Isotoper (Svenska)

Ett av de många sätt som paleoklimatologer känner till tidigare klimat och havsförhållanden är att använda kemisk sammansättning av sten- och fossilprover. Kom ihåg att kemiska element består av ett antal protoner, neutroner och elektroner. Element har en laddad balans (varken positiv eller negativ) eftersom de har lika många elektroner och protoner. Emellertid kommer olika kemiska reaktioner i naturen att orsaka att element antingen vinner eller förlorar elektroner, och elementen blir positivt eller negativt laddade. När detta händer blir elementen joner. Positiva och negativa joner kommer att attrahera var och en för att bilda fasta ämnen, vissa vätskor och vissa gaser. När ett fast ämne löser sig i vatten bryts de positiva och negativa jonerna isär och dissocieras genom vattnet. De flesta stenar och fossilhårda delar är gjorda av jonföreningar.

Till exempel löses bordssalt, natriumklorid, i vatten och bildar den positivt laddade natriumjonen och den negativt laddade kloridjonen. Detta bildar en vattenlösning (vattenbaserad) lösning:

I ovanstående ekvation anger (s) ett fast material (bordssalt), medan (aq) indikerar att dessa joner är lösta i en vattenlösning.

Kemiska element finns i olika versioner, så kallade isotoper. Isotoper är element som innehåller samma mängd protoner, men skiljer sig åt i antalet neutroner i sina kärnor. Till exempel finns det tre isotoper av grundämnet syre (O): Syre 16, 17 och 18. Varje isotop av syre innehåller 8 protoner, men skiljer sig åt i antalet neutroner. Ett isotopnummer är en förkortning av dess massa. Eftersom protoner och neutroner är ungefär lika stora, är en isotops antal lika med summan av dess protoner och neutroner. Därför har syre 16 8 protoner och 8 neutroner, syre 17 har 8 protoner och 9 neutroner och syre 18 har 8 protoner och 10 neutroner.

Det finns två huvudtyper av isotoper som geovetenskapsmän använder för att tolka forntida jorden: stabila och instabila isotoper. En instabil isotop upplever radioaktivt förfall, där elementet förlorar energi över tiden. Flera radioaktiva isotoper förekommer naturligt och inte alla är dåliga eller skadar människor. Men paleoklimatologer arbetar inte ofta med dessa instabila isotoper. Istället använder vi stabila isotoper som inte genomgår radioaktivt sönderfall.

Två av de vanligaste stabila isotoperna som används av geovetenskapsmän är de av kol (C) och syre (O). Även om det finns flera typer av stabila isotoper kommer vi främst att prata om kol och syre erhållet från planktisk och bentisk foraminifera, eftersom dessa är mycket vanliga inom paleoklimatologi (speciellt för att studera våra hav), men kommer också kort att beröra andra proxies som används för isotop analyser.

Hur erhålls kol- och syreisotoper?

Paleoklimatologer får kol- och syreisotoper från kalcit, en vanlig olika kalciumkarbonat med den kemiska formeln CaCO3. I denna formel finns det tre element: kalcium (Ca), kol (C) och tre syreatomer (O). Kalcit och kalciumkarbonat är vanliga på jorden och i haven och kan ha flera former. Här kommer vi att prata kort om de vanligaste typerna av kalcit som används för isotopanalys.

Kalcit är en komponent i många sedimentära bergarter. När en sedimentär sten består huvudsakligen av kalciumkarbonat kallar geovetenskapsmän det en kalksten. Kalkstensstenar är lätta att urholka jämfört med metamorfa och vulkaniska bergarter. Kalciumkarbonat löses upp när det utsätts för syror. Eftersom regnvatten är lite surt kommer långvarig exponering för regn att kemiskt urholka kalkstenformationer (eller till och med en kalkstenstaty för den delen).

