Isotoper (Norsk)

En av de mange måtene paleoklimatologer kjenner til tidligere klima og havforhold, er å bruke den kjemiske sammensetningen av stein og fossile prøver. Husk at kjemiske grunnstoffer er sammensatt av et antall protoner, nøytroner og elektroner. Elementene har en ladet balanse (verken positiv eller negativ) fordi de har like mange elektroner og protoner. Imidlertid vil forskjellige kjemiske reaksjoner i naturen føre til at elementene enten får eller mister elektroner, og elementene blir positivt eller negativt ladet. Når dette skjer blir elementene til ioner. Positive og negative ioner vil tiltrekke hver til å danne faste stoffer, noen væsker og noen gasser. Når et fast stoff oppløses i vann, brytes de positive og negative ionene fra hverandre og dissosieres gjennom vannet. De fleste bergarter og fossilharde deler er laget av ioniske forbindelser.

For eksempel vil bordsalt, natriumklorid, oppløses i vann og danne det positivt ladede natriumionet og negativt ladede kloridionet. Dette danner en vandig (vannbasert) løsning:

I ovenstående ligning indikerer (s) et solid materiale (bordsalt), mens (aq) indikerer at disse ionene er oppløst i en vandig løsning.

Kjemiske elementer finnes i forskjellige versjoner, kalt isotoper. Isotoper er elementer som inneholder samme mengde protoner, men avviker i antall nøytroner i kjernene. For eksempel er det tre isotoper av grunnstoffet oksygen (O): Oksygen 16, 17 og 18. Hver isotop av oksygen inneholder 8 protoner, men er forskjellig i antall nøytroner. Et isotopnummer er en stenografisk representasjon av massen. Fordi protoner og nøytroner er omtrent like store i masse, er tallet på en isotop lik summen av protonene og nøytronene. Derfor har oksygen 16 8 protoner og 8 nøytroner, oksygen 17 har 8 protoner og 9 nøytroner, og oksygen 18 har 8 protoner og 10 nøytroner.

Det er to hovedtyper av isotoper som geoforskere bruker for å tolke eldgammel jord: stabile og ustabile isotoper. En ustabil isotop opplever radioaktivt forfall, der elementet vil miste energi over tid. Flere radioaktive isotoper forekommer naturlig, og ikke alle er dårlige eller skader mennesker. Imidlertid jobber paleoklimatologer ikke ofte med disse ustabile isotoper. I stedet bruker vi stabile isotoper som ikke gjennomgår radioaktivt forfall.

To av de vanligste stabile isotoper som brukes av geoforskere er karbon (C) og oksygen (O). Selv om det finnes flere typer stabile isotoper, vil vi hovedsakelig snakke om karbon og oksygen oppnådd fra planktisk og bentisk foraminifera, da disse er svært vanlige i paleoklimatologi (spesielt for å studere havene våre), men vil også kort berøre andre fullmakter som brukes til isotop. analyser.

Hvordan oppnås karbon- og oksygenisotoper?

Paleoklimatologer får karbon- og oksygenisotoper fra kalsitt, en vanlig utvalg av kalsiumkarbonat, med den kjemiske formelen CaCO3. I denne formelen er det tre elementer: kalsium (Ca), karbon (C) og tre oksygenatomer (O). Kalsitt og kalsiumkarbonat er vanlige på jorden og i havene, og kan ha flere former. Her vil vi snakke kort om de vanligste typene kalsitt som brukes til isotopanalyse.

Kalsitt er en komponent i mange sedimentære bergarter. Når en sedimentær stein består dominant av kalsiumkarbonat, kaller geoforskere det en kalkstein. Kalkstein er lett å erodere sammenlignet med metamorfe og magmatiske bergarter. Kalsiumkarbonat oppløses når det utsettes for syrer. Fordi regnvann er litt surt, vil langvarig eksponering for regn kjemisk ødelegge kalksteinsformasjoner (eller til og med en kalksteinstatue for den saks skyld).

