Izotopi

Unul dintre multele moduri în care paleoclimatologii cunosc condițiile climatice și oceanice din trecut este prin utilizarea compoziției chimice a specimenelor de rocă și fosile. Amintiți-vă că elementele chimice sunt compuse dintr-un număr de protoni, neutroni și electroni. Elementele au un echilibru încărcat (nici pozitiv, nici negativ) deoarece au un număr egal de electroni și protoni. Cu toate acestea, diferite reacții chimice din natură vor determina elementele să câștige sau să piardă electroni, iar elementele devin încărcate pozitiv sau negativ. Când se întâmplă acest lucru, elementele devin ioni. Ionii pozitivi și negativi îi vor atrage pe fiecare pentru a forma solide, unele lichide și unele gaze. Când un solid se dizolvă în apă, ionii pozitivi și negativi se despart și se disociază prin apă. Cele mai multe roci și părți rezistente la fosile sunt formate din compuși ionici.

De exemplu, sarea de masă, clorura de sodiu, se va dizolva în apă formând ionul de sodiu încărcat pozitiv și ionul clorură încărcat negativ. Aceasta formează o soluție apoasă (pe bază de apă):

În ecuația de mai sus, (s) indică un material solid (sare de masă), în timp ce (aq) indică faptul că acești ioni sunt dizolvați într-o soluție apoasă.

Elementele chimice se găsesc în diferite versiuni, numite izotopi. Izotopii sunt elemente care conțin aceeași cantitate de protoni, dar diferă prin numărul de neutroni din nucleii lor. De exemplu, există trei izotopi ai elementului oxigen (O): Oxigenul 16, 17 și 18. Fiecare izotop al oxigenului conține 8 protoni, dar diferă prin numărul de neutroni. Un număr de izotop este o reprezentare pe scurt a masei sale. Deoarece protonii și neutronii sunt aproximativ egali în masă, numărul unui izotop este egal cu suma protonilor și neutronilor săi. Prin urmare, oxigenul 16 are 8 protoni și 8 neutroni, oxigenul 17 are 8 protoni și 9 neutroni, iar oxigenul 18 are 8 protoni și 10 neutroni.

Există două tipuri principale de izotopi pe care geologiștii le folosesc pentru a interpreta Pământul antic: izotopi stabili și instabili. Un izotop instabil experimentează degradarea radioactivă, în care elementul va pierde energie în timp. Mai mulți izotopi radioactivi apar în mod natural și nu toți sunt răi sau provoacă daune oamenilor. Cu toate acestea, paleoclimatologii nu lucrează în mod obișnuit cu acești izotopi instabili. În schimb, folosim izotopi stabili care nu sunt supuși decăderii radioactive.

Doi dintre cei mai comuni izotopi stabili utilizați de geoștiinți sunt cei ai carbonului (C) și ai oxigenului (O). Deși există mai multe tipuri de izotopi stabili, vom vorbi în principal despre carbon și oxigen obținut din foraminifere planctice și bentice, deoarece acestea sunt foarte frecvente în paleoclimatologie (în special pentru a ne studia oceanele), dar vom atinge, de asemenea, pe scurt și alte proxy utilizate pentru izotop analize.

Cum se obțin izotopii de carbon și oxigen?

Paleoclimatologii obțin izotopi de carbon și oxigen din calcit, un element comun varietate de carbonat de calciu, cu formula chimică CaCO3. În această formulă, există trei elemente: calciu (Ca), carbon (C) și trei atomi de oxigen (O). Calcitul și carbonatul de calciu sunt comune pe Pământ și în oceane și pot lua mai multe forme. Aici vom vorbi pe scurt despre cele mai frecvente tipuri de calcit utilizate pentru analiza izotopilor.

Calcitul este o componentă în multe roci sedimentare. Când o rocă sedimentară este compusă în mod predominant din carbonat de calciu, geoștiințificii o numesc calcar. Rocile calcaroase sunt ușor de erodat comparativ cu rocile metamorfice și magmatice. Carbonatul de calciu se dizolvă atunci când este expus la acizi. Deoarece apa de ploaie este ușor acidă, expunerea prelungită la ploaie va eroda chimic formațiunile stâncoase de calcar (sau chiar o statuie de calcar).

