Венский стандарт средней океанской воды

Стандарт, определяющий изотопный состав океанской воды

Венский стандарт средней океанской воды ( VSMOW ) — это изотопный стандарт воды, то есть определенный образец воды, в котором точно известны пропорции различных изотопов водорода и кислорода . VSMOW перегоняется из океанской воды и не содержит соли и других примесей. Опубликованный и распространяемый базирующимся в Вене Международным агентством по атомной энергии в 1968 году, стандарт и его по существу идентичный преемник VSMOW2 продолжают использоваться в качестве справочного материала .

Образцы воды, состоящие из разных изотопов водорода и кислорода, имеют несколько разные физические свойства. Как крайний пример, тяжелая вода , содержащая два атома дейтерия ( ² H) вместо обычного, более легкого водорода-1 ( ¹ H), имеет температуру плавления 3,82 °C (38,88 °F) и температуру кипения 101,4 °. С (214,5 ° F). ^[1] Различные скорости испарения приводят к тому, что пробы воды из разных мест круговорота воды содержат несколько разные соотношения изотопов. Океанская вода (богатая тяжелыми изотопами) и дождевая вода (бедная тяжелыми изотопами) примерно представляют собой две крайности, встречающиеся на Земле. Вместе с VSMOW МАГАТЭ одновременно опубликовало аналогичный стандарт для дождевой воды — Стандарт легких антарктических осадков (SLAP) и, в конечном итоге, его преемника SLAP2. SLAP содержит примерно на 5% меньше кислорода-18 и на 42,8% меньше дейтерия, чем VSMOW.

Шкала, основанная на VSMOW и SLAP, используется для определения концентраций кислорода-18 и дейтерия. С 2005 года и до нового определения в 2019 году кельвин составлял 1/273,16 температуры конкретно VSMOW в его тройной точке .

История и предыстория

Оригинальный контейнер VSMOW (тогда называвшийся SMOW-1 ), собранный Хармоном Крейгом.

Содержание определенного изотопа в веществе обычно указывается относительно некоторого эталонного материала в виде дельты в тысячных долях ( ‰ ) от эталонного материала. Например, отношение дейтерия ( ² H) к водороду-1 в веществе x можно выразить как

${\displaystyle \delta \,^{2}\mathrm {H} _{x/{\text{reference}}}{\text{ (in ‰)}}=\left({\frac {(^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{x}}{(^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{\text{reference}}}}-1\right)\cdot 1000}$,

где обозначает абсолютную концентрацию по x . ^[2] ${\displaystyle (^{2}\mathrm {H} /^{1}\mathrm {H} )_{x}}$

В 1961 году, разрабатывая стандарт для измерения и отчетности по концентрациям дейтерия и кислорода-18, Хармон Крейг из Океанографического института Скриппса в Сан-Диего , Калифорния, предложил абстрактный водный стандарт. Он основал пропорции на своих измерениях образцов океанских вод по всему миру, взятых Эпштейном и Майедой (1953). ^[3] Приближая среднее значение своих измерений, Крейг определил свой «стандарт средней океанской воды» (SMOW) относительно образца воды, хранящегося в Национальном бюро стандартов США под названием NBS-1 (отобранного из реки Потомак ^[4] ). В частности, SMOW имел следующие параметры относительно NBS-1:

• δ ² H _SMOW/NBS-1 = 50‰, т.е. обогащение 5%;
• δ ¹⁸ O _SMOW/NBS-1 = 8‰, т.е. обогащение 0,8%. ^[3]

Позже исследователи из Калифорнийского технологического института определили еще один абстрактный эталон, также называемый «SMOW», для концентраций кислорода-18, так что образец потсдамского песчаника , находящийся в их распоряжении, удовлетворял соотношению δ ¹⁸ O _{песчаник/SMOW} = 15,5 ‰ . ^[5]