När detta inträffar bärs de upplösta jonerna från kalksten genom vatten i jorden, där de så småningom kan hitta sig till grottor. Här har kalkstenjonerna utrymme att droppa in i grottan och bilda nya kalkstenformationer i form av stalaktiter och stalagmiter (vanligen kallade speleothems). För att analysera stabila isotoper av kol och syre från speleothems skärs de ut ur en grotta och tas till ett laboratorium, där de sågs på mitten och poleras.En mikroborr används sedan för att borra små prover från definierade intervall längs speleoten för isotopanalys.

Kalcit används också av marina organismer för att bygga sina skal och hårda delar. Ryggradslösa djur (de som saknar ryggraden) har använt upplösta kalkitjoner för att bygga sina skal sedan åtminstone Kambrium (för cirka 550 miljoner år sedan). Vanliga fossila grupper som använder kalcit inkluderar brachiopoder, trilobiter och forntida tagghudingar, såsom blastoider. Några bevarade (fortfarande levande) djur, som sjöborrar och ostron, bygger också sina skelett av kalcit. Dessutom använder vissa protister, såsom planktisk och bentisk foraminifera, kalcit för att bygga sina tester. Kalcitproducerande organismer registrerar värdena på kol och syre i sina skal, och kan analyseras för kol- och syreisotoper.

I stenar i paleozoisk ålder får forskare vanligtvis syreisotoper från en annan typ av fossil: konodonter . Dessa små, tandliknande fossiler är allt som finns kvar av forntida ålliknande organismer som representerar några av de tidigaste ackordaten. Conodonts finns ofta i kalkstenar eftersom dessa varelser simmade i haven där kalkstenen deponerades. Till skillnad från de kalkhaltiga brachiopoder och trilobiter som de bodde bland, är konodontänder av apatit, eller kalciumfosfat, med den kemiska formeln Ca3O8P2. Dessa forskare kan analysera konodonter för att erhålla syreisotoper.

Forskare kan också använda kalkstenprover som tagits direkt från en utväg för att analysera isotoper av kol och syre. Att få dessa bulkkarbonatprover av kalksten innebär vanligtvis att hitta en lämplig kalksten, hamra bort några bitar med definierade intervall och ta tillbaka proverna till laboratoriet för att analysera.

Hur mäts kol- och syreisotoper?

När rätt material (kalkstenprover, speleothems eller fossiler) har samlats in för isotop analyser placeras ett litet prov i en masspektrometer för att mäta mängderna kol- och syreisotoper i varje prov. Varje prov laddas i en injektionsflaska och alla injektionsflaskorna placeras sedan i en karusell (se bilden till vänster, med röd pil som pekar mot provkarusellen). Cirka tre droppar syra sätts i flaskorna för att lösa upp provet, vilket skapar en gas som innehåller jonerna som ska mätas. Joner är mycket reaktiva, så mätningarna inom masspektrometern sker i ett vakuum. Det finns flera olika typer av masspektrometrar, men ett av de vanligaste sätten att mäta isotoper är att manipulera dem med magneter och elektriska fält och skjuta ner dem i ett böjt rör.

Eftersom elementens isotoper skiljer sig åt i vikt på grund av ytterligare neutroner (till exempel är syre med 18 neutroner tyngre än en syremolekyl med 16 neutroner) kommer de att avböjas i olika vinklar i röret. Graden i vilken jonerna / atomerna avböjs av en magnet är hur tunga de är. En tyngre jon / atom / molekyl är svårare för magneten att avböjas, så den kommer bara att svänga något, medan en lättare i / a / m har mindre tröghet och är lättare att vrida.

Således avböjs lättare molekyler mer än tyngre. Denna information skickas till en dator som ger forskaren information om mängden av varje isotop i varje prov.

Klicka här för en mer detaljerad redogörelse för hur masspektrometri fungerar. Klicka här för en videodemonstration om hur joner avböjs i en masspektrometer.

Om du vill lära dig hur paleoklimatologer tolkar kol- och syreisotoper, fortsätt till ”Carbon & Syreisotoper sida!