Når dette skjer, blir de oppløste ionene fra kalkstein deretter båret med vann ned i jorden, hvor de til slutt kan finne veien til huler. Her har kalksteinionene plass til å dryppe ned i hulen og danne nye kalkformasjoner i form av stalaktitter og stalagmitter (ofte referert til som speleothems). For å analysere stabile isotoper av karbon og oksygen fra speleothems, blir de kuttet ut av en hule og ført til et laboratorium, hvor de sages i to og poleres.En mikrobor brukes deretter til å bore små prøver fra definerte intervaller langs speleothemet for isotopanalyse.

Kalsitt brukes også av marine organismer til å bygge skjell og harde deler. Hvirvelløse dyr (de som mangler ryggrad) har brukt oppløste kalsittioner til å bygge skjell siden minst Kambrium (~ 550 millioner år siden). Vanlige fossile grupper som bruker kalsitt inkluderer brachiopoder, trilobitter og gamle pigghuder, for eksempel blastoider. Noen levende (fortsatt levende) dyr, som kråkeboller og østers, bygger også skjelettene sine av kalsitt. I tillegg bruker noen protister, som planktisk og bentisk foraminifera, kalsitt til å bygge sine tester. Kalsittproduserende organismer registrerer verdiene av karbon og oksygen i skallene, og kan analyseres for karbon- og oksygenisotoper.

I bergarter av paleozoisk alder oppnår forskere ofte oksygenisotoper fra en annen type fossil: konodonter . Disse små, tannlignende fossilene er alle som er igjen av gamle ållignende organismer som representerer noen av de tidligste akkordatene. Konodonter finnes ofte i kalksteiner da disse skapningene svømte i havet der kalksteinen ble avsatt. I motsetning til de kalkholdige brachiopodene og trilobittene de bodde blant, er conodont-tenner laget av apatitt, eller kalsiumfosfat, med den kjemiske formelen Ca3O8P2. Disse forskerne kan analysere konodonter for å oppnå oksygenisotoper.

Forskere kan også bruke kalksteinprøver tatt direkte fra et utspring for å analysere isotoper av karbon og oksygen. Å skaffe disse bulk-karbonatprøvene av kalkstein innebærer vanligvis å finne et passende fremspring av kalkstein, hamre bort noen biter med definerte intervaller og ta prøvene tilbake til laboratoriet for å analysere.

Hvordan måles karbon- og oksygenisotoper?

Når riktig materiale (kalksteinprøver, speleothems eller fossiler) er samlet for isotop analyser, settes en liten prøve inn i et massespektrometer for å måle mengden karbon og oksygenisotoper i hver prøve. Hver prøve lastes i et hetteglass, og alle hetteglassene settes deretter i en karusell (se bildet til venstre, med rød pil som peker mot prøvekarusellen). Omtrent tre dråper syre blir satt i hetteglassene for å oppløse prøven, og danner en gass som inneholder ionene som skal måles. Ioner er veldig reaktive, så målingene innenfor massespektrometeret foregår i vakuum. Det finnes flere forskjellige typer massespektrometre, men en av de vanlige måtene å måle isotoper er å manipulere dem med magneter og elektriske felt, og skyte dem ned et bøyd rør.

Fordi isotoper av elementer er forskjellige i vekt på grunn av ekstra nøytroner (for eksempel er oksygen med 18 nøytroner tyngre enn et oksygenmolekyl med 16 nøytroner), vil de avbøyes i forskjellige vinkler i røret. I hvilken grad ionene / atomene avbøyes av en magnet er hvor tunge de er. Et tyngre ion / atom / molekyl er vanskeligere for magneten å avbøye, så det vil bare snu litt, mens et lettere i / a / m har mindre treghet og er lettere å dreie.

Dermed blir lettere molekyler avbøyd mer enn tyngre. Denne informasjonen sendes til en datamaskin, som gir forskeren data om mengden av hver isotop i hvert utvalg.

For en mer detaljert oversikt over hvordan massespektrometri fungerer, klikk her. For en videodemonstrasjon om hvordan ioner avbøyes i et massespektrometer, klikk her.

For å lære hvordan paleoklimatologer tolker karbon- og oksygenisotoper, fortsett til Carbon & Oksygenisotoper-siden!