Isotopes (Português)

Uma das muitas maneiras pelas quais os paleoclimatologistas conhecem o clima e as condições oceânicas do passado é usando a composição química de rochas e espécimes fósseis. Lembre-se de que os elementos químicos são compostos de certo número de prótons, nêutrons e elétrons. Os elementos têm um equilíbrio carregado (nem positivo nem negativo) porque têm um número igual de elétrons e prótons. No entanto, várias reações químicas na natureza farão com que os elementos ganhem ou percam elétrons, e os elementos se tornem carregados positiva ou negativamente. Quando isso acontece, os elementos se tornam íons. Os íons positivos e negativos atrairão cada um para formar sólidos, alguns líquidos e alguns gases. Quando um sólido se dissolve na água, os íons positivos e negativos se separam e se dissociam através da água. A maioria das rochas e partes duras fósseis são feitas de compostos iônicos.

Por exemplo, sal de mesa, cloreto de sódio, se dissolverá em água formando o íon sódio com carga positiva e íon cloreto com carga negativa. Isso forma uma solução aquosa (à base de água):

Na equação acima, o (s) indica um material sólido (sal de mesa), enquanto o (aq) indica que esses íons são dissolvidos em uma solução aquosa.

Os elementos químicos são encontrados em diferentes versões, chamados de isótopos. Isótopos são elementos que contêm a mesma quantidade de prótons, mas diferem no número de nêutrons em seus núcleos. Por exemplo, existem três isótopos do elemento oxigênio (O): Oxigênio 16, 17 e 18. Cada isótopo de oxigênio contém 8 prótons, mas difere no número de nêutrons. Um número de isótopo é uma representação abreviada de sua massa. Como os prótons e nêutrons são quase iguais em massa, o número de um isótopo é igual à soma de seus prótons e nêutrons. Portanto, o oxigênio 16 tem 8 prótons e 8 nêutrons, o oxigênio 17 tem 8 prótons e 9 nêutrons e o oxigênio 18 tem 8 prótons e 10 nêutrons.

Existem dois tipos principais de isótopos que os geocientistas usam para interpretar o Terra antiga: isótopos estáveis e instáveis. Um isótopo instável experimenta decadência radioativa, onde o elemento perderá energia com o tempo. Vários isótopos radioativos ocorrem naturalmente e nem todos são nocivos ou causam danos aos seres humanos. No entanto, os paleoclimatologistas não costumam trabalhar com esses isótopos instáveis. Em vez disso, usamos isótopos estáveis que não estão sofrendo decaimento radioativo.

Dois dos isótopos estáveis mais comuns usados por geocientistas são os de carbono (C) e oxigênio (O). Embora existam vários tipos de isótopos estáveis, falaremos principalmente sobre carbono e oxigênio obtidos de foraminíferos plancticos e bentônicos, pois são muito comuns na paleoclimatologia (especialmente para estudar nossos oceanos), mas também abordaremos brevemente outros substitutos usados para isótopos análises.

Como são obtidos os isótopos de carbono e oxigênio?

Paleoclimatologistas obtêm isótopos de carbono e oxigênio da calcita, um comum variedade de carbonato de cálcio, com a fórmula química CaCO3. Nesta fórmula, existem três elementos: cálcio (Ca), carbono (C) e três átomos de oxigênio (O). A calcita e o carbonato de cálcio são comuns na Terra e nos oceanos e podem assumir várias formas. Aqui, falaremos brevemente sobre os tipos mais comuns de calcita usados para análise de isótopos.

A calcita é um componente de muitas rochas sedimentares. Quando uma rocha sedimentar é composta predominantemente de carbonato de cálcio, os geocientistas a chamam de calcário. As rochas calcárias são fáceis de erodir em comparação com as rochas metamórficas e ígneas. O carbonato de cálcio se dissolve quando exposto a ácidos. Como a água da chuva é ligeiramente ácida, a exposição prolongada à chuva irá erodir quimicamente as formações rochosas de calcário (ou mesmo uma estátua de calcário).