Чтобы устранить путаницу, совещание Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) в Вене в ноябре 1966 года рекомендовало подготовить два изотопных стандарта воды: венский SMOW (VSMOW; первоначально просто «SMOW», но позже устранили неоднозначность ^[5] ) и стандартный легкий антарктический. Осадки (SLAP). ^[6] Крейг приготовил VSMOW, смешав дистиллированную воду Тихого океана с небольшим количеством другой воды. VSMOW был призван максимально соответствовать стандарту SMOW. Измерения Крейга обнаружили идентичную концентрацию ¹⁸ O и концентрацию ² H на 0,2 ‰ ниже. ^[7] Стандарт SLAP был создан на основе расплавленного образца фирна со станции Плато в Антарктиде. ^[7] Также был подготовлен стандарт с концентрациями кислорода-18 и дейтерия между VSMOW и SLAP, названный «Осадки на ледниковом покрове Гренландии» (GISP). ^[7] МАГАТЭ начало распространять образцы в 1968 году, а Гонфиантини (1978) собрал анализы VSMOW и SLAP из 45 лабораторий по всему миру. ^[8] Образец ВСМОВ хранился в контейнере из нержавеющей стали в атмосфере азота и был перенесен в стеклянные ампулы в 1977 году. ^[7]

Концентрации дейтерия и кислорода-18 в VSMOW близки к верхнему пределу природных материалов, а концентрации в SLAP близки к нижнему пределу. ^[2] Из-за путаницы в отношении нескольких стандартов воды Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу рекомендовала в 1994 году, чтобы все будущие изотопные измерения кислорода-18 ( ¹⁸ O) и дейтерия ( ² H) сообщались относительно VSMOW по шкале так что δ ¹⁸ O SLAP составляет -55,5 ‰, а δ ² H SLAP составляет -428 ‰ относительно VSMOW. ^{[9] [10]} Таким образом, SLAP определяется как содержащий 94,45% концентрации кислорода-18 и 57,2% концентрации дейтерия VSMOW. ^[9] Использование весов с двумя определенными образцами улучшает сравнение результатов между лабораториями.

В декабре 1996 года из-за сокращения поставок VSMOW МАГАТЭ решило создать замену стандарту VSMOW2. Опубликованный в 1999 году, он содержит почти идентичную смесь изотопов. Около 300 литров было приготовлено из смеси дистиллированной воды из озера Браччано в Италии, Галилейского моря в Израиле и скважины в Египте в пропорциях, выбранных для достижения изотопных соотношений VSMOW. МАГАТЭ также опубликовало преемник SLAP, получивший название SLAP2, полученный из талой воды с четырех антарктических буровых площадок. ^[11] Отклонения ¹⁷ О и ¹⁸ О в новых эталонах от старых стандартов равны нулю в пределах погрешности измерения. ^[12] Существует небольшое, но измеримое отклонение концентрации ² H в SLAP2 от SLAP: δ ² H _SLAP2/VSMOW определяется как -427,5‰ вместо -428‰, но не в VSMOW2 от VSMOW. ^[13] МАГАТЭ рекомендует по-прежнему сообщать результаты измерений по шкале VSMOW–SLAP. ^[14]

Два старых стандарта сейчас хранятся в МАГАТЭ и больше не продаются. ^[15]

Измерения

Все измерения сообщаются с их стандартной неопределенностью . Измерения конкретных комбинаций изотопов кислорода и водорода не нужны, поскольку молекулы воды постоянно обмениваются атомами друг с другом.

ВСМОВ

За исключением трития, который определялся газообразным гелием, выделяющимся при радиоактивном распаде, эти измерения были проведены с помощью масс-спектроскопии .

