Циклы соотношения изотопов кислорода — это циклические изменения отношения содержания кислорода с атомной массой 18 к содержанию кислорода с атомной массой 16, присутствующего в некоторых веществах, таких как полярный лед или кальцит , в образцах керна океана , измеренных с помощью фракционирование изотопов . Это соотношение связано с температурой древнего океана , которая, в свою очередь, отражает древний климат. Циклы этого соотношения отражают изменения климата в геологической истории Земли .
Кислород ( химический символ O) имеет три встречающихся в природе изотопа : 16 O, 17 O и 18 O , где 16, 17 и 18 относятся к атомной массе. Наиболее распространенным является 16 O, с небольшим процентом 18 O и еще меньшим процентом 17 O. Анализ изотопов кислорода учитывает только соотношение 18 O и 16 O, присутствующих в образце.
Рассчитанное соотношение масс каждого присутствующего в образце затем сравнивается со стандартом, что может дать информацию о температуре, при которой образец был сформирован - подробности см. в разделе «Прокси (климат)» .
18 O на два нейтрона тяжелее, чем 16 O, поэтому молекула воды, в которой он находится, становится тяжелее на эту величину. Дополнительная масса изменяет водородные связи так, что для испарения H 2 18 O требуется больше энергии, чем для H 2 16 O, а H 2 18 O выделяет больше энергии при конденсации . Кроме того, H 2 16 O имеет тенденцию диффундировать быстрее.
Поскольку H 2 16 O требует меньше энергии для испарения и с большей вероятностью диффундирует в жидкую фазу, первый водяной пар, образующийся при испарении жидкой воды, обогащается H 2 16 O, а остаточная жидкость обогащается H 2 18. О. Когда водяной пар конденсируется в жидкость, в жидкость преимущественно попадает H 2 18 O, а H 2 16 O концентрируется в оставшемся паре.
Когда воздушная масса перемещается из теплого региона в холодный, водяной пар конденсируется и удаляется в виде осадков. Осадки удаляют H 2 18 O, оставляя все больше водяного пара, обогащенного H 2 16 O. Этот процесс дистилляции приводит к тому, что содержание 18 O/ 16 O в осадках снижается по мере снижения температуры. Дополнительные факторы могут повлиять на эффективность дистилляции, например, прямое осаждение кристаллов льда, а не жидкой воды, при низких температурах.
Из-за интенсивных осадков, выпадающих во время ураганов, H 2 18 O истощается по сравнению с H 2 16 O, что приводит к относительно низким соотношениям 18 O/ 16 O. Последующее поглощение ураганных осадков деревьями создает запись о прохождении ураганов, которую можно использовать для создания исторических записей в отсутствие человеческих записей. [1]
В лабораториях температура , влажность , вентиляция и т. д. влияют на точность измерений изотопов кислорода. [2] Твердые образцы (органические и неорганические) для измерения изотопов кислорода обычно хранятся в серебряных чашках и измеряются с помощью пиролиза и масс-спектрометрии . Исследователям необходимо избегать неправильного или длительного хранения образцов для обеспечения точных измерений. [2]
Соотношение 18 O/ 16 O обеспечивает рекорд древней температуры воды. Вода на 10–15 °C (от 18 до 27 °F ) холоднее нынешней представляет собой оледенение . По мере того как более низкие температуры распространяются к экватору, водяной пар, богатый 18 O, преимущественно выпадает в виде дождей в более низких широтах. Оставшийся водяной пар, который конденсируется в более высоких широтах, впоследствии обогащается 16 O. [3] Осадки и, следовательно, ледниковый лед содержат воду с низким содержанием 18 O. Поскольку большие количества воды с 16 О хранятся в виде ледникового льда, содержание 18 О в океанической воде высокое. Вода на 5 ° C (9 ° F) теплее, чем сегодня, представляет собой межледниковье, когда содержание 18 O в океанической воде ниже. График изменения температуры древней воды с течением времени показывает, что климат менялся циклически, с большими циклами и гармониками или меньшими циклами, накладывающимися на большие. Этот метод оказался особенно ценным для выявления ледниковых максимумов и минимумов в плейстоцене .
Известняк откладывается из кальцитовых оболочек микроорганизмов. Кальцит, или карбонат кальция , химическая формула CaCO 3 , образуется из воды H 2 O и углекислого газа CO 2 , растворенных в воде. Диоксид углерода обеспечивает два атома кислорода в кальците. Кальций должен отнять у воды треть . Таким образом, соотношение изотопов в кальците после компенсации такое же, как и соотношение в воде, из которой микроорганизмы данного слоя извлекли материал раковины. Более высокое содержание 18 O в кальците указывает на более низкую температуру воды, поскольку все более легкие изотопы хранятся в ледниковом льду. Микроорганизм, наиболее часто используемый для идентификации морских изотопных стадий, — это фораминиферы . [4]
Динамическая эволюция оксигенации Земли зафиксирована в древних отложениях Республики Габон примерно от 2150 до 2080 миллионов лет назад. Ответственные за эти колебания оксигенации, вероятно, были вызваны выбросом изотопов углерода в Ломагунди. [5]