Izotopy

Jednym z wielu sposobów, dzięki którym paleoklimatolodzy znają przeszły klimat i warunki oceanu, jest użycie chemicznego składu skał i okazów kopalnych. Pamiętaj, że pierwiastki chemiczne składają się z pewnej liczby protonów, neutronów i elektronów. Pierwiastki mają równowagę naładowaną (ani dodatnią, ani ujemną), ponieważ mają taką samą liczbę elektronów i protonów. Jednak różne reakcje chemiczne w naturze powodują, że pierwiastki zyskują lub tracą elektrony, a pierwiastki stają się naładowane dodatnio lub ujemnie. Kiedy tak się dzieje, elementy stają się jonami. Jony dodatnie i ujemne przyciągają się, tworząc ciała stałe, niektóre ciecze i gazy. Kiedy ciało stałe rozpuszcza się w wodzie, jony dodatnie i ujemne rozpadają się i dysocjują w wodzie. Większość skał i twardych skamieniałości części składa się ze związków jonowych.

Na przykład sól kuchenna, chlorek sodu, rozpuści się w wodzie tworząc dodatnio naładowany jon sodu i ujemnie naładowany jon chlorkowy. Tworzy to wodny (wodny) roztwór:

W powyższym równaniu, (s) wskazuje na stały materiał (sól kuchenna), natomiast (aq) oznacza, że jony te są rozpuszczone w roztworze wodnym.

Pierwiastki chemiczne występują w różnych wersjach, zwanych izotopami. Izotopy to pierwiastki zawierające taką samą ilość protonów, ale różniące się liczbą neutronów w ich jądrach. Na przykład, istnieją trzy izotopy pierwiastka tlenu (O): Tlen 16, 17 i 18. Każdy izotop tlenu zawiera 8 protonów, ale różni się liczbą neutronów. Liczba izotopowa to skrótowa reprezentacja jego masy. Ponieważ protony i neutrony mają mniej więcej taką samą masę, liczba izotopów jest równa sumie jego protonów i neutronów. Dlatego tlen 16 ma 8 protonów i 8 neutronów, tlen 17 ma 8 protonów i 9 neutronów, a tlen 18 ma 8 protonów i 10 neutronów.

Istnieją dwa główne typy izotopów, których geolodzy używają do interpretacji starożytna Ziemia: stabilne i niestabilne izotopy. Niestabilny izotop ulega rozpadowi radioaktywnemu, w wyniku którego pierwiastek z czasem traci energię. Kilka izotopów radioaktywnych występuje naturalnie, ale nie wszystkie są złe lub szkodzą ludziom. Jednak paleoklimatolodzy zwykle nie pracują z tymi niestabilnymi izotopami. Zamiast tego używamy stabilnych izotopów, które nie ulegają rozpadowi radioaktywnemu.

Dwa najpopularniejsze stabilne izotopy używane przez geonaukowców to węgiel (C) i tlen (O). Chociaż istnieje kilka typów stabilnych izotopów, będziemy rozmawiać głównie o węglu i tlenie otrzymywanym z otwornic planktycznych i bentosowych, ponieważ są one bardzo powszechne w paleoklimatologii (szczególnie w badaniach naszych oceanów), ale krótko omówimy również inne proxy używane do izotopów analizy.

W jaki sposób uzyskuje się izotopy węgla i tlenu?

Paleoklimatolodzy uzyskują izotopy węgla i tlenu z kalcytu, powszechnego odmiana węglanu wapnia o wzorze chemicznym CaCO3. W tym wzorze występują trzy pierwiastki: wapń (Ca), węgiel (C) i trzy atomy tlenu (O). Kalcyt i węglan wapnia są powszechne na Ziemi i w oceanach i mogą przybierać różne formy. Tutaj omówimy pokrótce najpopularniejsze typy kalcytu używane do analizy izotopów.

Kalcyt jest składnikiem wielu skał osadowych. Kiedy skała osadowa składa się głównie z węglanu wapnia, geologowie nazywają ją wapieniem. Skały wapienne są łatwe do erozji w porównaniu ze skałami metamorficznymi i magmowymi. Węglan wapnia rozpuszcza się pod wpływem kwasów. Ponieważ woda deszczowa jest lekko kwaśna, długotrwała ekspozycja na deszcz spowoduje chemiczną erozję wapiennych formacji skalnych (lub nawet wapiennego posągu).