• Дейтерий ( ² H/ ¹ H) – 155,76 ± 0,05 ppm , ^{[16] [17]} около 1 на 6420 атомов водорода.
• Тритий ( ^​​3 H / ¹ H ) – 18,5 ± 3,6 TU ^[a] = 1,85 ± 0,36  ×  10 ^-11 ppm , измерено 16 сентября 1976 г., ^{[8] [16]} около 1 на 5,40  ×  10 ¹⁶ атомов водорода .
• Кислород-18 ( ¹⁸ O/ ¹⁶ O) — 2005,20 ± 0,45 ppm , ^{[16] [18]} около 1 на 499 атомов кислорода.
• Кислород-17 ( ¹⁷ O/ ¹⁶ O) — 379,9 ± 0,8 ppm , ^{[16] [19]} около 1 на 2640 атомов кислорода.

ШЛЕПОК

На основании результатов Гонфиантини (1978) МАГАТЭ определило дельта-шкалу для SLAP на уровне -55,5 ‰ для ¹⁸ O и -428 ‰ для ² H. То есть, по измерениям, SLAP содержал примерно на 5,55% меньше кислорода-18 и 42,8. % меньше дейтерия, чем у VSMOW, и эти цифры использовались для привязки шкалы к двум точкам. ^[8] Экспериментальные данные приведены ниже.

• ² H / ¹ H – 89,02 ± 0,05 м.д. , δ := −428,5 ± 0,4‰ , ^{[16] [17]} около 1 на 11230 атомов
• ³ H / ¹ H – 374 ± 9 TU ^[a] = 3,74 ± 0,09  ×  10 ^-10 ppm , измерено 16 сентября 1976 г. ^[8] около 1 на 2,67  ×  10 ¹⁵ атомов .
• ¹⁸ O / ¹⁶ O – 1893,91 ± 0,45 м.д. , δ := −55,5‰ , ^[16] около 1 из 528 атомов
• ¹⁷ O / ¹⁶ O – δ = −28,86 ± 0,1‰ , ^[16] около 1 на 3700 атомов.

ВСМОВ2 и SLAP2

Концентрации ¹⁷ O и ¹⁸ O неразличимы между VSMOW и VSMOW2, а также между SLAP и SLAP2. В спецификации указаны стандартные погрешности этих измерений. ^[20] Концентрация ² H также не изменяется в VSMOW2, но слегка увеличивается в SLAP2. МАГАТЭ сообщает:

• δ ² H _SLAP2/VSMOW = −427,5 ± 0,3‰ , ^[21] (Сравните −428‰ для SLAP.)

6 июля 2007 г. концентрация трития составляла 3,5 ± 1,0 ТЕ в VSMOW2 и 27,6 ± 1,6 ТЕ в SLAP2. ^[22]

ГИСП

• δ ² H _GISP = −189,5 ± 1,2‰
• δ ¹⁸ O _GISP = −24,66 ± 0,09‰
• δ ¹⁷ О _GISP = −12,71 ± 0,1‰ ^[23]

Приложения

Отчетность об изотопных соотношениях

Шкала VSMOW-SLAP рекомендована Геологической службой США, ИЮПАК и МАГАТЭ для измерения концентраций дейтерия и ¹⁸ O в любых веществах. ^{[24] [25] [9]} Для ¹⁸ O также можно использовать шкалу, основанную на венском пи-ди-белемните . ^[9] Физические образцы, которые распространяются МАГАТЭ и Национальным институтом стандартов и технологий США , используются для калибровки оборудования для измерения изотопов. ^[26]

Вариации содержания изотопов полезны в гидрологии, метеорологии и океанографии. ^[27] В разных частях океана действительно немного различаются концентрации изотопов: значения δ ¹⁸ O колеблются от –11,35‰ в воде у берегов Гренландии до +1,32‰ в северной Атлантике, а концентрации δ ² H в глубоководной зоне океана. примерно от –1,7‰ вблизи Антарктиды до +2,2‰ в Арктике. В поверхностных водах изменения гораздо значительнее, чем в глубоководных. ^[28]

