuni dei primi cordati. I conodonti si trovano comunemente nelle rocce calcaree mentre queste creature nuotavano nei mari in cui si era depositato il calcare. A differenza dei brachiopodi calcarei e dei trilobiti tra i quali vivevano, i denti conodonti sono fatti di apatite, o fosfato di calcio, con la formula chimica Ca3O8P2. Questi scienziati possono analizzare i conodonti per ottenere isotopi di ossigeno.

Gli scienziati possono anche utilizzare campioni di calcare prelevati direttamente da un affioramento per analizzare gli isotopi di carbonio e ossigeno. Ottenere questi campioni di carbonato sfuso di calcare in genere comporta la ricerca di un affioramento adatto di calcare, martellando alcuni pezzi a intervalli definiti e riportando i campioni al laboratorio per analizzarli.

Come vengono misurati gli isotopi di carbonio e ossigeno?

Una volta raccolto il materiale appropriato (campioni di calcare, speleotemi o fossili) per lisotopo analisi, un piccolo campione viene inserito in uno spettrometro di massa per misurare la quantità di isotopi di carbonio e ossigeno allinterno di ciascun campione. Ogni campione viene caricato in una fiala e tutte le fiale vengono poi messe in un carosello (vedere limmagine a sinistra, con la freccia rossa che punta al carosello del campione). Circa tre gocce di acido vengono inserite nelle fiale per sciogliere il campione, creando un gas che contiene gli ioni da misurare. Gli ioni sono molto reattivi, quindi le misurazioni allinterno dello spettrometro di massa avvengono nel vuoto. Esistono diversi tipi di spettrometri di massa, ma uno dei modi più comuni per misurare gli isotopi è manipolarli con magneti e campi elettrici e spararli in un tubo piegato.

Poiché gli isotopi degli elementi differiscono in peso a causa di neutroni aggiuntivi (ad esempio, lossigeno con 18 neutroni è più pesante di una molecola di ossigeno con 16 neutroni), si devieranno ad angoli diversi nel tubo. Il grado in cui gli ioni / atomi vengono deviati da un magnete è quanto sono pesanti. Uno ione / atomo / molecola più pesante è più difficile da deviare per il magnete, quindi ruoterà solo leggermente, mentre un i / a / m più leggero ha meno inerzia ed è più facile da girare.

Pertanto, le molecole più leggere vengono deviate più di quelle più pesanti. Queste informazioni vengono inviate a un computer, che fornisce al ricercatore i dati sulla quantità di ogni isotopo in ogni campione.

Per un resoconto più dettagliato di come funziona la spettrometria di massa, fare clic qui. Per una dimostrazione video su come gli ioni vengono deviati allinterno di uno spettrometro di massa, fai clic qui.

Per sapere come i paleoclimatologi interpretano gli isotopi di carbonio e ossigeno, continua con “Carbon & Pagina degli isotopi dellossigeno!