Când se întâmplă acest lucru, ionii dizolvați din calcar sunt apoi transportați prin apă în sol, unde își pot găsi în cele din urmă drumul spre peșteri. Aici, ionii de calcar au spațiu pentru a picura în peșteră și pentru a forma noi formațiuni de calcar sub formă de stalactite și stalagmite (denumite în mod obișnuit speleoteme). Pentru a analiza izotopii stabili de carbon și oxigen din speleoteme, aceștia sunt tăiați dintr-o peșteră și duși la un laborator, unde sunt tăiați în jumătate și lustruiți.Un microdril este apoi folosit pentru a fora probe mici de la intervale definite de-a lungul speleotemului pentru analiza izotopilor.

Calcita este folosită și de organismele marine pentru a-și construi cochiliile și părțile dure. Animalele nevertebrate (cele lipsite de o coloană vertebrală) au folosit ioni de calcit dizolvat pentru a-și construi cochilii din cel puțin Cambrian (acum ~ 550 milioane de ani). Grupurile fosile comune care utilizează calcit includ brahiopode, trilobiți și echinoderme antice, cum ar fi blastoidele. Unele animale existente (încă vii), cum ar fi arici și stridii, își construiesc, de asemenea, scheletele din calcit. În plus, unii protiști, precum foraminiferele planctice și bentice, folosesc calcitul pentru a-și construi testele. Organismele producătoare de calcit înregistrează valorile carbonului și oxigenului din cochilii lor și pot fi analizate pentru izotopi de carbon și oxigen.

În rocile din epoca paleozoică, oamenii de știință obțin în mod obișnuit izotopi de oxigen dintr-un alt tip de fosilă: conodontii . Aceste fosile mici, asemănătoare dinților, sunt tot ceea ce rămâne din organismele antice asemănătoare anghilei care reprezintă unele dintre cele mai vechi acordate. Conodontii se găsesc în mod obișnuit în roci calcaroase, deoarece aceste creaturi înotau în mările în care a fost depus calcarul. Spre deosebire de brahiopodele calcaroase și trilobite dintre care au trăit, dinții conodontului sunt fabricați din apatit sau fosfat de calciu, cu formula chimică Ca3O8P2. Acești oameni de știință pot analiza conodonti pentru a obține izotopi de oxigen.

Oamenii de știință pot folosi, de asemenea, probe de calcar prelevate direct dintr-un afloriment pentru a analiza izotopii de carbon și oxigen. Obținerea acestor eșantioane de carbonat în vrac implică de obicei găsirea unui afloriment adecvat de calcar, ciocanirea unor bucăți la intervale definite și preluarea probelor înapoi la laborator pentru a le analiza.

Cum se măsoară izotopii de carbon și oxigen?

Odată ce materialul adecvat (probe de calcar, speleoteme sau fosile) este colectat pentru izotop analizele, o mică probă este introdusă într-un spectrometru de masă pentru a măsura cantitățile de izotopi de carbon și oxigen din fiecare probă. Fiecare probă este încărcată într-un flacon și toate flacoanele sunt apoi introduse într-un carusel (a se vedea imaginea din stânga, cu săgeata roșie care indică caruselul probei). Aproximativ trei picături de acid sunt introduse în flacoane pentru a dizolva proba, creând un gaz care conține ionii care trebuie măsurați. Ionii sunt foarte reactivi, deci măsurătorile din spectrometrul de masă au loc în vid. Există mai multe tipuri diferite de spectrometre de masă, dar una dintre modalitățile obișnuite de măsurare a izotopilor este manipularea acestora prin magneți și câmpuri electrice și aruncarea lor într-un tub îndoit.

Deoarece izotopii elementelor diferă în greutate din cauza neutronilor suplimentari (de exemplu, oxigenul cu 18 neutroni este mai greu decât o moleculă de oxigen cu 16 neutroni), aceștia se vor devia la unghiuri diferite în tub. Gradul în care ionii / atomii sunt deviați de un magnet este cât de grei sunt. Un ion / atom / moleculă mai greu este mai greu pentru magnet să devieze, deci se va întoarce doar ușor, în timp ce un i / a / m mai ușor are mai puțină inerție și este mai ușor de rotit.

Astfel, moleculele mai ușoare sunt deviate mai mult decât cele mai grele. Aceste informații sunt trimise către un computer, care oferă cercetătorului date despre cantitatea fiecărui izotop din fiecare eșantion.

Pentru o prezentare mai detaliată a modului în care funcționează spectrometria de masă, faceți clic aici. Pentru o demonstrație video despre modul în care ionii sunt deviați într-un spectrometru de masă, faceți clic aici.

Pentru a afla cum interpretează paleoclimatologii izotopii de carbon și oxigen, continuați cu „Carbon & Pagina izotopilor oxigenului!