Измерения температуры

В 1954 году Международный комитет мер и весов (CIPM) установил определение Кельвина как 1/273,16 абсолютной температуры тройной точки воды. Воды с разным изотопным составом имели несколько разные тройные точки. Так, Международный комитет мер и весов в 2005 году уточнил ^[29] , что определение температурной шкалы Кельвина будет относиться к воде с составом номинальной спецификации ВСМОВ. ^[30] Это решение было одобрено в 2007 году в Резолюции 10 23-й сессии ГКМВ. ^[31] Тройная точка измеряется в ячейках тройной точки, где вода удерживается в тройной точке и позволяет достичь равновесия с окружающей средой. При использовании обычных вод диапазон межлабораторных измерений тройной точки может составлять около 250 мкК . ^[32] При использовании ВСМОВ межлабораторный диапазон измерений тройной точки составляет около 50 мкК . ^[33]

После переопределения базовых единиц СИ в 2019 году кельвин определяется через константу Больцмана , что делает его определение полностью независимым от свойств воды. Определенное значение постоянной Больцмана было выбрано таким образом, чтобы измеренное значение тройной точки VSMOW было идентично ранее определенному значению в пределах измеримой точности. ^[34] Трехточечные ячейки остаются практическим методом калибровки термометров. ^[33]

Смотрите также

• Международная температурная шкала 1990 г.
• Свойства воды

Примечания

1. TU — единицы трития, или атомы трития на 10 ¹⁸ атомов водорода.

Источники

• Баэрчи, П. (август 1976 г.). «Абсолютное содержание ¹⁸ O в стандартной средней океанской воде». Письма о Земле и планетологии . 31 (3): 341–344. дои : 10.1016/0012-821X(76)90115-1.
• Коплен, Тайлер Б. (1994). «Отчет о стабильном содержании изотопов водорода, углерода и кислорода (Технический отчет)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 66 (2): 273–276. дои : 10.1351/pac199466020273.
• Коплен, Тайлер Б. (май 1995 г.). «Прекращение SMOW и PDB». Природа . 375 (6529): 285. дои : 10.1038/375285a0 .
• Крейг, Хармон (9 июня 1961 г.). «Стандарт отчетности по концентрации дейтерия и кислорода-18 в природных водах». Наука . 133 (3467): 1833–1834. дои : 10.1126/science.133.3467.1833.
• Эпштейн, С.; Маеда, Т. (1 ноября 1953 г.). «Изменение содержания ¹⁸ O в водах природных источников». Geochimica et Cosmochimica Acta . 4 (5): 213–224. дои : 10.1016/0016-7037(53)90051-9.
• Гонфиантини, Р. (февраль 1978 г.). «Стандарты для измерения стабильных изотопов в природных соединениях». Природа . 271 (5645): 534–536. дои : 10.1038/271534a0.
• Ли, Вэньцзюнь; Ни, Баолин; Цзинь, Дэцю; Чжан, Цинлянь (1988). «Измерение абсолютного содержания кислорода-17 в V-SMOW».科学通报 (英文版) [ Научный бюллетень (английское издание) ] (19): 1610–1613.
• Хагеманн, Р.; Ниф, Г.; Рот, Э. (1970). «Абсолютная изотопная шкала для анализа дейтерия в природных водах. Абсолютное соотношение D/H для SMOW». Tellus Series A: Динамическая метеорология и океанография . 22 (6): 712. doi : 10.3402/tellusa.v22i6.10278 .
• «Консультативное совещание по эталонным образцам стабильных изотопов для геохимических и гидрологических исследований» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии . Март 1984 года.
• «Справочный лист международных стандартов измерений» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. Декабрь 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 29 июля 2020 г.
• «Справочный лист международных стандартов измерений» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. июль 2017.
• «Справочный лист справочного материала GISP» (PDF) . Международное агентство по атомной энергии. Август 2007.
• «Атомный вес элементов: обзор 1993 г.» (PDF) . Чистая и прикладная химия . Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу . 66 (22): 2423–2444. 1994.
• «Атомный вес элементов: обзор 2000 г.» (PDF) . Чистая и прикладная химия . Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу. 75 (6): 683–800. 2000.
• Лин, Ю.; Клейтон, Р.Н. (2010). «Калибровка δ ¹⁷ O и δ ¹⁸ O международных эталонов – VSMOW, VSMOW2, SLAP и SLAP2». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 24 (6): 773–776. дои : 10.1002/rcm.4449.
• «Кельвин: настоящая реализация». Национальный институт науки и технологий . 8 июля 2021 г.
• «Отчет об эталонном материале стабильного изотопного состава SLAP2 - 0,25 мкл» (PDF) . Геологическая служба США . 9 июля 2020 г.
• Ферронский, В.И.; Поляков В.А. (6 марта 2012 г.). Изотопы гидросферы Земли. Springer Science & Business Media.