Kiedy to nastąpi, rozpuszczone jony z wapienia są następnie przenoszone wodą do gleby, skąd ostatecznie mogą dotrzeć do jaskiń. Tutaj jony wapienia mają przestrzeń, aby kapać do jaskini i tworzyć nowe formacje wapienne w postaci stalaktytów i stalagmitów (powszechnie nazywanych naciekami naciekowymi). Aby przeanalizować stabilne izotopy węgla i tlenu z nacieków naciekowych, wycina się je z jaskini i zabiera do laboratorium, gdzie przecina na pół i poleruje.Mikrowiertło jest następnie używane do wiercenia małych próbek z określonych odstępów wzdłuż nacieków w celu analizy izotopów.

Kalcyt jest również używany przez organizmy morskie do budowy skorup i twardych części. Bezkręgowce (te bez kręgosłupa) wykorzystywały rozpuszczone jony kalcytu do budowy swoich muszli co najmniej od kambru (~ 550 milionów lat temu). Typowe grupy skamieniałości wykorzystujące kalcyt to ramienionogi, trylobity i starożytne szkarłupnie, takie jak blastoidy. Niektóre istniejące (wciąż żyjące) zwierzęta, takie jak jeżowce i ostrygi, również budują swoje szkielety z kalcytu. Ponadto niektóre protisty, takie jak otwornice planktyczne i bentoniczne, używają kalcytu do budowy swoich testów. Organizmy produkujące kalcyt rejestrują wartości węgla i tlenu w swoich skorupach i można je analizować pod kątem izotopów węgla i tlenu.

W skałach z epoki paleozoicznej naukowcy zwykle uzyskują izotopy tlenu z innego rodzaju skamieniałości: konodontów . Te małe, podobne do zębów skamieniałości to wszystko, co pozostało po starożytnych organizmach podobnych do węgorzy, które reprezentują jedne z najwcześniejszych strunowców. Konodonty są powszechnie spotykane w skałach wapiennych, ponieważ te stworzenia pływały w morzach, w których osadzał się wapień. W przeciwieństwie do wapiennych ramienionogów i trylobitów, wśród których żyły, zęby konodonta są wykonane z apatytu lub fosforanu wapnia o wzorze chemicznym Ca3O8P2. Naukowcy ci mogą analizować konodonty w celu uzyskania izotopów tlenu.

Naukowcy mogą również wykorzystywać próbki wapienia pobrane bezpośrednio z wychodni do analizy izotopów węgla i tlenu. Uzyskanie takich masowych próbek węglanu wapienia zazwyczaj wymaga znalezienia odpowiedniej wychodni wapienia, wybicia niektórych kawałków w określonych odstępach czasu i zabrania próbek z powrotem do laboratorium w celu analizy.

Jak mierzy się izotopy węgla i tlenu?

Po zebraniu odpowiedniego materiału (próbki wapienia, nacieków naciekowych lub skamieniałości) na izotop analizach, małą próbkę umieszcza się w spektrometrze mas w celu pomiaru ilości izotopów węgla i tlenu w każdej próbce. Każda próbka jest ładowana do fiolki, a wszystkie fiolki są następnie umieszczane w karuzeli (patrz zdjęcie po lewej, z czerwoną strzałką wskazującą na karuzelę próbek). Do fiolek wlewa się około trzech kropli kwasu w celu rozpuszczenia próbki, tworząc gaz zawierający jony, które mają być zmierzone. Jony są bardzo reaktywne, więc pomiary w spektrometrze mas odbywają się w próżni. Istnieje kilka różnych typów spektrometrów mas, ale jednym z powszechnych sposobów pomiaru izotopów jest manipulowanie nimi za pomocą magnesów i pól elektrycznych i wystrzeliwanie ich w wygiętą rurkę.

Ponieważ izotopy pierwiastków różnią się masą z powodu dodatkowych neutronów (na przykład tlen z 18 neutronami jest cięższy niż cząsteczka tlenu z 16 neutronami), będą one odchylać się pod różnymi kątami w rurze. Stopień, w jakim jony / atomy są odchylane przez magnes, określa ich ciężar. Cięższy jon / atom / cząsteczka jest trudniejszy do odchylenia magnesu, więc obraca się on tylko nieznacznie, podczas gdy lżejszy i / a / m ma mniejszą bezwładność i jest łatwiejszy do obracania.

Zatem lżejsze cząsteczki są odchylane bardziej niż cięższe. Informacje te są przesyłane do komputera, który podaje badaczowi dane dotyczące ilości każdego izotopu w każdej próbce.

Aby uzyskać bardziej szczegółowy opis działania spektrometrii mas, kliknij tutaj. Aby obejrzeć film pokazujący, jak jony są odchylane w spektrometrze mas, kliknij tutaj.

Aby dowiedzieć się, jak paleoklimatolodzy interpretują izotopy węgla i tlenu, przejdź do rozdziału „Węgiel & Strona Izotopów tlenu!