Ци́клы изото́пного соотноше́ния кисло́рода — циклические изменения отношения количества изотопов кислорода с массовыми числами 18 и 16 в таких веществах, как полярный лёд или кальцит в океанических кернах. Измеряется методом изотопного фракционирования. Это отношение связано с древней температурой океана, отражающей древний климат. Циклы отражают изменения климата в геологической истории Земли.
Изотопы кислорода
Кислород (химический символ O) имеет три встречающихся в природе стабильных изотопа: 16O, 17O и 18O, где 16, 17 и 18 — массовое число (суммарное количество протонов и нейтронов в ядре атома). Наиболее распространённым является 16O с небольшим процентным содержанием 18O и ещё меньшим процентным содержанием 17O. При изотопном анализе кислорода в образце учитывается только соотношение 18O и 16O. Природная распространённость кислорода-16 в земных образцах кислорода составляет от 99,738 до 99,776 ат.%; кислорода-17 — от 0,037 до 0,040 ат.%; кислорода-18 — от 0,188 до 0,222 ат.%.
Измеренное изотопное содержание каждого изотопа в образце сравнивается со стандартом, что позволяет получить информацию о температуре среды в момент формирования образца (см. Косвенные климатические индикаторы), поскольку скорость физико-химических процессов для различных изотопов зависит от температуры.
Связь между изотопами и температурой/погодой Ядро 18O содержит на два нейтрона больше, чем 16O, и поэтому молекула воды, в которую оно входит, тяжелее примерно на две атомные единицы массы (молекулярная масса молекулы 1H216O составляет примерно 18 а.е.м., а молекула 1H218O имеет массу около 20 а.е.м. — на 11% больше). Дополнительная масса изменяет водородные связи, поэтому для испарения воды с кислородом-18 требуется больше энергии, чем для воды с кислородом-16. Вода с кислородом-18 выделяет больше энергии при конденсации и имеет тенденцию к более быстрой диффузии (с большей вероятностью диффундирует в жидкую фазу).
При перемещении воздушной массы из тёплой области в холодную водяной пар конденсируется и выпадает в виде осадков, обогащённых кислородом-18. Снижение температуры уменьшает соотношение кислорода-18 к кислороду-16 в осадках. На эффективность дистилляции могут влиять и другие факторы, такие как прямое осаждение кристаллов льда, а не жидкой воды, при низких температурах.
Из-за интенсивных осадков, выпадающих во время ураганов, и последующего поглощения дождевой воды деревьями, в их годичных кольцах создаётся запись о прохождении ураганов.
В лабораторных условиях температура, влажность, скорость газообмена также влияют на точность измерения соотношения изотопов кислорода . Образец требует правильного хранения. Твёрдые образцы (органические и неорганические) для измерения изотопов кислорода обычно хранятся в серебряных чашках и измеряются с помощью пиролиза и масс-спектрометрии.
Взаимосвязь между температурой и климатом Соотношение кислорода-18 к кислороду-16 позволяет определить температуру воды в древности. Вода с температурой ниже 10—15 °C свидетельствует об оледенении. По мере распространения более низких температур кислород-18 выпадает в виде осадков на более низких широтах (ближе к экватору), кислород-16 — на более высоких широтах (ближе к полюсам). Осадки, а следовательно, и ледниковый лёд, содержат воду с низким содержанием кислорода-18 и высоким — кислорода-16. Содержание кислорода-18 в океанической воде высокое. Вода до 5 °C соответствует межледниковому периоду, когда содержание кислорода-18 в океанической воде ниже. График изменения температуры древней воды во времени показывает, что климат менялся циклически, с бо́льшими циклами и гармониками, или меньшими циклами, наложенными на бо́льшие. Этот метод оказался особенно ценным для выявления ледниковых максимумов и минимумов в плейстоцене.
Связь между кальцитом и водой Известняк образуется из кальцитовых раковин микроорганизмов. Кальцит (карбонат кальция) образуется из воды, и углекислого газа, растворённого в воде. Из углекислого газа поступают два атома кислорода в кальцит, третий атом кальций должен забрать из воды. Таким образом, изотопное соотношение в кальците такое же, как и в воде, из которой микроорганизмы данного слоя извлекли материал раковины. Более высокое содержание кислорода-18 в кальците указывает на более низкие температуры воды. Микроорганизмы, наиболее часто упоминаемые для идентификации морских изотопных стадий — фораминиферы.
Исследования Динамическая эволюция оксигенации Земли зафиксирована в древних отложениях Габона, датируемых периодом примерно от 2150 до 2080 миллионов лет назад. Вероятно, причиной этих колебаний оксигенации стала .
См. также
Изотопное фракционирование
Примечания
Дополнительная информация Encyclopædia Britannica under Climate and Weather, Pleistocene Climatic Change
Ссылки Обсерватория Земли НАСА: Кислородный баланс Глобальные измерения содержания кислорода в кислороде, проводимые компанией Scripps O2.
Категория:Кислород Категория:Палеоклиматология