Цитаты

1. «Теплофизические свойства D2O» (PDF) . Журнал физических и химических справочных данных . 13 (601). 2009.
2. Коплен 1994.
3. Крейг 1961, с. 1833.
4. МАГАТЭ 1984, стр. 3.
5. Коплен 1994, с. 274.
6. МАГАТЭ 1984, стр. 1.
7. МАГАТЭ 1984, стр. 2.
8. Гонфиантини 1978, с. 534.
9. CIAAW 1994, с. 2435.
10. Коплен 1995.
11. МАГАТЭ 2017, стр. 2.
12. МАГАТЭ 2017, стр. 1,6.
13. МАГАТЭ 2017, стр. 3.
14. МАГАТЭ 2017, стр. 4.
15. МАГАТЭ 2006, стр. 2.
16. МАГАТЭ 2006, стр. 3.
17. Хагеманн, Ниф и Рот 1970, стр. 6.
18. Баэрчи 1976.
19. Ли и др. 1988.
20. МАГАТЭ 2006, стр. 5–6.
21. МАГАТЭ 2017, стр. 1,3.
22. МАГАТЭ 2017, стр. 6.
23. МАГАТЭ 2007, стр. 3.
24. МАГАТЭ 2017, стр. 5.
25. Геологическая служба США 2020, с. 2.
26. Геологическая служба США 2020, с. 1.
27. CIAAW 2000, стр. 705.
28. Ферронский и Поляков 2012, стр. 52–53.
29. Международный комитет мер и весов (CIPM) (10 октября 2005 г.). «Уточнение определения кельвина, единицы термодинамической температуры» (PDF) . Международное бюро мер и веса . Архивировано из оригинала (PDF) 22 августа 2017 года . Проверено 1 января 2021 г. Международный комитет мер и весов (CIPM) [...] решает, что определение кельвина относится к воде определенного изотопного состава.
30. «94-е заседание Международного комитета мер и веса» (PDF) . Октябрь 2005. с. 235. Архивировано из оригинала (PDF) 2 ноября 2006 г.Принятие CIPM стандарта VSMOW было основано на рекомендации CIAAW (2000).
31. «Резолюция 10 - МБМВ» .
32. Дополнительная информация к Международной температурной шкале 1990 года . Международный комитет мер и весов. 1997. с. 29.
33. НИСТ 2021.
34. Питр, Лоран; Плиммер, Марк; Спараски, Фернандо; Химберт, Марк (20 декабря 2018 г.). «Определения постоянной Больцмана». Comptes Rendus Physique . 20 (1): 129–139.

Внешние ссылки

• Международное агентство по атомной энергии – МАГАТЭ
• ITS-90 - Шведский национальный институт испытаний и исследований
• ИТС-90 - Омега Инжиниринг
• Океанографический институт Скриппса. Архивировано 7 июня 2013 г. в Wayback Machine.
• Датчики температуры - хранилище информации
• Научные данные о воде - Лондонский университет Саут-Бэнк