Quando isso ocorre, os íons dissolvidos do calcário são transportados pela água no solo, onde podem eventualmente encontrar o caminho para as cavernas. Aqui, os íons de calcário têm espaço para pingar na caverna e formar novas formações de calcário na forma de estalactites e estalagmites (comumente chamadas de espeleotemas). Para analisar isótopos estáveis de carbono e oxigênio de espeleotemas, eles são retirados de uma caverna e levados para um laboratório, onde são serrados ao meio e polidos.Um microdrill é então usado para perfurar amostras minúsculas de intervalos definidos ao longo do espeleotema para análise de isótopos.

A calcita também é usada por organismos marinhos para construir suas conchas e partes duras. Animais invertebrados (aqueles sem coluna vertebral) têm usado íons de calcita dissolvidos para construir suas conchas desde pelo menos o Cambriano (~ 550 milhões de anos atrás). Grupos fósseis comuns que utilizam calcita incluem braquiópodes, trilobitas e equinodermos antigos, como os blastóides. Alguns animais existentes (ainda vivos), como ouriços-do-mar e ostras, também constroem seus esqueletos de calcita. Além disso, alguns protistas, como os foraminíferos plâncticos e bentônicos, usam calcita para construir seus testes. Os organismos produtores de calcita registram os valores de carbono e oxigênio em suas conchas e podem ser analisados para isótopos de carbono e oxigênio.

Em rochas da idade paleozóica, os cientistas comumente obtêm isótopos de oxigênio de outro tipo de fóssil: conodontes . Esses pequenos fósseis semelhantes a dentes são tudo o que resta de antigos organismos semelhantes a enguias que representam alguns dos primeiros cordados. Os conodontes são comumente encontrados em rochas calcárias, pois essas criaturas nadaram nos mares em que o calcário foi depositado. Ao contrário dos braquiópodes e trilobitas calcários entre os quais viviam, os dentes conodonte são feitos de apatita, ou fosfato de cálcio, com a fórmula química Ca3O8P2. Esses cientistas podem analisar conodontes para obter isótopos de oxigênio.

Os cientistas também podem usar amostras de calcário retiradas diretamente de um afloramento para analisar isótopos de carbono e oxigênio. A obtenção dessas amostras de carbonato de calcário a granel normalmente envolve encontrar um afloramento adequado de calcário, martelar alguns pedaços em intervalos definidos e levar as amostras de volta ao laboratório para análise.

Como os isótopos de carbono e oxigênio são medidos?

Assim que o material apropriado (amostras de calcário, espeleotemas ou fósseis) for coletado para o isótopo análises, uma pequena amostra é colocada em um espectrômetro de massa para medir as quantidades de isótopos de carbono e oxigênio dentro de cada amostra. Cada amostra é carregada em um frasco e todos os frascos são colocados em um carrossel (veja a imagem à esquerda, com a seta vermelha apontando para o carrossel de amostra). Aproximadamente três gotas de ácido são colocadas nos frascos para dissolver a amostra, criando um gás que contém os íons a serem medidos. Os íons são muito reativos, então as medições no espectrômetro de massa ocorrem no vácuo. Existem vários tipos diferentes de espectrômetros de massa, mas uma das maneiras comuns de medir os isótopos é manipulá-los por ímãs e campos elétricos e dispará-los por um tubo curvo.

Como os isótopos dos elementos diferem em peso devido aos nêutrons adicionais (por exemplo, oxigênio com 18 nêutrons é mais pesado do que uma molécula de oxigênio com 16 nêutrons), eles se desviarão em ângulos diferentes no tubo. O grau em que os íons / átomos são desviados por um ímã é o quão pesados eles são. Um íon / átomo / molécula mais pesado é mais difícil para o ímã desviar, então ele girará apenas ligeiramente, enquanto um i / a / m mais leve tem menos inércia e é mais fácil de girar.

Assim, as moléculas mais leves são desviadas mais do que as mais pesadas. Essas informações são enviadas a um computador, que fornece ao pesquisador dados sobre a quantidade de cada isótopo em cada amostra.

Para um relato mais detalhado de como funciona a espectrometria de massa, clique aqui. Para assistir a uma demonstração em vídeo sobre como os íons são desviados em um espectrômetro de massa, clique aqui.

Para saber como os paleoclimatologistas interpretam os isótopos de carbono e oxigênio, prossiga para Carbono & Página de isótopos de oxigênio!